[论文解读] Intrinsic nature of the giant spin Hall conductivity of Pt

Lijun Zhu, Lujun Zhu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2019

Magnetic properties of thin films参考文献 59被引用 124

一句话总结

本研究确立了铂（Pt）中巨量自旋霍尔电导率（SHC）主要源于其能带结构中的贝里曲率所引起的本征自旋霍尔效应，而非外在机制。通过在Pt薄膜中引入MgO散射中心以调控长程晶格有序性，作者证明了SHC与晶格完整性的直接关联，实现了自旋轨道扭矩效率100%的提升，并确定Pt₀.₆(MgO)₀.₄为一种极具前景的低功耗自旋电子学材料，具备高自旋霍尔角、低电阻率及强Dzyaloshinskii-Moriya相互作用特性。

ABSTRACT

More than a decade after the first theoretical and experimental studies of the spin Hall conductivity (SHC) of Pt, both its dominant origin and amplitude remain in dispute. Resolving these questions is of fundamental importance for advancing understanding of very strong spin-orbit effects in conducting systems and for maximizing the spin Hall effect for energy-efficient spintronics applications. Here, we report the experimental determination of the rapid variation of the intrinsic SHC of Pt with the carrier lifetime ({ au}) in the dirty-metal regime by incorporating finely dispersed MgO inter-site impurities into the Pt while maintaining the essential elements of its band structure (face-centered-cubic order). This findings conclusively validate the theoretical prediction that the SHC in Pt in the dirty-metal regime should be dominated by the intrinsic Berry curvature contribution and should decrease rapidly with shortening { au}. This also establishes the limit to which the spin Hall ratio { heta}SH of pure Pt can be increased by shortening { au}. When the spin backflow at the Pt/ferromagnet interface due to the finite interfacial spin-mixing conductance is taken into account, the amplitude of the intrinsic SHC of Pt in the clean limit is found to be at least 1.6x10^6 (h_bar/2e) {\Omega}-1 m-1, more than 3.5 times greater than the available theoretical predictions. Our work also establishes a compelling spin Hall metal Pt0.6(MgO)0.4 that combines a giant { heta}SH (0.73) with a moderate resistivity (74 {\mu}{\Omega} cm), a strong Dzyaloshinskii-Moriya interaction, easy growth, and good integration compatibility for spintronics technology.

研究动机与目标

• 为解决长期以来关于铂（Pt）中巨量自旋霍尔电导率（SHC）起源的争议，即其究竟是源于本征机制还是外在机制。
• 通过实验确定Pt中SHC的主要贡献是否来自本征能带结构效应（贝里曲率），而非如倾斜散射或侧向跃迁等外在机制。
• 设计一种新型自旋霍尔材料，实现增强的自旋轨道扭矩效率、低电阻率，并与基于硅的集成工艺兼容，以满足能效型自旋电子学应用需求。
• 澄清理论预测与实验测量之间在Pt中SHC值的差异，特别是现有第一性原理计算对本征SHC的低估问题。

提出的方法

• 在Si/SiO₂基底上通过共溅射法制备了MgO浓度可调（x = 0 至 1）的Pt₁₋ₓ(MgO)ₓ薄膜，系统调控长程晶格有序性（LRCO）与电阻率（ρxx）。
• 利用高分辨横截面扫描透射电镜（STEM）、EDS映射及X射线光电子能谱（XPS）确认MgO在Pt中均匀分散，无团聚或Pt原子氧化现象。
• X射线衍射（XRD）证实MgO浓度变化未引起晶格常数改变，表明MgO以间隙式而非取代式方式掺杂进入Pt晶格。
• 通过平面内谐波响应技术测量阻尼型自旋轨道扭矩效率（ξDL）与自旋霍尔电导率（σSH），并将其与电阻率及LRCO相关联。
• 利用Pt₀.₇(MgO)₀.₃实现了Co层的确定性磁化翻转，证实其具有强SOT效率与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）。
• 理论分析对比了实验测得的SHC值与第一性原理及紧束缚模型计算结果，揭示现有模型对SHC存在显著低估。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pt中巨量自旋霍尔电导率的主导物理起源是什么——是内部能带结构（本征）还是与散射相关的机制（外在）？
• RQ2 Pt薄膜中长程晶格有序性（LRCO）的程度如何影响自旋霍尔电导率与自旋轨道扭矩效率？
• RQ3 当前理论模型在多大程度上能准确预测Pt的本征自旋霍尔电导率？
• RQ4 能否通过受控的无序工程在Pt基材料中实现自旋霍尔电导率与自旋轨道扭矩效率的提升？
• RQ5 新合金Pt₀.₆(MgO)₀.₄的关键材料特性是什么，使其适用于低功耗自旋电子学器件？

主要发现

• Pt中巨量自旋霍尔电导率主要源于本征机制，即来自体相能带结构中的贝里曲率，该结论由SHC与长程晶格有序性（LRCO）之间的直接关联所证实。
• 实测本征自旋霍尔电导率超过1×10⁶ (ℏ/2e) Ω⁻¹ m⁻¹，显著高于理论预测值，表明当前第一性原理与紧束缚模型对Pt中真实本征SHC存在显著低估。
• 通过引入MgO提高电阻率，实现了自旋轨道扭矩效率（ξDL）100%的提升，Pt₀.₆(MgO)₀.₄表现出ξDL = 0.30与ρxx = 74 μΩ cm。
• Pt₀.₆(MgO)₀.₄合金表现出强Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），可在临界电流密度1.15×10⁷ A/cm²下实现垂直Co层的确定性翻转。
• 该材料与硅基底及溅射工艺兼容，使其在SOT-MRAM与磁性斯kyrmion器件等自旋电子学器件中具有高度集成潜力。
• 结果排除了倾斜散射、侧向跃迁或界面效应的显著贡献，依据为ξDL与ρxx的标度关系以及其对界面结构的无依赖性。