[论文解读] Observation of the out-of-plane polarized spin current from CVD grown WTe2

Shuyuan Shi, Jie Li+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 5

一句话总结

本研究展示了在厘米尺度化学气相沉积（CVD）生长的WTe2薄膜中，利用其非中心对称Td相结构中的强自旋-轨道耦合，实现了面外极化的自旋电流生成。通过自旋扭矩铁磁共振技术，作者测得5 nm厚CVD生长WTe2的面内与面外自旋电导率分别为7.36 × 10³ (h/2e) (Ω·m)⁻¹ 和 1.76 × 10³ (h/2e) (Ω·m)⁻¹，实现了在室温下通过自旋电流诱导WTe2/NiFe异质结构的磁化翻转。

ABSTRACT

Weyl semimetal Td-phase WTe2 possesses the spin-resolved band structure with strong spin-orbit coupling, holding promises as a useful spin source material. The noncentrosymmetric crystalline structure of Td-WTe2 endows the generation of the out-of-plane polarized spin, which is of great interest in magnetic memory applications. Previously, WTe2 was explored in spin devices based on mechanically exfoliated single crystal flakes with a size of micrometers. For practical spintronics applications, it is highly desirable to implement wafer-scale thin films. In this work, we utilize centimeter-scale chemical vapor deposition (CVD)-grown Td-WTe2 thin films and study the spin current generation by the spin torque ferromagnetic resonance technique. We find the in-plane and out-of-plane spin conductivities of 7.36 x 10^3 (h/2e) (ohm-m)^-1 and 1.76 x 10^3 (h/2e) (ohm-m)^-1, respectively, in CVD-growth 5 nm-WTe2. We further demonstrate the current-induced magnetization switching in WTe2/NiFe at room temperature in the domain wall motion regime, which may invigorate potential spintronic device innovations based on Weyl semimetals.

研究动机与目标

• 展示在晶圆尺度、CVD生长的WTe2薄膜中实现自旋电流生成，以适用于可扩展的自旋电子学应用。
• 测量由于其非中心对称晶体结构和强自旋-轨道耦合而产生的Td相WTe2中的面外自旋极化。
• 验证CVD生长WTe2作为实际自旋电子学器件中自旋源材料在室温下的可行性。
• 通过畴壁运动机制，探索在WTe2/NiFe异质结构中实现电流诱导磁化翻转。

提出的方法

• 采用化学气相沉积（CVD）在蓝宝石衬底上生长了厘米尺度、5 nm厚的Td相WTe2薄膜。
• 采用自旋扭矩铁磁共振（ST-FMR）技术探测自旋电流生成并测量自旋电导率。
• 通过角度依赖性分析，从ST-FMR信号中提取出面外和面内自旋电导率。
• 通过注入自旋电流，在WTe2/NiFe异质结构中诱导磁化翻转，并在畴壁运动区域分析翻转动力学。
• 利用Td-WTe2的非中心对称晶体结构，生成具有面外取向的自旋极化电流。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在CVD生长的WTe2薄膜中生成面外极化的自旋电流，从而实现可扩展的自旋电子学应用？
• RQ2 CVD生长的5 nm厚WTe2薄膜中，面内与面外自旋电导率分别是多少？
• RQ3 能否在室温下通过WTe2中的自旋电流实现在WTe2/NiFe异质结构中的电流诱导磁化翻转？
• RQ4 在自旋输运效率方面，CVD生长的WTe2与机械剥离的薄片相比如何？

主要发现

• 测得CVD生长的5 nm厚WTe2的面内自旋电导率为7.36 × 10³ (h/2e) (Ω·m)⁻¹。
• 测得相同薄膜的面外自旋电导率为1.76 × 10³ (h/2e) (Ω·m)⁻¹。
• 通过ST-FMR信号的角度依赖性证实了面外自旋电流的存在，表明自旋极化方向垂直于薄膜平面。
• 在室温下成功演示了WTe2/NiFe异质结构中的电流诱导磁化翻转。
• 结果证实，CVD生长的WTe2是一种具有强面外极化的有效自旋电流源，适用于自旋电子学器件。
• 本研究为将基于外尔半金属的自旋源集成到晶圆尺度、实用化的自旋电子技术中提供了可行路径。