[论文解读] Spin to charge conversion in MoS$_{2}$ monolayer with spin pumping

Cheng Cheng, Martin Collet+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2015

2D Materials and Applications参考文献 36被引用 12

一句话总结

本研究通过钴铁磁层的自旋泵浦，在单层二硫化钼（MoS₂）中实现了高效的自旋-电荷转换。反Rashba-Edelstein效应在室温下产生超过4 nm的自旋霍尔长度，且可通过背栅实现自旋弛豫的电场调控，凸显了MoS₂在自旋轨道电子器件中的潜力。

ABSTRACT

Layered transition-metal dichalcogenides (TMDs) family are gaining increasing importance due to their unique electronic band structures, promising interplay among light, valley (pseudospin), charge and spin degrees of freedom. They possess large intrinsic spin-orbit interaction which make them most relevant for the emerging field of spin-orbitronics. Here we report on the conversion of spin current to charge current in MoS2 monolayer. Using spin pumping from a ferromagnetic layer (10 nm of cobalt) we find that the spin to charge conversion is highly efficient. Analysis in the frame of the inverse Rashba-Edelstein (RE) effect yields a RE length in excess of 4 nm at room temperature. Furthermore, owing to the semiconducting nature of MoS$_{2}$, it is found that back-gating allows electrical field control of the spin-relaxation rate of the MoS$_{2}$-metallic stack.

研究动机与目标

• 研究具有强自旋-轨道耦合的二维过渡金属二硫属化合物单层MoS₂中的自旋-电荷转换行为。
• 探讨利用铁磁钴层自旋泵浦将自旋流高效转换为电荷流的效率。
• 研究电场栅压对MoS₂-金属异质结构中自旋弛豫动力学的影响。
• 量化室温下MoS₂中与反Rashba-Edelstein效应相关的自旋霍尔长度。

提出的方法

• 利用10 nm厚的钴铁磁层实现自旋泵浦，将自旋流注入单层MoS₂沟道。
• 通过反Rashba-Edelstein效应将自旋流转换为电荷流，并分析以提取自旋霍尔长度。
• 施加背栅电压以调节MoS₂中的载流子密度，实现对自旋弛豫速率的电场调控。
• 通过铁磁共振和电输运测量表征系统，以检测产生的电荷流。
• 基于反Rashba-Edelstein框架的理论建模用于解释实验数据并提取自旋霍尔长度。
• 分析考虑了MoS₂的半导体特性及其能带结构，以解释观测到的自旋输运行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自旋泵浦条件下，单层MoS₂中的自旋-电荷转换效率如何？
• RQ2 反Rashba-Edelstein效应在MoS₂中如何表现？室温下其对应的自旋霍尔长度是多少？
• RQ3 在与金属层构成的异质结构中，能否通过背栅电压电控调节MoS₂中的自旋弛豫速率？
• RQ4 MoS₂中固有的自旋-轨道耦合在实现高效自旋-电荷转换中起到何种作用？
• RQ5 MoS₂的半导体特性如何影响器件结构中的自旋输运与弛豫动力学？

主要发现

• 单层MoS₂中的自旋-电荷转换效率极高，实测反Rashba-Edelstein效应在室温下产生超过4 nm的自旋霍尔长度。
• MoS₂-金属堆叠结构中的自旋弛豫速率可通过背栅电压实现电场调制，证明了自旋动力学的可调性。
• 观测到的超过4 nm的自旋霍尔长度表明强自旋-轨道耦合，显示出在自旋轨道电子学应用中的巨大潜力。
• MoS₂的半导体特性使其可通过静电栅压有效调控自旋弛豫，这一特性在金属中难以实现。
• 实验结果与基于反Rashba-Edelstein效应的理论模型一致，证实了自旋-电荷转换的机制。
• 该系统在二维过渡金属二硫属化合物中展现出稳健且可栅控的自旋电流转换路径。