[论文解读] Unidirectional spin Hall magnetoresistance in topological insulator/ferromagnetic layer heterostructures

Yang Lv, James Kally+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 35被引用 129

一句话总结

本研究在拓扑绝缘体/铁磁体（TI/FM）异质结中实现了非对称自旋霍尔磁阻效应（USMR），并由此实现了无需独立读出结的两终端自旋轨道力矩（SOT）开关器件。通过利用Bi2Se3和（Bi,Sb）2Te3中的自旋-动量锁定效应，作者实现了高达3.19 ppm/(MA·cm²)的优值因子（单位电流密度与总电阻下的USMR），优于已报道的Ta/Co双层结构，从而实现了高效且结构友好的自旋电子学器件。

ABSTRACT

The large spin orbit coupling in topological insulators results in helical spin-textured Dirac surface states that are attractive for topological spintronics. These states generate an efficient spin-orbit torque on proximal magnetic moments at room temperature. However, memory or logic spin devices based upon such switching require a non-optimal three terminal geometry, with two terminals for the writing current and one for reading the state of the device. An alternative two terminal device geometry is now possible by exploiting the recent discovery of a unidirectional spin Hall magnetoresistance in heavy metal/ferromagnet bilayers and (at low temperature) in magnetically doped topological insulator heterostructures. We report the observation of unidirectional spin Hall magnetoresistance in a technologically relevant device geometry that combines a topological insulator with a conventional ferromagnetic metal. Our devices show a figure-of-merit (magnetoresistance per current density per total resistance) that is comparable to the highest reported values in all-metal Ta/Co bilayers.

研究动机与目标

• 在20 K至150 K温度范围内，证明拓扑绝缘体/铁磁体（TI/FM）异质结中存在非对称自旋霍尔磁阻效应（USMR）。
• 通过消除对独立磁性隧道结（MTJ）用于状态读出的需求，实现两终端自旋轨道力矩（SOT）开关器件。
• 评估TI/FM系统中USMR的优值因子（单位电流密度与总电阻下的USMR）相对于传统全金属Ta/Co双层结构的性能表现。
• 在测量中分离并量化外部效应（如反常能斯特效应、自旋塞贝克效应）对USMR的贡献。
• 建立Bi2Se3和（Bi,Sb）2Te3/CoFeB异质结中USMR的温度依赖性和厚度依赖性。

提出的方法

• 采用分子束外延（MBE）在InP（111）衬底上外延生长了（Bi,Sb）2Te3和Bi2Se3薄膜，厚度分别为6和10个量子阱层。
• 通过在超高真空条件下进行磁控溅射，沉积5 nm的CoFeB和2 nm的MgO钝化层，以保护TI并形成异质结。
• 利用光刻和离子束刻蚀技术制备霍尔条形器件（50 μm × 20 μm），随后通过电子束蒸发和剥离工艺形成电接触。
• 在Quantum Design PPMS中，使用10 Hz交流电流（2–3 mA有效值），在xy、zx和zy平面旋转外加磁场，进行角度依赖的谐波电阻测量（Rω和R2ω）。
• 通过在不同外加磁场下测量R2ω，并拟合cosφ和cos³φ分量，利用无限磁场下的截距分离出反常能斯特效应（ANE）和自旋塞贝克效应（SSE）的贡献。
• 通过从总R2ω中减去ANE/SSE和SOT贡献，提取出本征USMR，从而实现优值因子（单位电流密度与总电阻下的USMR）的量化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在适用于器件工作的温度范围内，实验观测到拓扑绝缘体/铁磁体（TI/FM）异质结中的非对称自旋霍尔磁阻效应（USMR）？
• RQ2 TI/FM系统中USMR的优值因子（单位电流密度与总电阻下的USMR）与全金属Ta/Co双层结构相比如何？
• RQ3 Bi2Se3和（Bi,Sb）2Te3/CoFeB异质结中，USMR幅值如何随温度和TI厚度变化？
• RQ4 反常能斯特效应和自旋塞贝克效应等外部效应在测得的二次谐波电阻中占多大比例？
• RQ5 TI/FM系统中的本征USMR是否足以支持实用化的两终端SOT开关器件，而无需额外的MTJ用于读出？

主要发现

• 在（Bi,Sb）2Te3/CoFeB和Bi2Se3/CoFeB异质结中，成功观测到20 K至150 K温度范围内的非对称自旋霍尔磁阻效应（USMR）。
• 在150 K时，6个量子阱层的Bi2Se3/CoFeB样品中，优值因子达到最高值3.19 ppm/(MA·cm²)，超过室温下已报道的Ta/Co双层结构的最佳值（1.14 ppm/(MA·cm²)）。
• 在150 K时，6 QL Bi2Se3/CoFeB样品的单位电流密度USMR达到0.95 mΩ/(MA·cm²)，是最佳Ta/Co双层结构中观测值的两倍以上。
• 10 QL（Bi,Sb）2Te3/CoFeB样品在70 K时表现出峰值USMR优值因子1.45 ppm/(MA·cm²)，总电阻为733 Ω。
• USMR信号表现出强烈的温度依赖性，最大值分别出现在（Bi,Sb）2Te3的70 K和Bi2Se3的150 K，这是由于表面与体相导电通道的相互竞争所致。
• 通过磁场依赖的谐波电阻测量并外推至无限磁场，成功分离并减去反常能斯特效应和自旋塞贝克效应的贡献，实现了本征USMR的提取。