進展|第二類狄拉克半金屬材料PtTe2薄膜中的高自旋霍爾電導

2020-12-14 中科院物理所

電流在強自旋軌道耦合材料中的自旋軌道力矩(SOT)效應提供了一種超快、高效的操縱磁矩的方式，是研發下一代自旋邏輯和自旋存儲的重要基礎。應用該效應於當前自旋電子學金屬多層膜器件中需要尋找既具有大自旋霍爾角又具有高導電性(即高自旋霍爾電導)的材料。相比於傳統上使用的Pt、W等重金屬，二維的過渡金屬硫族化合物材料(TMDs)在晶相、對稱性、電導、自旋軌道耦合強度以及能帶拓撲特性等方面具有更多的可調空間，因而近來成為研究電荷與自旋(及贗自旋)等自由度之間相互轉換的一個新興的體系。儘管已經有不少研究發現了諸如MoS2、WTe2等材料具有較大的自旋霍爾角，但是它們相對大的電阻以及難以大規模製備厚度可控的薄膜等問題限制了該體系的實際應用。高導電性以及具有自旋-動量鎖定的拓撲表面態的狄拉克半金屬材料可能克服上述問題，然而它們的自旋軌道力矩(SOT)效應還沒有相關報導。

圖1. 大面積高質量PtTe2薄膜的製備與結構表徵。(a)從Pt到PtTe2熱輔助的轉換示意圖。(b)和(c)分別為典型的PtTe2薄膜的釐米尺度的光學顯微鏡照片與納米尺度的高解析度透射電鏡照片。(d)為[001]取向的PtTe2薄膜的XRD。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M02課題組的許洪軍博士後、於國強特聘研究員、韓秀峰研究員等人成功製備了大面積、高質量、厚度可控的PtTe2薄膜並且首次研究了這種第二類狄拉克半金屬的自旋軌道力矩效應。借鑑PtSe2薄膜的製備方法，不同厚度的Pt薄膜可以通過在碲蒸汽中退火的方法而轉化成為[001]取向的PtTe2薄膜。與文獻報導的單晶PtTe2納米薄片類似，這些PtTe2薄膜在室溫下具有的高導電性（~ 106 S/m）。因為PtTe2在大氣環境中的相對穩定性，均勻、平整、大面積的PtTe2薄膜可以轉移到磁控濺射設備中製備自旋電子學器件。

通過對PtTe2/Py異質結進行系統性的自旋力矩-鐵磁共振的測量發現PtTe2薄膜具有較大的自旋軌道力矩效應: 忽略界面自旋的損失，5 nm的PtTe2的自旋霍爾角在0.09-0.15範圍，是對照實驗中4 nm Pt的1.5 ~ 2 倍。從PtTe2自旋軌道力矩效率隨厚度非單調變化的實驗結果可以推測PtTe2產生的自旋軌道力矩具有塊體態與表面態兩個不同的來源。因為高導電性以及較大的自旋霍爾角，PtTe2的自旋霍爾電導（0.2-1.6 × 105 /2e Ω-1m-1）是目前報導的TMDs中最大的，甚至能與典型的拓撲絕緣體 Bi2Se3相比擬。進一步的垂直磁矩翻轉實驗也證實了PtTe2具有比Pt更高的電流-自旋流轉換效率。該研究表明PtTe2以及狄拉克半金屬有希望應用於低功耗自旋軌道力矩器件及其它自旋電子學器件中，該工作也揭示了大規模製備、研究、應用與PtTe2類似的二維、拓撲材料的可能性[Y. Guang, I. Bykova, Y. Z. Liu, G. Q. Yu,* E. Goering, M. Weigand, J. Grafe, S. K. Kim, J. Zhang, H. Zhang, Z. R. Yan, C. H. Wan, J. F. Feng, X. Wang, C. Y. Guo, H. X. Wei, Y. Peng, Y. Tserkovnyak, X. F. Han, and G. Schütz, Nat. Commun. 11 (2020) 949 ]。

圖2. 自旋力矩-鐵磁共振器件示意圖以及實驗結果。(a) PtTe2中的RF電流產生的自旋-軌道力矩(包括沿面內的τ//和垂直平面的τ⊥)使得近鄰的鐵磁性Py的磁矩(M)繞有效場方向進動。(b) PtTe2薄膜中厚度依賴的自旋-軌道力矩效率(ξSOT)以及自旋霍爾電導(σs)。

該項研究得到了科技部[項目編號2017YFA0206200]、國家自然科學基金委員會[項目基金號11874409, 11674373, 51801087, 11804380]和中科院前沿科學重點研究計劃[項目編號QYZDJ-SSW-SLH016]等有關項目的支持。

論文連結

編輯：米老貓

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