杜夢(mèng)瑤 邱志勇

(大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,三束材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn),大連 116000)

相比于電荷流的高功耗,自旋流可以高效地傳輸能量與信息的同時(shí)避免焦耳熱的產(chǎn)生,因此基于自旋流的電子器件成為未來(lái)電子信息器件研發(fā)的重要方向之一.自旋流及其輸運(yùn)現(xiàn)象的相關(guān)研究是自旋電子學(xué)器件的開發(fā)基礎(chǔ).本文著眼于鐵磁金屬鎳(Ni)與非磁重金屬(Pt)構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),研究了異質(zhì)結(jié)界面的自旋輸運(yùn)特性,發(fā)現(xiàn)其對(duì)擴(kuò)散自旋流的全阻塞效應(yīng).本工作以基于釔鐵石榴石(yttrium iron garnet,YIG)的YIG/Ni/Pt 三層器件開展,采用自旋泵浦技術(shù)激發(fā)擴(kuò)散自旋流注入到鎳中,同時(shí)檢測(cè)與分析器件中的逆自旋霍爾電壓,并與YIG/Ni 雙層器件中的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析.結(jié)果證明YIG/Ni/Pt 三層器件中的鉑金屬層僅起分流作用而對(duì)逆自旋霍爾電流無(wú)貢獻(xiàn),即鎳層中的擴(kuò)散自旋流被阻塞于Ni/Pt 異質(zhì)結(jié)界面.本工作加深了對(duì)界面處自旋流輸運(yùn)的認(rèn)識(shí),鐵磁性金屬/非磁重金屬自旋流阻塞界面的發(fā)現(xiàn)也為自旋電子器件的設(shè)計(jì)及新功能開發(fā)提供了新的思路與手段.

1 引言

自旋電子學(xué)是以電子的量子自由度自旋為核心對(duì)象的研究領(lǐng)域,以自旋為信息或能量載體的器件研制是自旋電子學(xué)的核心研究課題之一[1-4].與傳統(tǒng)的基于電荷的電子器件相比,自旋電子器件具有非易失、高速度和低熱損等特點(diǎn),有望成為下一代電子學(xué)器件的發(fā)展方向.自旋流的產(chǎn)生、輸運(yùn)及檢測(cè)是自旋電子器件及其相關(guān)研發(fā)的基本問(wèn)題[5-10].其中,由于自旋流與傳輸介質(zhì)之間具有復(fù)雜的相互作用,導(dǎo)致自旋流輸運(yùn)相關(guān)現(xiàn)象長(zhǎng)期成為自旋流研究的難點(diǎn)及熱點(diǎn)[11-15].不同的材料及界面狀態(tài)對(duì)自旋流傳輸影響的研究對(duì)開發(fā)新型自旋電子學(xué)器件具有重要意義.

正如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Herbert Kroemer的名言[16]“界面即器件”所述,在現(xiàn)代電子器件中界面對(duì)其功能和性能的主導(dǎo)作用毋庸置疑,對(duì)自旋電子器件亦然.針對(duì)自旋流傳輸現(xiàn)象,金屬與金屬界面處發(fā)生的自旋流反射、損耗和透射現(xiàn)象(圖1(a))已被大量研究.Kurt 等[17]在分析Cu/Pt與Cu/Pd 界面的自旋輸運(yùn)時(shí),觀察到自旋損耗導(dǎo)致的自旋流不連續(xù)現(xiàn)象.Nguyen 等[18]發(fā)現(xiàn)在Co/Pt 界面處具有較大的自旋翻轉(zhuǎn)系數(shù),暗示了自旋極化電流在鐵磁層和鉑金屬層界面處存在無(wú)法忽視的耗散.Rojas-Sánchez[19,20]等的工作也強(qiáng)調(diào)了Co/Pt 和Cu/Pt界面處的自旋損耗,并認(rèn)為3d 過(guò)渡金屬/5d 非磁重金屬界面的擴(kuò)散和無(wú)序是發(fā)生損耗的主要原因.從自旋流的傳輸效率出發(fā),追求低自旋損耗的界面是該領(lǐng)域的主流方向,而對(duì)高自旋損耗或全反射的界面(圖1(b))的相關(guān)研究卻鮮有涉及.

本工作以鐵磁性金屬鎳(Ni)與非磁重金屬鉑(Pt)異質(zhì)結(jié)界面為研究對(duì)象,對(duì)界面處的自旋流輸運(yùn)現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究.制備了不同Ni 層厚度的YIG/Ni/Pt 三層器件及YIG/Ni 雙層對(duì)比器件.利用圖1(c)中所示的自旋泵浦技術(shù)激發(fā)自旋流并注入鎳層,測(cè)量并對(duì)比分析YIG/Ni/Pt 三層器件與YIG/Ni 雙層器件的逆自旋霍爾電壓信號(hào).對(duì)金屬異質(zhì)結(jié)中的自旋流輸運(yùn),特別是界面處的自旋阻塞進(jìn)行探討.

圖1 金屬/金屬界面處自旋流傳輸 (a) 與自旋流阻塞(b)示意圖;(c) 自旋泵浦效應(yīng)誘導(dǎo)的自旋注入及逆自旋霍爾效應(yīng)測(cè)量的原理圖Fig.1.Illustration of the spin transport (a) and spin block(b) at a metal/metal interface;(c) illustration of spin injection by spin pumping effect and inverse spin Hall effect measurement.

2 實(shí)驗(yàn)原理與方法

本工作中的YIG 單晶基板通過(guò)液相外延法制備,厚度約為3 μm,且所有器件的YIG(規(guī)格為1 mm×3 mm)均取自同一晶元.在YIG 基板上利用直流磁控濺射方法制備Ni 及Pt 薄膜,構(gòu)建了YIG/Ni/Pt 三層及YIG/Ni 雙層器件.其中Ni 在室溫下0.5 Pa 的Ar 氣壓及30 W 的濺射功率下制備;Pt 在室溫下 3 Pa 的Ar 氣壓及50 W 的濺射功率下制備.圖2(a)分別給出了YIG/Ni/Pt 三層與YIG/Ni 雙層器件的結(jié)構(gòu)示意圖.作為對(duì)比器件的YIG/Ni 雙層與YIG/Ni/Pt 三層器件的Ni 層為同時(shí)制備,并嚴(yán)格控制制膜條件,保證Ni 層質(zhì)量的一致性.同時(shí)通過(guò)控制制膜時(shí)間改變Ni 層厚度,制備了Ni 層厚度為1—4 nm 的4 組對(duì)比試樣.所有YIG/Ni/Pt 三層器件中的Pt 層厚度統(tǒng)一為10 nm.

如圖2(a)所示,樣品被放置在U 形波導(dǎo)片的信號(hào)線正上方,施加頻率為5 GHz 的微波,同時(shí)沿著樣品面內(nèi)方向施加外磁場(chǎng)H.在微波場(chǎng)與外加磁場(chǎng)的共同作用下,YIG 中的鐵磁共振被激發(fā),由自旋泵浦效應(yīng)在YIG/Ni 界面產(chǎn)生的自旋積累誘發(fā)自旋流通過(guò)界面注入到Ni 層中[21-23].由于Ni 層及Pt 層的逆自旋霍爾效應(yīng),該自旋流可能被轉(zhuǎn)化為電流并以電壓的形式被檢測(cè)到,即逆自旋霍爾電壓VISHE[24,25].

圖2 (a) 自旋泵浦實(shí)驗(yàn)設(shè)置 與YIG/Ni/Pt 三層器件及YIG/Ni 雙層器件的結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 多層器件的典型微波吸收譜;(c) YIG/Ni(3 nm)/Pt 三層及YIG/Ni(3 nm)雙層器件的電壓信號(hào)V 與外磁場(chǎng)H 的依存關(guān)系圖Fig.2.(a) Illustration of experimental spin pumping set-up of YIG/Ni/Pt trilayer and YIG/Ni bilayer devices;(b) the typical microwave absorption spectrum;(c) the external magnetic field H dependences of the voltage signals V for the YIG/Ni(3 nm)/Pt trilayer and YIG/Ni(3 nm) bilayer devices.

3 結(jié)果與討論

圖2(b)所示為樣品在300 K 下所測(cè)得的微波吸收譜.在外磁場(chǎng)H ≈±1.2 kOe(1 Oe=79.5775 A/m)時(shí),可以觀測(cè)到兩個(gè)對(duì)稱的微波吸收峰,對(duì)應(yīng)了YIG 在5 GHz 微波激發(fā)下的鐵磁共振條件.其中微波吸收峰的強(qiáng)度被定義為Pab,其與注入Ni 層的自旋流強(qiáng)度成正比[26,27].本工作中的YIG 均來(lái)自于同一晶元,因此所有樣品的微波吸收峰均出現(xiàn)在相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下,該磁場(chǎng)被定義為YIG 的鐵磁共振場(chǎng)HFMR.如圖2(c)所示,在YIG/Ni/Pt 三層及YIG/Ni 雙層器件中均有峰形的電壓信號(hào)在YIG 鐵磁共振場(chǎng)HFMR處被檢測(cè)到,且電壓信號(hào)峰的正負(fù)隨外磁場(chǎng)的反轉(zhuǎn)而反轉(zhuǎn).基于自旋泵浦理論可將該電壓峰歸因于由YIG 注入Ni 層的自旋流轉(zhuǎn)換而來(lái)的逆自旋霍爾電壓VISHE[22-28].

圖3(a),(b)所示為在300 K 下在Ni 層厚度分別為1—4 nm 時(shí)YIG/Ni/Pt 三層與YIG/Ni 雙層器件中測(cè)得的電壓信號(hào)V與外磁場(chǎng)H的關(guān)系.所有樣品均在鐵磁共振場(chǎng)HFMR處檢測(cè)到逆自旋霍爾電壓VISHE.然而,YIG/Ni 雙層器件中的逆自旋霍爾電壓均大于YIG/Ni/Pt 三層器件,且兩種器件的逆自旋霍爾電壓VISHE隨Ni 層厚度dNi的變化表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì).對(duì)比兩組不同結(jié)構(gòu)器件的測(cè)量數(shù)據(jù),特別是Ni 層厚度為1 nm(遠(yuǎn)小于Ni 的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)[29])情況下的逆自旋霍爾電壓,其測(cè)量結(jié)果似乎暗示了在YIG/Ni/Pt 三層器件中Pt 層并未對(duì)自旋流-電流的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生貢獻(xiàn).

圖3(c)給出了兩種不同結(jié)構(gòu)器件的逆自旋霍爾電壓VISHE與Ni 層厚度dNi的關(guān)系.其中,YIG/Ni雙層器件的逆自旋霍爾電壓VISHE隨Ni 層厚度dNi的增大而單調(diào)減小,且基本符合指數(shù)規(guī)律.與之相對(duì),YIG/Ni/Pt 三層器件的逆自旋霍爾電壓VISHE卻呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),且在Ni 層厚度為3 nm 處達(dá)到最大值,該傾向主要是器件的內(nèi)阻變化的結(jié)果.在圖3(c)的插圖中給出了兩種器件的橫向電阻R與Ni 層厚度dNi的依存關(guān)系圖.在兩種不同結(jié)構(gòu)器件中橫向電阻R與逆自旋霍爾電壓VISHE的變化均呈現(xiàn)一定的相似性.由于逆自旋霍爾電壓VISHE是由逆自旋霍爾電流IISHE與橫向電阻R的乘積決定,即VISHE=IISHE·R.對(duì)于具有相同Ni 層厚度的YIG/Ni/Pt 三層器件而言,其逆自旋霍爾電流可能來(lái)源于Ni 層及Pt 層的疊加貢獻(xiàn),通過(guò)分析比較YIG/Ni/Pt 三層及YIG/Ni雙層器件中逆自旋霍爾電流的大小,可以分別討論Ni 層和Pt 層對(duì)逆自旋霍爾電流的貢獻(xiàn),從而研究相關(guān)結(jié)構(gòu)中自旋流的傳輸性質(zhì).

圖3 不同Ni 層厚度dNi 的YIG/Ni/Pt 三層 (a) 及YIG/Ni 雙層器件 (b) 的電壓信 號(hào)V 與外磁 場(chǎng)H 的關(guān)系;(c) 逆自 旋霍爾電壓VISHE 與Ni 層厚度dNi 的關(guān)系(插圖為兩種器件的橫向電阻R 與Ni 層厚度dNi 的關(guān)系)Fig.3.The external magnetic field H dependences of the voltage signals V for the YIG/Ni/Pt trilayer devices (a) and the YIG/Ni bilayer devices (b) with different nickel layer thicknesses dNi;(c) the nickel layer thickness dNi dependences of the inverse spin Hall voltage signal VISHE for the two series of devices (the inset shows the nickel layer thickness dNi dependences of the transverse resistances R).

為進(jìn)一步分析YIG/Ni/Pt 三層和YIG/Ni 雙層器件中Ni 層及Pt 層分別對(duì)逆自旋霍爾電流IISHE的貢獻(xiàn),首先基于自旋泵浦理論建立以下的等效電路模型[24,30].對(duì)于YIG/Ni 雙層器件而言,

式中,λNi為Ni 的自旋流擴(kuò)散長(zhǎng)度;為YIG/Ni界面處注入的自旋流密度.本工作嚴(yán)格統(tǒng)一所有器件的測(cè)試條件,特別是微波吸收功率Pab仔細(xì)控制在±1%的誤差范圍內(nèi).基于鐵磁共振的自旋泵浦模型可認(rèn)為所有器件的測(cè)試中YIG/Ni 界面處注入的自旋流強(qiáng)度可比.

各器件中的逆自旋霍爾電流IISHE可由實(shí)際測(cè)得的逆自旋霍爾電壓VISHE與橫向電阻R的比值獲得(圖3(c)).圖4 展示了YIG/Ni/Pt 三層及YIG/Ni雙層器件的逆自旋霍爾電流IISHE與Ni 層厚度dNi的依存關(guān)系.YIG/Ni/Pt 三層及YIG/Ni 雙層器件的逆自旋霍爾電流IISHE顯示了幾乎相同的先增大后減小的趨勢(shì).暗示了Ni 的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)的相關(guān)信息.具有相同Ni 層厚度的兩種器件的逆自旋霍爾電流差均與實(shí)驗(yàn)誤差可比.

圖4 YIG/Ni/Pt 三層及YIG/Ni 雙層器件中逆自旋霍爾電流 IISHE 與Ni 層厚度dNi 的依存關(guān)系圖(插圖是兩種器件中逆自旋霍爾效應(yīng)測(cè)量的等效電路圖)Fig.4.The nickel layer thicknesses dNi dependences of the inverse spin Hall current IISHE for the YIG/Ni/Pt trilayer devices and the YIG/Ni bilayer devices (the insets are the equivalent circuits for inverse spin Hall measurement for the two series of devices).

自旋流在Ni/Pt 界面處的阻塞現(xiàn)象可能由兩種機(jī)制導(dǎo)致: 其一為Ni/Pt 為自旋的強(qiáng)反射界面,擴(kuò)散自旋流在Ni/Pt 界面處被完全反射;其二為Ni/Pt 界面為強(qiáng)自旋吸收體,擴(kuò)散自旋流在Ni/Pt界面處被完全耗散吸收.YIG/Ni 雙層器件中Ni 與空氣的界面可近似為純反射界面,其測(cè)得的逆自旋霍爾電流IISHE正比于正向的擴(kuò)散自旋流與界面處反射自旋流的疊加結(jié)果.隨著Ni 層厚度減小(特別是小于Ni 的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)時(shí)),Ni/空氣界面的自旋反射增強(qiáng),且與正向擴(kuò)散自旋流的疊加效果更加明顯.如果YIG/Ni/Pt 三層器件中Ni/Pt 界面對(duì)自旋流傳輸以吸收機(jī)制為主導(dǎo),與YIG/Ni 雙層器件相比,Ni/Pt 界面對(duì)自旋流的吸收將減弱反射自旋流,且Ni 層中自旋流密度分布亦將被改變.與此對(duì)應(yīng),YIG/Ni/Pt 三層器件中測(cè)得的逆自旋霍爾電流IISHE應(yīng)顯著增強(qiáng).然而,本工作并沒有發(fā)現(xiàn)YIG/Ni/Pt 三層器件中的逆自旋霍爾電流IISHE與YIG/Ni 雙層器件相比存在明顯的增強(qiáng)傾向性,這不符合界面吸收機(jī)制主導(dǎo)的預(yù)期.因此,雖然現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能完全定量分離上述反射與吸收兩種因素的影響,但筆者仍傾向于認(rèn)為強(qiáng)自旋流反射是Ni/Pt 界面處自旋傳輸?shù)闹鲗?dǎo)因素.

4 結(jié)論

本工作構(gòu)建了YIG/Ni/Pt 三層器件,通過(guò)與YIG/Ni 雙層器件的對(duì)比分析,系統(tǒng)研究了鐵磁金屬鎳與非磁重金屬鉑異質(zhì)結(jié)界面的自旋流傳輸性質(zhì).基于自旋泵浦技術(shù),測(cè)量了不同鎳層厚度的YIG/Ni/Pt 三層與YIG/Ni 雙層器件中的逆自旋霍爾電壓.通過(guò)分析對(duì)比YIG/Ni/Pt 三層與YIG/Ni 雙層器件的逆自旋霍爾電流,證明擴(kuò)散自旋流在Ni/Pt 異質(zhì)結(jié)界面被完全阻塞,其結(jié)果主要?dú)w結(jié)于自旋流在該界面被反射.本工作加深了對(duì)自旋流在界面的反射、損耗和透射行為的理解,自旋流阻塞界面也拓展了自旋電子器件的研發(fā)思路.