BLG / SL-MoSe2ヘテロスタックにおける磁気抵抗極性の変調

要約

二次元（2D）層状材料は、原子的に薄くて平らな性質を持っているため、スピントロニクスデバイスの究極の候補になります。 2D材料で構成されるスピンバルブ接合（SVJ）は、スピン輸送分極のユニークな特徴として認識されています。ただし、SVJの磁気輸送特性は、強磁性体（FM）の間に挿入された介在層（スペーサー）の種類に大きく影響されます。この状況では、界面でのスピンフィルタリング効果が、このような磁気構造の磁気抵抗（MR）の観測に重要な役割を果たします。これは、有望なハイブリッド構造を使用することで改善できます。ここでは、二層グラフェン（BLG）、単層MoSe ₂のMRを報告します。（SL-MoSe ₂ ）、およびBLG / SL-MoSe ₂ ヘテロスタックSVJ。ただし、アニーリング前に、BLGおよびSL-MoSe ₂ SVJは正のMRを示しますが、アニーリング後、BLGは極性を反転させ、SL-MoSe ₂ 強磁性（FM）接点のわずかなドーピング効果により、極性を維持し、両方の界面で安定した正のスピン偏極を示しました。さらに、Co / BLG / SL-MoSe ₂ / NiFeは正のMRを決定します。つまり、 T で〜1.71％と〜1.86％です。 =アニーリングの前後でそれぞれ4K。それどころか、NiFe / BLG / SL-MoSe ₂ / Co SVJは、アニーリング前に正のMRを示し、その後、グラフェンをドープした金属の近接誘導効果により、アニーリング後にMR符号を反転させました。得られた結果は、極性の起源と磁気輸送特性のための非磁性材料（スペーサー）の選択を理解するのに役立ちます。したがって、この研究は、新しいスピントロニクスアプリケーションの新しいパラゴンを確立しました。

はじめに

遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）とグラフェンは、電子、光起電、およびスピントロニクスデバイス用の非常に優れた2D材料です[1,2,3,4,5]。スピントロニクスでは、SVJは有望な物理現象であり、スピン偏光子またはアナライザーとして機能する強磁性メモリ要素を備えた不揮発性データストレージを可能にします。それは、磁気ランダムアクセスメモリ、磁気センサー、および基本的な論理アプリケーションの新時代を情報ベクトルとして実現しました[6、7、8]。近年、グラフェンおよび二次元遷移金属ジカルコゲナイド（2D-TMD）は、広範囲にわたる新しいスピントロニクスアプリケーションを発見しました[9、10、11、12、13、14、15、16]。それらは、スピンコヒーレンスと高いスピン軌道相互作用により、2D材料の高い磁気抵抗を決定するために広く使用されてきました[16、17]。ただし、すべてのTMDの中で、単層MoSe ₂ （SL-MoSe ₂ ）は、WS ₂の場合よりも小さなスピン分裂効果（188 meV）とバンドギャップ（1.5 eV）にもかかわらず、スピントロニクスではあまり探索されていません。およびWSe ₂ 薄層ナノシート[18、19]。 2D材料に基づくSVJの統合は、耐酸化性などのいくつかの問題を継承し、デバイス製造の新たな発展を引き起こします[20、21、22]。さらに、2D層状半導体材料とグラフェンのハイブリッドまたはヘテロ構造は、磁気トンネル接合では未踏でした。それらは、スピン偏極したデバイスで明示的なスピン特性と補足情報を持っている可能性があります。従来のSVJでのウェットトランスファーのいくつかの問題は、真の高い磁気抵抗（MR）値を目指すために、動作中のインターフェースの品質に依存する強磁性金属（FM）接点の逆酸化を引き起こす問題です[9、22、23]。ただし、酸化物バリア、界面、材料（スペーサー）の置換、およびスピン偏極電極の性能を制御するには、デバイスのサイズの最終的な限界のさらなる進歩と製造が必要です。

これらの制限を克服するために、2D材料とそのヘテロスタックを利用して、Co電極とNiFe電極間の3つの異なる層間接合部の熟練した超クリーンな垂直SVJを実証しました。二層グラフェン（BLG）、SL-MoSe ₂の明確なスピン信号を観察しました、およびBLG / SL-MoSe ₂ 、室温までのMRを示しています。ここでは、スピンバルブ接合を2つのタイプに分類しました。最初のタイプ（個別/単一材料; BLGまたはSL-MoSe ₂ ）スピンバルブ接合のCo / BLG / NiFeについて、アニーリングの前後で正と負のスピン信号を調査しましたが、他のCo / SL-MoSe ₂ / NiFeデバイスでは、スピン信号は正のままで、MR値がわずかに改善されました。興味深いことに、2番目のタイプ（ヘテロスタック; BLG / SL-MoSe ₂ ）スピンバルブ接合のCo / BLG / SL-MoSe ₂ / NiFe、MRはアニーリングプロセスの前後でさえ正であることがわかりました。さらに、NiFe / BLG / SL-MoSe ₂ / Coデバイスでは、アニーリング前に正のMRが観察されましたが、電子のスピン偏極が逆転し、アニーリング後にMR値が大幅に向上しました。

優れたSVJを探索するには、FM電極の間に挟まれた非磁性薄膜（スペーサー）に除染された残留物のないインターフェースを使用する必要があります。 BLG / FMの超クリーンなインターフェースは、FMを（光および電子ビームリソグラフィーなしで）蒸発させて酸化プロセスを回避することによって実現されます。

実験方法

デバイス製造

剥離したBLGは、直径約2μmの円形の穴に厚いSiNウィンドウを介して転写されます。懸濁したBLGフィルムを、アルゴンおよび水素ガス環境で350°Cで4時間炉管内でアニールし、BLGの懸濁部分の両側からの残留物を劣化させました。 FM金属を堆積する前に、BLGをさらに洗浄するために、真空環境でDUV光の下でデバイスの両側から15分間照射しました。次に、Co（〜20 nm、蒸発速度=0.6Å/ s）とAu（〜5 nm）の金属を、それぞれ懸濁グラフェンの上面に最初に堆積させました。続いて、NiFe（〜100 nm、蒸発速度=0.8Å/ s）とAu（〜200 nm）がサンプルの下側から堆積されました。さらに、ヘテロスタックを作成するために、BLGはSL-MoSe ₂に転送されました BLG / SL-MoSe ₂を製造するアルゴン（Ar）と水素（H ₂ ）吊り下げられた接合部の両側からの残留物を劣化させるための250°Cで4時間のガス環境。 SL-MoSe ₂の場合およびBLG / SL-MoSe ₂ デバイス、Co / Au（35/10 nm）とNiFe / Au（150/200 nm）は、それぞれ上面と下面に堆積されました。次に、デバイスをArおよびH ₂でアニールしました。接合部の品質とそのコンパクトさを改善するために、250°Cで15時間のガス混合物。穴あけプロセスの詳細は、補足情報ノート（1-2）に記載されています。

デバイスの特性評価

レニショーラマンマイクロスペクトロメーターと514nmのレーザー波長を使用して、ラマンスペクトルを特性評価しました。垂直スピンバルブ接合に基づく4プローブ輸送測定は、ACロックインアンプ技術を使用して実行されました。駆動AC電流は、温度依存のスピン磁気輸送測定のために10μAに固定され、その後、一定温度（ T ）での電流依存の影響を研究するために50μAまで増加されました。 =4 K）。デバイスは低温測定のために液体ヘリウムで冷却され、温度はレイクショア331によって制御されました。電流-電圧測定はピコアンメータ（Keithley 6485）とナノボルトメータ（2182A）を使用して行われました。

結果と考察

BLGのスピンバルブジャンクション

私たちの結果では、垂直SVJでは、BLGはCo電極とNiFe電極の間に挟まれています。その概略図を図1aに示します。図S1aから、浮遊領域のラマンスペクトルはBLGをGとして確認し、2Dピークは〜1585.5および〜2710 cm ^-1 の近くに見られました。それぞれ、以前のレポート[24]と一致しています。さらに、FM蒸着後、上面の走査型電子顕微鏡（SEM）画像を図S1bに示します。その後、温度依存の I-V SVJの伝導挙動に関する貴重な情報が示された図1b（挿入図）に示すように、特性が得られました。図1b（挿入図）は、オーミック接触の指標であるFM / BLG / FMの線形曲線を示しています。これは、以前のレポート[25]と一致しています。図1bに示すように、さまざまな温度でのR対B（面内）の変化が観察されました。 2つの電極は磁気的に分離され、室温で独立して切り替えられました。ここで、MRはMR（％）=[（ R _AP − R _P ）/ R _P ]×100（％）。ここで、 R _AP FM層の磁化が逆平行構成で整列するときの抵抗に対応し、 R _P FM層の磁化が平行に整列しているときの抵抗です。アニーリングの前に、デバイスを測定し、BLG SVJの正の磁気抵抗を見つけました。これは、FM材料の磁化の平行および逆平行の整列による低抵抗状態と高抵抗状態をそれぞれ表しています。図1bは、定電流値（ I ）を固定することによるさまざまな温度でのMRトレースを示しています。 =10μA）。アニーリング前に、BLGのMR値は T で〜0.75、〜0.88、〜0.95、〜1.12、および〜1.26％から単調に増加することがわかりました。 =図1cに示すように、それぞれ300、200、100、50、および4K。ただし、これらの結果は一貫しており、以前のレポートよりも比較的優れています[26、27、28]。低温でより高い磁気抵抗が観察されました。これは、FM材料のスピン波の励起に起因する磁気トンネル接合（MTJ）の典型的な動作です[29]。したがって、アニーリング後、図1c（挿入図）に示すように、BLGの上面と下面の両方でのCoとNiFeのドーピング効果により、BLGSVJの符号が変化します。重要なことに、アニーリング後、MRは T で〜− 0.84、〜− 0.98、〜− 1.19、〜− 1.35、および〜− 1.49％に増加します。 =図1cに示すように、それぞれ300、200、100、50、および4K。したがって、スピン偏極は逆転し、負のMRを示唆します。これは、図1d [28]に示すようにBLGでの電荷移動と近接誘起バンド分裂に起因します。

アニーリングにより、接合部がコンパクトになり、層間の距離と接合部の抵抗が減少します（図S3c）。そうしないと、アニーリングの前に、絶縁体として機能し、ドーピングメカニズムを妨げ、以前のレポートで報告されているように近接誘導バンド分割効果を回避する数オングストローム（Å）のギャップが存在する可能性があります[28]。さらに、フェルミ準位では、スピンアップ電子がnドープグラフェンの大部分を占め、スピンダウン電子がpドープグラフェンの大部分を占めて負のMRを生成します。さらに、CoとNiFeのドーピング効果を確認するために、図S3（a、b）に示すように、元のBLG、CoドープBLG、およびNiFeドープBLGの電界効果トランジスタを製造しました。 Ni ₈₉を使用しました Fe ₁₁ したがって、Niは以前に報告されたようにp型を簡単にドープできます[30、31]。 Diracの測定では、元のBLGの電荷中性点（CNP）が+ 4 V付近にあることが示されています。BLGにCoとNiFeをドープした後、CNPはそれぞれ+17と-11 Vにシフトし、フェルミ準位の変調を裏付けています。図S3bに示すように、BLGの

SL-MoSeのスピンバルブジャンクション₂

さらに、SL-MoSe ₂の光学画像 SiNメンブレンホールに転写されたものを図2aに示します。剥離したMoSe ₂の高さ原子間力顕微鏡（AFM）で測定されたフレーク、および高さプロファイルは、図S2a-bに示すように厚さが約0.7nmであることを示しています。単層剥離MoSe ₂ 、A _1g （面外）ラマンモードは〜240.6 cm ^-1 に軟化しますおよびE ¹ _2g （面内）モードは〜286.4 cm ^-1 に硬化します、図S2cに示すように、これは以前のレポート[32]と一致しています。 Co / SL-MoSe ₂の接合抵抗 / NiFeスピンバルブ接合部を図2bに示します。これは、温度の低下とともに減少しました。さらに、線形 I-V さまざまな温度での曲線、図2bの挿入図は、SL-MoSe ₂間のオーミック接触も示しています。とFM電極。線形 I-V 特性は、単層MoSe ₂ 電極間のトンネルバリアではなく、導電性薄膜として機能します。図2cでは、Co / SL-MoSe ₂のMRループ / NiFeは、定電流（ I ）を維持することにより、さまざまな温度で示されています。 =10μA）、正のスピン信号を生成します。 SL-MoSe ₂のスキーム SVJは図2dの挿入図に示されています。 Co / SL-MoSe ₂の温度依存MR値 / NiFe接合を図2dに示します。ここでは、温度が上昇するにつれてMRが減少することが観察されています。

この接合部では、 I でのMRの光度 =10μAは、 T で〜0.37、〜0.56、〜0.76、〜1.2、および〜1.51％と決定されます。 =それぞれ300、200、100、50、および4K。さらに、固定AC電流では、Co / SL-MoSe ₂のMR値 / NiFe接合は、デバイスのアニーリング後にわずかに強化され、 T で〜0.41、〜0.6、〜0.79、〜1.4、および〜1.56％に達しました。 =図2dに示すように、それぞれ300、200、100、50、および4K。したがって、図S3cに示すように、MRの向上は、接合品質の向上に起因する可能性があります。この場合、すべてのデバイスの接合抵抗は、アニーリング後に大幅に減少しました。重要なのは、これらのSL-MoSe ₂の極性です。 CoとNiFeはSL-MoSe ₂をドープしなかったため、接合部は同じままでした。フェルミ準位を伝導帯から価電子帯に、またはその逆にシフトするのに十分です。そのため、MoSe ₂ 両方の界面で安定した正のスピン偏極を示した。

BLG / SL-MoSe ₂のスピンバルブジャンクションヘテロスタック

原子的に薄い2D材料のヘテロスタックは、その明確なスピン偏極輸送特性のために調査されました。さらに、BLG / SL-MoSe ₂の光学画像 SiNホールのヘテロスタックを図3aに示します。温度依存の接合抵抗を図3b（上挿入図）に示します。ここで、抵抗は温度の低下とともに減少します。これは、金属接合を示しています。金属の挙動をさらに確認するために、4つのプローブの形状 I-V を調査しました。 T での特徴 =図3b（下の挿入図）に示されている4K。 Co / BLG / SL-MoSe ₂ / NiFe接合は線形の I-V を示しますオーミック接触による曲線。アニーリング前の図3bは、Co / BLG / SL-MoSe ₂の正のスピン偏極を示す正のMRトレースを示しています。 / NiFe。ただし、アニーリング後、MR符号は正のままであり（図3d、挿入図）、値は〜0.42、〜0.63、〜0.85、〜1.26、および〜1.71％（図3d;アニーリング前）から〜0.49に増加しました。 T で〜1.13、〜1.65、〜1.81、および〜1.86％（図3d;アニーリング後） =図3dに示すように、それぞれ300、200、100、50、および4K。低温での高いMR値は、スピンバルブ接合の典型的な挙動です[33、34]。 Co / BLG / SL-MoSe ₂の正のMR / NiFeデバイスは、Co / BLGとSL-MoSe ₂の両方のインターフェースの同様の正のスピン分極に起因します。 / NiFe。私たちの調査結果では、SL-MoSe ₂の正のスピン偏極を解明します。（図2c）、Co / BLG / NiFeスピンバルブ接合では、Co / BLG界面も正のスピン偏極を引き起こします。したがって、Co / BLG / SL-MoSe ₂の正味分極 / NiFeスピンバルブ接合は正であり、図3cで概略的に説明されています。

さらに、BLGによるCoおよびNiFeドーピングの役割を解明するために、別のヘテロスタックデバイスのセットであるNiFe / BLG / MoSe ₂を製造しました。 / Co。アニーリングの前に、図4aに示すように、正の磁気抵抗を表すMRループを測定しました。重要なのは、アニーリング後、NiFe / BLG / MoSe ₂の極性です。図4bに示すように、/ Coジャンクションが反転しました。負の分極は、NiFe / BLG界面での正孔ドーピングと、スピンダウン電子の大部分を誘導するBLGでの近接誘導バンド分割に起因します[28]。 NiFe / BLG / MoSe ₂の温度依存MR値 / Co SVJが計算されました（ T で〜0.12、〜0.24、〜0.48、〜0.86、および〜1.2％ =300、200、100、50、および4 K、アニーリング前、および〜-0.56、〜-0.75、〜-0.98、〜-1.42、および〜-1.99％（ T ） =図4cに示すように、アニーリング後の300、200、100、50、および4 K）。アニーリング後、抵抗の減少、層間のギャップ、およびNiFeによるBLGのドーピング現象の改善により、MR値が増加したことは注目に値します。さらに、アニーリングの前後で、NiFe / BLG / SL-MoSe ₂の正味の分極が発生します。 / Co SVJはそれぞれ正と負であり、図3cに概略的に示されています。さらに、電流依存MRをアニーリングした後、NiFe / BLG / MoSe ₂の比率 / Co SVJは、図4dに示すように計算されました。したがって、 I からのAC電流が増加すると =10μAから I =50μA、MR値は〜− 2.0から〜− 1.71％に減少しました。このMRの低下は従来型であり、界面に局在するスピン励起と非磁性スペーサーの局所トラップ状態によるものです[13、15、35、36]。最後に、このプロジェクト全体ですべてのタイプのデバイスのMR（％）値を示すグラフをプロットし、図S4に示すように一貫性のある再現可能な傾向を明らかにしました。

ただし、FM接触によるドーピング[37]と、近接効果によるバンド分割により、グラフェンのスピンアップ電子とスピンダウン電子の集団に違いが生じます[38、39]。アニーリング時に、FM接点と隣接する2層グラフェン間のコンフォメーションと接触の改善により、ファンデルワールス結合した数層結晶内のグラフェン層の効果的なデカップリングが提供されます。 ]。その後、これらの2つの明確にドープされ、近接したグラフェン層がスピン偏極電極になり、磁気抵抗の極性を決定します。

基本的に、CoおよびNiFe FMは、BLGにそれぞれn型およびp型のドーピングがあります。 Co / BLGと組み合わせて、BLGのフェルミ準位はnドーピングにより伝導帯に移動します。 BLGのフェルミ準位が伝導帯にある場合、グラフェンの近接誘起バンド分割により、スピンダウン電子と比較してスピンアップ電子の密度または集団が増加し、最終的に正のスピン偏極を示します。一方、NiFe / BLGスタックでは、BLGのフェルミ準位が価電子帯にシフトし、近接によって引き起こされるバンド分裂がスピンダウン電子の密度を促進し、最終的に負のスピン偏極を示します。特に、私たちの実験では、BLGでの近接誘導効果は、参考文献で同様に観察されたように、FMの金属化後にデバイスがアニールされた場合にのみ顕著になります。 [28]。当初、私たちはSL-MoSe ₂のフェルミ準位に興味を持っていましたアニーリングプロセス後のCoまたはNiFeの近接接触により移動する可能性があります。しかし、驚くべきことに、MoSe ₂に対するドーピング効果がわずかであったため、一貫性が保たれていました。。 SL-MoSe ₂で安定した正のスピン偏極を示しました / NiFeおよびSL-MoSe ₂ Co / BLG / SL-MoSe ₂でNiFeまたはCowith BLGを選択することにより、MRの符号を簡単に変調できる/ Coインターフェース / NiFeまたはNiFe / BLG / SL-MoSe ₂ / Coジャンクション。さらに、参考文献でそれを発見しました。 [28]、BLGスピンバルブ接合部でのアニーリング後に最大1％のMRが観察されます。一方、アニーリング後の作業では、Co / BLG / SL-MoSe ₂でMR〜 1.86％（参考文献[28]より86％大きい）であることがわかりました。 / NiFeおよび〜1.99％（参考文献[28]より99％大きい）NiFe / BLG / SL-MoSe ₂ / Coデバイス。それ以来、BLG / SL-MoSe ₂の発現はジャンクションは、BLGまたはSL-MoSe ₂のみと比較して、大きなMR値を提供しますしたがって、デバイス製造の基本的な機能は、将来、ロジックおよびメモリのスピントロニクスアプリケーションの新しい道を開くことに貢献する可能性があります。

結論

要約すると、Co / BLG / NiFe、Co / SL-MoSe ₂の除染されたSVJを明らかにしました。 / NiFe、Co / BLG / SL-MoSe ₂ / NiFe、およびNiFe / BLG / SL-MoSe ₂ / Co。すべてのSVJの電流-電圧特性は線形関係を示し、金属接合を確認し、導電性膜のように動作します。アニーリング前後のCo / BLG / NiFeの正と負のMR信号をそれぞれ調べました。アニーリング後、近接誘導効果によりBLGSVJの極性が反転します。ただし、Co / SL-MoSe ₂ / NiFe、MR値はわずかに改善されましたが、BLGとは異なり、SL-MoSe ₂のため、アニーリングの前後で極性は同じ（正）のままでした。 FMからのドーピング効果はごくわずかです。さらに、SL-MoSe ₂のように Co / BLG / SL-MoSe ₂のヘテロスタックSVJ / NiFeは、アニーリングプロセスの前後で正極性を示しましたが、そのMR値はアニーリング後に大幅に向上しています。さらに、NiFe / BLG / MoSe ₂ / Co SVJは、アニーリング前に正のMRを示しましたが、アニーリング後、MR値が改善されたNiFeと結合したBLGの近接誘起バンド分割により、極性が反転します。さらに、大きな電流値で減少し、高バイアスでの界面状態の寄与に起因する電流依存のMRの大きさを観察しました。したがって、BLGおよびSL-MoSe ₂と比較して、BLG / SL-MoSe ₂ ヘテロスタックは、より高いMRとスピン分極を明らかにし、それによって界面でのより良いスピンフィルタリング現象を提案します。続いて、BLG / SL-MoSe ₂ デバイスでは、極性が反転するだけでなく、FMインターフェースでの効率的なスピンフィルタリングメカニズムを示します。 2D半導体材料とそのヘテロスタックに関するこれらの調査は、スピントロニクスロジックデバイスの貴重な補足情報を調査する可能性があります。