二層グラフェン/単層MoSe₂ヘテロ構造における磁気抵抗極性の制御

概要

二次元(2D)層状材料は原子レベルで薄く平坦な性質を持つため、スピントロニクスデバイスの究極候補です。2D材料で構成されるスピンバルブ接合(SVJ)は、スピン輸送分極の独自機能として認識されています。しかし、SVJ磁気輸送特性は、強磁性材料(FM)間に挿入される介在層(スペーサー)タイプに強く影響されます。この状況では、インターフェースでのスピンフィルタリング効果が、このような磁性構造の磁気抵抗(MR)観測に重要な役割を果たし、有望なハイブリッド構造使用で改善できます。ここでは、二層グラフェン(BLG)、単層MoSe₂(SL-MoSe₂)、BLG/SL-MoSe₂ヘテロスタックSVJのMRを報告します。しかし、アニーリング前はBLGとSL-MoSe₂ SVJが正MRを示しますが、アニーリング後BLGは極性反転し、SL-MoSe₂は極性を維持し、強磁性(FM)接点の微弱ドーピング効果により両インターフェースで安定した正スピン分極を示しました。さらに、Co/BLG/SL-MoSe₂/NiFeは正MR(~1.71%と~1.86%、T=4 K、アニーリング前後)を決定します。対照的に、NiFe/BLG/SL-MoSe₂/Co SVJはアニーリング前正MRを示し、金属ドーピングによるグラフェン近接誘導効果によりアニーリング後MR符号反転しました。得られた結果は、極性起源と磁気輸送特性のための非磁性材料(スペーサー)選択理解に有用です。thus、本研究は新規スピントロニクス応用の新たなパラダイムを確立しました。

はじめに

遷移金属ダルコゲナイド(TMD)とグラフェンは、電子、光起電力、スピントロニクスデバイス向け優れた2D材料です[1-5]。スピントロニクスでは、SVJは有望物理現象で、スピン分極子またはアナライザーとして働く強磁性メモリ要素による不揮発性データストレージを可能にします。磁気ランダムアクセスメモリ、磁気センサー、基本ロジック応用の新時代を情報ベクトルとして実現しました[6-8]。近年、グラフェンと2D-TMDがスピントロニクスで広範な新規応用を見出しています[9-16]。スピンコヒーレンスと高スピン軌道結合[16, 17]により、2D材料高磁気抵抗決定に広く使用されています。しかし、全TMD中、単層MoSe₂(SL-MoSe₂)は薄層ナノシートでWS₂とWSe₂より小さなスピン分裂効果(188 meV)とバンドギャップ(1.5 eV)を持つにもかかわらず、スピントロニクスではあまり探索されていません[18, 19]。2D材料ベースSVJ統合は酸化耐性など問題を継承し、デバイス作製新開発を促しています[20-22]。さらに、2D層状半導体材料とグラフェンのハイブリッド/ヘテロ構造は磁気トンネル接合で未探索でした。これらはスピン偏極デバイスで明示的スピン特性と補完情報を持つ可能性があります。従来SVJウェット転送問題は、インターフェース品質に依存する強磁性金属(FM)接点悪影響酸化により、真の高MR値達成を妨げます[9, 22, 23]。しかし、酸化障壁制御、インターフェース、材料(スペーサー)置換、スピン偏極電極性能向上のため、デバイス究極サイズ限界への更なる進歩と作製が必要です。

これら限界克服のため、2D材料とヘテロスタックを活用し、FM電極間に挟まれた非磁性薄膜(スペーサー)用脱汚染・残留物フリーインターフェース採用で、CoとNiFe電極間3種類異なる介在層接合熟練SVJ実証しました。二層グラフェン(BLG)、SL-MoSe₂、BLG/SL-MoSe₂明確スピン信号観測し、室温までMR示しました。ここではSVJを2タイプ分類しました。第1タイプ(個別/単一材料; BLGまたはSL-MoSe₂)SVJで、Co/BLG/NiFeについてアニーリング前後正負スピン信号調査しましたが、他方Co/SL-MoSe₂/NiFeデバイスではスピン信号が正維持し、MR値わずか改善でした。興味深いことに、第2タイプ(ヘテロスタック; BLG/SL-MoSe₂)SVJで、Co/BLG/SL-MoSe₂/NiFeはアニーリング前後プロセスでも正MRでした。さらに、NiFe/BLG/SL-MoSe₂/Coデバイスではアニーリング前正MR観測、アニーリング後電子スピン分極反転し有意増強MR値示しました。

優れたSVJ探索のため、FM電極間挟まれた非磁性薄膜(スペーサー)用脱汚染・残留物フリーインターフェース採用すべきです。フォト・電子ビームリソグラフィなしでFM蒸着(酸化プロセス回避)でBLG/FM超清浄インターフェース達成します。

実験方法

デバイス作製

剥離BLGを厚SiN窓通じて~2 μm直径円形ホール上に転写しました。懸架BLG膜をアルゴン・水素ガス環境下、炉管内350℃、4時間アニーリングし、懸架部分両面残留物劣化させました。FM金属堆積前、デバイス両面を真空環境下DUV光で15分照射し、BLGさらに洗浄しました。次に、Co(~20 nm、蒸着レート=0.6 Å/s)とAu(~5 nm)金属を懸架グラフェン上側にそれぞれ堆積しました。その後、NiFe(~100 nm、蒸着レート=0.8 Å/s)とAu(~200 nm)をサンプル下側から堆積しました。さらに、BLGをSL-MoSe₂上に転写しBLG/SL-MoSe₂デバイス作製し、アルゴン(Ar)・水素(H₂)ガス環境下、炉管内250℃、4時間アニーリングし、懸架接合両面残留物劣化させました。SL-MoSe₂とBLG/SL-MoSe₂デバイスで、Co/Au(35/10 nm)とNiFe/Au(150/200 nm)を上下側にそれぞれ堆積しました。次に、ArとH₂ガス混合雰囲気250℃、15時間アニーリングし、接合品質と緻密性改善しました。ホール穿孔プロセス詳細は補足情報ノート(1-2)参照。)

デバイス特性評価

レーザー波長514 nmのRenishawラマンマイクロ分光器でラマンスペクトル特性評価しました。垂直スピンバルブ接合ベース4端子輸送測定をACロックインアンプ法で実施しました。駆動AC電流を温度依存スピン磁気輸送測定で10 μA固定、後で定温度(T=4 K)で電流依存性研究のため50 μAまで増加させました。デバイスを液体ヘリウムで冷却し低温測定、温度制御はLake Shore 331で行いました。電流-電圧測定をピコアンメーター(Keithley 6485)とナノボルトメーター(2182A)で実施しました。

結果と考察

BLGスピンバルブ接合

結果では、垂直SVJでBLGがCoとNiFe電極間に挟まれ、概略図1aに示します。図S1aから、懸架領域ラマンスペクトルでGピークと2Dピークがそれぞれ~1585.5と~2710 cm⁻¹付近に見つかり、BLG確認されました。これは先行報告[24]と一致します。さらに、FM堆積後、上側走査型電子顕微鏡(SEM)画像を図S1bに示します。その後、温度依存I-V特性取得し、図1b(インセット)に示すようにSVJ伝導挙動貴重情報示しました。図1b(インセット)はFM/BLG/FM線形曲線示し、オーム接点示唆、先行報告[25]と一致。異温度R vs B(面内)変化を図1b観察。2電極室温磁気分離独立切替、MR定義: MR(%) = [(R_AP - R_P)/R_P] × 100(%)。R_APはFM層磁化反平行配列時抵抗、R_PはFM層磁化平行配列時抵抗。アニーリング前デバイス測定し、BLG SVJ正磁気抵抗見出し、FM材料磁化平行・反平行配列由来低・高抵抗状態表す。図1bは定電流値(I=10 μA)固定で異温度MRトレース示す。アニーリング前BLG MR値がT=300、200、100、50、4 Kで~0.75、~0.88、~0.95、~1.12、~1.26%単調増加、図1c示す。これら結果一貫、先行報告[26-28]比較的良好。低温高磁気抵抗観測、FM材料スピン波励起起因典型磁気トンネル接合(MTJ)振舞い[29]。アニーリング後、BLG SVJ符号反転、CoとNiFe両上下側ドーピング効果起因、図1c(インセット)示す。重要:アニーリング後MRがT=300、200、100、50、4 Kで~ -0.84、~ -0.98、~ -1.19、~ -1.35、~ -1.49%増加、図1c示す。スピン分極反転し負MR示唆、BLG電荷移動・近接誘導バンド分裂起因、図1d示す[28]。

アニーリングで接合緻密化、層間距離・接合抵抗減少(図S3c)。アニーリング前、数オングストローム(Å)ギャップが絶縁体働き、ドーピング機構阻害、近接誘導バンド分裂効果回避、先行報告[28]報告。さらに、フェルミ準位でスピンアップ電子がnドープグラフェン多数派、スピンダウン電子がpドープグラフェン多数派で負MR生成。CoとNiFeドーピング効果確認ため、プリスタインBLG、CoドープBLG、NiFeドープBLG電界効果トランジスタ作製、図S3(a,b)示す。Ni₈₉Fe₁₁使用、Ni易p型ドープ先行報告[30, 31]。ディラック測定でプリスタインBLG電荷中立点(CNP)が+4 V付近。CoとNiFeドープ後CNPそれぞれ+17と-11 Vシフト、BLGフェルミ準位変調裏付け、図S3b示す。

SL-MoSe₂スピンバルブ接合

さらに、SiN膜ホール上転写SL-MoSe₂光学画像図2a示す。原子間力顕微鏡(AFM)測定剥離MoSe₂フレーク高さ、高さプロファイル~0.7 nm厚示唆、図S2a-b示す。単層剥離MoSe₂で、A₁g(面外)ラマンモード~240.6 cm⁻¹軟化、E¹₂g(面内)モード~286.4 cm⁻¹硬化、図S2c示す、先行報告[32]一致。Co/SL-MoSe₂/NiFeスピンバルブ接合接合抵抗図2b示す、温度低下とともに減少。さらに、異温度線形I-V曲線、図2bインセットもSL-MoSe₂とFM電極間オーム接点示す。線形I-V特性は単層MoSe₂が電極間トンネル障壁でなく導電薄膜振舞い示唆。図2cでCo/SL-MoSe₂/NiFe MRループ異温度示す、定電流(I=10 μA)保持、正スピン信号生成。SL-MoSe₂ SVJ概略図2dインセット示す。Co/SL-MoSe₂/NiFe接合温度依存MR比図2d示す、温度上昇でMR減少観察。

この接合I=10 μAでMR大きさT=300、200、100、50、4 Kで~0.37、~0.56、~0.76、~1.2、~1.51%決定。さらに、定AC電流でCo/SL-MoSe₂/NiFe接合MR値アニーリング後わずか向上、T=300、200、100、50、4 Kで~0.41、~0.6、~0.79、~1.4、~1.56%達し、図2d示す。したがって、MR向上は接合品質改善起因、図S3c示す全デバイス接合抵抗アニーリング後有意減少示唆。重要:これらSL-MoSe₂接合極性同一維持、CoとNiFeがSL-MoSe₂十分ドープせず、フェルミ準位伝導帯から価電子帯または逆シフトせず。それゆえMoSe₂両インターフェース安定正スピン分極示す。

BLG/SL-MoSe₂ヘテロスタックスピンバルブ接合

原子レベル薄い2D材料ヘテロスタック、独自スピン偏極輸送特性理由で探索。さらに、BLG/SL-MoSe₂ヘテロスタックSiNホール上光学画像図3a示す。温度依存接合抵抗図3b(トップインセット)示す、抵抗温度低下とともに減少、金属接合示唆。更なる金属振舞い確認ため、4端子幾何学I-V特性T=4 K調査、図3b(ボトムインセット)示す。Co/BLG/SL-MoSe₂/NiFe接合オーム接点由来線形I-V曲線示す。アニーリング前、図3b正MRトレース示す、Co/BLG/SL-MoSe₂/NiFe正スピン分極実証。しかし、アニーリング後MR符号正維持(図3dインセット)、値~0.42、~0.63、~0.85、~1.26、~1.71%(図3d; アニーリング前)から~0.49、~1.13、~1.65、~1.81、~1.86%(図3d; アニーリング後)へ増加、T=300、200、100、50、4 Kそれぞれ、図3d示す。低温高MR値典型スピンバルブ接合振舞い[33, 34]。Co/BLG/SL-MoSe₂/NiFeデバイス正MR、両インターフェース類似正スピン分極起因: Co/BLGとSL-MoSe₂/NiFe。本研究発見、SL-MoSe₂正スピン分極解明(図2c)、Co/BLG/NiFeスピンバルブ接合でCo/BLGインターフェースも正スピン分極生成。したがって、Co/BLG/SL-MoSe₂/NiFeスピンバルブ接合正味分極正、図3c概略説明。

さらに、CoとNiFe BLGドーピング役割解明ため、別ヘテロスタックデバイスNiFe/BLG/MoSe₂/Co作製。アニーリング前、正磁気抵抗記述MRループ測定、図4a示す。重要:アニーリング後、NiFe/BLG/MoSe₂/Co接合極性反転、図4b示す。負分極、NiFe/BLGインターフェースホールドーピング、BLG近接誘導バンド分裂起因、スピンダウン電子多数派誘導[28]。NiFe/BLG/MoSe₂/Co SVJ温度依存MR値計算(~0.12、~0.24、~0.48、~0.86、~1.2%、T=300、200、100、50、4 K、アニーリング前; ~ -0.56、~ -0.75、~ -0.98、~ -1.42、~ -1.99%、T=300、200、100、50、4 K、アニーリング後)図4c示す。注目:アニーリング後MR値増加、抵抗減少、層間ギャップ減少、NiFeによるBLG改善ドーピング現象起因。さらに、アニーリング前後NiFe/BLG/SL-MoSe₂/Co SVJ正味分極それぞれ正負、図3c概略図示。また、アニーリング後NiFe/BLG/MoSe₂/Co SVJ電流依存MR比計算、図4d示す。AC電流I=10 μAからI=50 μA増加でMR値~ -2.0から~ -1.71%減少。このMR減少従来的、インターフェース局在スピン励起、非磁性スペーサローカルトラップ状態高バイアス寄与起因[13, 15, 35, 36]。本プロジェクト全デバイスタイプMR(%)値プロットグラフ、図S4示す一貫性再現性トレンド示す。

しかし、FM接点ドーピング[37]、近接効果バンド分裂、グラフェン内スピンアップ・スピンダウン電子人口差生成[38, 39]。アニーリング後、コンフォメーション改善、FM接点隣接二層グラフェン改善接触、ファンデルワールス結合少層結晶内グラフェン層効果的分離提供、ツイストグラフェン二層2電子分離薄グラフェン化報告類似[40]。その後、この2明確ドープ・近接効果グラフェン層スピン偏極電極化、磁気抵抗極性決定。

基本的にCoとNiFe FMはBLGでn型とp型ドーピング。Co/BLG組合せでBLGフェルミ準位nドーピングで伝導帯移動。BLGフェルミ準位伝導帯存在時、グラフェン近接誘導バンド分裂によりスピンアップ電子密度/人口スピンダウン電子比較増加、最終的に正スピン分極呈示。一方、NiFe/BLGスタックでBLGフェルミ準位価電子帯シフト、近接誘導バンド分裂スピンダウン電子密度促進、最終的に負スピン分極実証。注目:本実験近接誘導効果BLG顕著化は、FM金属化後デバイスアニーリング時のみ、先行報告[28]同様観察。当初、SL-MoSe₂フェルミ準位がアニーリングプロセス後CoまたはNiFe近接接触で移動可能性関心あった。しかし驚くべきことに、MoSe₂微弱ドーピング効果で一貫性維持。SL-MoSe₂/NiFeとSL-MoSe₂/Coインターフェース安定正スピン分極実証、Co/BLG/SL-MoSe₂/NiFeまたはNiFe/BLG/SL-MoSe₂/Co接合でBLGとNiFeまたはCo選択でMR符号容易変調可能。さらに、先行報告[28]でアニーリング後BLGスピンバルブ接合最大1% MR観測。一方、本研究アニーリング後Co/BLG/SL-MoSe₂/NiFeでMR~1.86%(86%大きい)、NiFe/BLG/SL-MoSe₂/CoでMR~1.99%(99%大きい)発見。BLG/SL-MoSe₂接合発現が単独BLGまたはSL-MoSe₂比較大MR値提供結論、デバイス作製基本機能性将来ロジック・メモリスピントロニクス応用新道開く可能性。

結論

まとめると、Co/BLG/NiFe、Co/SL-MoSe₂/NiFe、Co/BLG/SL-MoSe₂/NiFe、NiFe/BLG/SL-MoSe₂/Co脱汚染SVJ明らかにしました。全SVJ電流-電圧特性線形関係実証、金属接合確認、導電薄膜振舞い。Co/BLG/NiFeアニーリング前後正負MR信号検証。アニーリング後近接誘導効果BLG SVJ極性反転。一方、Co/SL-MoSe₂/NiFeではMR値わずか改善、しかしBLG異なり極性同一維持(正)、アニーリング前後、SL-MoSe₂FM微弱ドーピング効果理由。さらに、SL-MoSe₂同様ヘテロスタックSVJ Co/BLG/SL-MoSe₂/NiFeアニーリングプロセス前後正極性示す、しかしMR値アニーリング後有意増強。また、NiFe/BLG/MoSe₂/Co SVJアニーリング前正MR実証、アニーリング後近接誘導バンド分裂BLG NiFe結合改善MR値起因極性反転。さらに、電流依存MR大きさ観測、大電流値減少、高バイアスインターフェース状態寄与起因。したがって、BLGとSL-MoSe₂比較、BLG/SL-MoSe₂ヘテロスタック高MRとスピン分極示し、インターフェース優れたスピンフィルタリング現象提案。その後、BLG/SL-MoSe₂デバイス極性反転のみでなく効率的スピンフィルタリング機構FMインターフェース実証。これら2D半導体材料とヘテロスタック調査、スピントロニクスロジックデバイス貴重補完情報探索可能性。