層狀鐵磁體Fe0.26TaS2的Andreev反射譜*

于曉洋 馮紅磊 辜剛旭 劉永河 李治林4) 徐同帥3)? 李永慶

1) (中國科學院物理研究所, 北京 100190)

2) (中國科學院大學物理科學學院, 北京 100049)

3) (安陽師范學院物理與電氣工程學院, 安陽 455000)

4) (北京大學物理學院, 北京 100871)

如何避免界面反應、可靠地提取材料的自旋極化率是自旋電子學的一個基本問題.本文選取了一種獨特的鐵磁性層狀過渡族金屬硫化物Fe0.26TaS2, 研究了單晶材料的磁性、電子輸運和Andreev反射譜.磁性和輸運結果表明, 低溫下Fe0.26TaS2單晶存在強磁各向異性、雙峰磁電阻和反?；魻栃?通過干法轉移方案制備的干凈界面的Fe0.26TaS2超導異質結的Andreev反射譜, 發現該材料的自旋極化率為47% ± 7%.本文展示的干法轉移制備超導/磁性異質結的方法可廣泛用于測量各種二維磁性材料的自旋極化率.

1 引 言

自旋電子學在過去幾十年里受到了廣泛的關注, 其主要目標是調控電子的自旋態從而獲得低能耗、高密度、高速度以及存儲和運算集于一體的新型信息器件[1-3].高自旋極化率的材料是自旋電子學器件的一個重要基礎.目前實驗上進行自旋極化率測量的主要方法有自旋極化的光電子能譜、平面超導隧道譜(Meservey-Tedrow方法)和Andreev反射譜[4].自旋極化的光電子能譜需要超高真空環境, 不能對所有晶向的表面都適用[5].平面超導隧道譜和Andreev反射譜能夠獲得更加接近實際器件環境載流子自旋極化率信息.其中, 前者需要制備基于Al超薄膜的隧道結, 工藝復雜, 并且需要He-3 制冷機[6].比較而言, Andreev 反射譜測量所需的器件工藝相對簡單, 已經成為自旋極化率測量的一個常用手段[7].

Andreev反射, 是指在正常金屬/超導體異質結中, 當正常金屬中的電子的能量低于超導能隙時, 能夠找到自旋和動量相反的電子配對, 透過界面進入超導體形成庫珀對, 并對結電導形成增強效應[8].在鐵磁體/超導體界面, 鐵磁體中不同自旋方向電子數目的不平衡將導致Andreev反射被壓制.通過對Andreev反射譜進行修正的Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK)理論擬合, 能夠得到載流子的自旋極化率[9-14].

Andreev反射譜方法進行自旋極化率測量所使用的器件結構主要有兩種：點接觸模式和平面結構[15-18].點接觸模式一般采用超導針尖按壓待測材料的方式形成歐姆接觸, 其優勢在于快速、靈活,對薄膜和塊材都適用.點接觸模式的缺點主要是在存在較高界面勢壘的情況下(例如表面氧化物), 高自旋極化材料的Andreev反射譜和隧道譜非常類似, 這導致測量結果不可靠.此外, 在點接觸模式下由于界面電阻不均勻往往會存在一些較大的電流熱點(hot spot), 導致實際測量溫度遠高于標稱溫度, 從而給自旋極化率的分析帶來困難[19,20].相對而言, 平面Andreev結構采用實際的電子器件結構, 能夠可控性的制備更干凈的界面, 并且其可靠性已在CrO2, HgCr2Se4等高自旋極化率的材料上被驗證[18,21,22].但是, 平面Andreev結構的界面上有時會存在超導元素的擴散或與待測材料發生化學反應, 導致自旋極化率偏離真實值.因此, 如何避免界面反應、制備界面干凈的超導異質結, 對于準確獲得待測材料的載流子自旋極化率具有重要的意義.

FexTaS2體材料是一種典型的磁性層狀過渡族金屬硫化物, 母體材料TaS2為層狀結構, 層與層之間靠范德瓦耳斯力連接, Fe原子以插層的形式存在于TaS2之間, 原則上可以通過機械剝離的方法將FexTaS2減薄至納米尺度[23-26].在較高Fe 含量范圍 (0.20 ≤x≤ 0.40)內, FexTaS2依然具有長程鐵磁性并能保有序的晶體結構, 居里溫度最高為 160 K (x= 0.25), 接近最近報道的二維鐵磁體Fe3GeTe2[27].理論計算表明FexTaS2費米能級附近具有較高的自旋極化率并且不受鐵的無序分布的影響[28,29], 但Arai等[30]采用機械剝離方法將其減薄至100 nm左右, 在Fe0.25TaS2隧道結中僅觀察到了約7%的隧穿磁電阻, 遠低于根據電子自旋極化率估計出的理論預期值, 這可能是因為隧穿層氧化不足而導致過多的界面缺陷散射.然而到目前為止, 還沒有直接測量Fe0.25TaS2自旋極化率的實驗報道.

本文聚焦于Fe0.26TaS2單晶, 進行了材料的磁性、電子輸運和自旋極化率研究.通過Fe0.26TaS2/Pb, Fe0.26TaS2/Al/Pb, Fe0.26TaS2/NbSe2等磁性/超導異質結的Andreev反射譜的測量, 發現只有干法轉移方法能夠制備足夠干凈的界面, 并首次提取出這種層狀鐵磁體的自旋極化率.本文工作為進一步研究該體系的二維鐵磁性和自旋調控打下了基礎.

2 實驗方法

使用化學氣相傳輸方法制備了高質量的片狀Fe0.26TaS2單晶樣品, X射線衍射結果表明沿樣品面為ab面, 垂直于樣品面為c軸[24,31].結合X射線光電子譜和磁性測量, 確定Fe含量為0.26.單晶樣品性能表征所外加磁場沿樣品面方向記作H//ab, 沿c軸方向記作H⊥ab, 輸運測量電流沿ab面內.磁性測量在 S-VSM (Quantum Design Inc., USA)上進行, 磁輸運測量在 He-4 (Janis)制冷機上進行.磁性/超導異質結Fe0.26TaS2/Pb,Fe0.26TaS2/Al/Pb采用掩模工藝制備, Pb或Al采用熱蒸發方法生長[22].Fe0.26TaS2/NbSe2結構通過干法轉移工藝制備.Andreev反射譜在He-4(Janis)或 He-3 (Oxford)制冷機上進行, 使用標準鎖相方法進行微分電導譜測量.通過修正的BTK理論(BTK theory)對歸一化的微分電導譜擬合, 可以獲得Fe0.26TaS2的自旋極化率P、界面處的勢壘強度參數Z, 非彈性散射因子Γ以及超導帶隙Δ[11-14].

3 實驗結果與討論

3.1 Fe0.26TaS2單晶樣品的磁性和輸運性質

圖1為Fe0.26TaS2單晶樣品的磁性測量結果.不同方向的零場冷 (zero-field cooling, ZFC)和場冷(field cooling, FC)磁化率在居里溫度以下迅速上升, 面外磁矩遠大于面內磁矩(圖1(a)和圖1(b)).對高溫段磁化率進行居里-外斯定律擬合顯示不同方向的居里-外斯溫度存在較大的差別(H⊥ab時約為 121 K;H//ab時約為 66 K), 這起源于單晶樣品的強磁各向異性[23,32].等溫磁化率測量結果也證明了這一點(圖1(c)和圖1(d)).H⊥ab方向的等溫磁化曲線在轉變溫度以下存在明顯的磁滯回線行為, 最大飽和磁矩約為 3.85 μB/Fe, 表明樣品為鐵磁性.在H//ab方向, 磁化曲線隨磁場線性變化, 高場下也沒有達到飽和(65 K左右的弱磁滯回線來源于磁場與ab面不完全平行).

為了確定樣品的居里溫度, 對H⊥ab方向的等溫磁化曲線使用Arrott圖方法處理(圖2(a)),獲得樣品的居里溫度為115 K.磁性測量結果表明, Fe0.26TaS2單晶是鐵磁性材料, 磁化方向平行于樣品c軸, 具有強磁各向異性.這些性質與Morosan等[23]和Checkelsky等[32]關于Fe0.25TaS2單晶樣品的實驗結果基本一致.

圖2(b)為Fe0.26TaS2樣品電阻隨溫度的變化.在居里溫度 (115 K)以下, 由于磁有序轉變, 磁矩指向逐漸一致, 對載流子自旋依賴的散射減小, 電阻隨溫度降低而迅速下降, 與其他FexTaS2單晶的電阻-溫度行為一致[33].

圖1 Fe0.26TaS2單晶樣品的磁性測量結果 (a) 外加磁場垂直于ab面(H⊥ab)時的FC和ZFC磁化曲線, 測量磁場為100 Oe(1 Oe = 103/(4π) A/m); (b)外加磁場平行于 ab 面時 (H//ab)的 FC 和 ZFC 磁化曲線, 測量磁場為 100 Oe; (c) H⊥ab的等溫磁化曲線隨外加磁場的變化; (d) H//ab的等溫磁化曲線隨外加磁場的變化(為清楚起見, 在垂直方向做了等間距平移)Fig.1.Magnetization measurement results of Fe0.26TaS2：(a) Magnetization measurement with ZFC and FC process while H⊥ab,the measurement field is 100 Oe; (b) magnetization measurement with ZFC and FC process while H//ab, the measurement field is 100 Oe; (c) isothermal magnetization measurements for H⊥ab; (d) isothermal magnetization measurements for H//ab.For clarify,the data is shift equally in Fig.1(d).

圖2 Fe0.26TaS2 等溫磁化曲線和電阻-溫度曲線 (1 emu = 10—3 A·m2) (a) H⊥ab 方向 Fe0.26TaS2 等溫磁化曲線的 Arrott圖, 居里溫度為 115 K; (b) Fe0.26TaS2 的電阻-溫度曲線Fig.2.Isothermal magnetization and temperature dependence of resistance of Fe0.26TaS2：(a) Arrot plot for isothermal magnetization in H⊥ab; (b) temperature dependence of resistance.

圖3為Fe0.26TaS2單晶不同方向的磁電阻和霍爾效應, 磁電阻定義為100%.H⊥ab方向, 在居里溫度以下可以觀察到明顯的蝴蝶狀雙峰磁電阻和磁滯回線特征的反常霍爾效應(圖3(a)和圖3(c)), 而且磁電阻、霍爾效應與等溫磁化曲線隨磁場的變化如飽和場、矯頑場相一致, 表明該方向的輸運起源于樣品的鐵磁性.H//ab方向, 磁電阻和霍爾電阻遠小于H⊥ab方向, 但在中間溫區 (40 K和 100 K)出現了較大的反?；魻栃? 這可能來源于磁場與樣品ab面沒有嚴格平行, 也可能來源于平面霍爾效應(磁矩不嚴格平行于c軸).目前為止, 在H//ab方向磁電阻和霍爾電阻的研究, 只有Fe0.25TaS2和Fe0.28TaS2的文獻報道[23,32,34], 該方向上是否存在反常霍爾效應以及相應的物理機制仍需進一步的實驗和理論工作.

圖3 磁電阻和霍爾電阻隨外加磁場的變化 (a) H⊥ab 時, 磁電阻隨外加磁場的變化; (b) H//ab 時, 磁電阻隨外加磁場的變化;(c) H⊥ab 時, 霍爾電阻隨外加磁場的變化; (d) H//ab 時, 霍爾電阻隨外加磁場的變化Fig.3.Magnetic field dependence of magnetoresistance and Hall effect：(a) Magnetic field dependence of magnetoresistance, H⊥ab;(b) magnetic field dependence of magnetoresistance, H//ab; (c) magnetic field dependence of Hall effect, H⊥ab; (d) magnetic field dependence of Hall effect, H//ab.

3.2 Fe0.26TaS2的自旋極化率測量

準確測量自旋極化率是自旋電子學領域的基礎問題, 對鐵磁材料的應用具有重要意義.為了可靠地提取Fe0.26TaS2的自旋極化率, 采用不同的超導電極 Pb, Al, NbSe2, 制備了三種超導異質結并測量了Andreev反射譜.

首先 制 備 了 Fe0.26TaS2/Pb Andreev 結, 在Pb的臨界溫度以下測量了微分電導譜.圖4(a)為不同溫度下Fe0.26TaS2/Pb的歸一化微分電導譜,可以看到零偏壓電導被輕微壓制, 表明Fe0.26TaS2存在一定自旋極化的電子.圖4(b)—(d)為修正的BTK理論對實驗數據的擬合結果, 表明Fe0.26TaS2的自旋極化率P最高為23%, 低于理論計算結果[28].擬合得到的超導能隙Δ= 0.35 meV, 遠低于體態鉛的超導能隙(～1.2 meV).考慮到在異質結制備過程中, 熱蒸發的Pb極易擴散進入Fe0.26TaS2并與其發生硫化反應, 形成新的超導化合物(PbS)1.13TaS2(TC= 3.08 K,Δ～0.42 meV)[35], 這和擬合所獲得的超導帶隙基本一致.因此, 測量的自旋極化率很可能由于界面鉛擴散的影響而并不準確.

圖4 Fe0.26TaS2/Pb 的 Andreev 反射譜 (a)不同溫度下 Andreev 結的歸一化微分電導譜; (b) T = 1.6 K, 修正的 BTK 理論對微分電導譜的擬合結果; (c) T = 2 K, 修正的 BTK 理論對微分電導譜的擬合結果; (d) T = 4 K, 修正的 BTK 理論對微分電導譜的擬合結果.黑色點為實驗數據, 紅色線為理論計算結果Fig.4.Andreev reflection spectroscopy of Fe0.26TaS2/Pb：(a) Normalization of Andreev reflection spectroscopy from T = 2 K to 8 K; (b) modified BTK fitting for normalized Andreev reflection spectroscopy, T = 1.6 K; (c) modified BTK fitting for normalized Andreev reflection spectroscopy, T = 2 K; (d) modified BTK fitting for normalized Andreev reflection spectroscopy, T = 4 K.The black dot is experimental data and red line is fitting.

為阻止鉛擴散對異質結界面的污染, 在Fe0.26TaS2/Pb 之間插入 50 nm 的 鋁 , 制 備 了Fe0.26TaS2/Al/Pb結.圖5(a)為低溫下歸一化微分電導譜的測量結果.在鋁超導溫度(～1.2 K)以下, 電導譜表現出明顯的超導隧穿行為; 在鋁超導溫度之上時則類似于Andreev反射譜行為.修正的BTK理論擬合表明界面存在較大的勢壘強度(圖5(b)—(d)).以溫度在 0.36 K 的數據 (圖5(b))為例, 首先由修正的 BTK理論擬合, 提取了Fe0.26TaS2自旋極化率在 40%, 勢壘散射因子Z在 2.4左右.從擬合參數可以看出, Fe0.26TaS2/Al/Pb異質結的界面存在較大的散射勢壘, 透過率較差, 導電機制可能以隧穿為主.造成這一情況的原因是Fe0.26TaS2/Al/Pb異質結中Al膜和Pb膜是在不同鍍膜機沉積的, 在轉移過程中, Al膜短暫暴露于空氣中, 氧化形成了AlOx勢壘, 最終結構變成了Fe0.26TaS2/Al/AlOx/Pb.在高界面散射強度的情況下, 高自旋極化率的Andreev反射譜和超導隧道譜很難區分[18,20].如圖6所示, 使用較高的勢壘強度Z同樣能夠很好地擬合不同溫度下的實驗數據.因此, 使用這一方法仍然不能得到可靠的電子自旋極化率.類似的現象在CrO2/I/Pb異質結中也曾被觀測到[18].

界面的自旋依賴散射如自旋軌道耦合、無序引入的自旋激活散射等都將直接影響載流子自旋極化率和自旋器件的性能.如何避免界面擴散、污染,始終是實驗過程中需要耗費很大精力去解決的問題.Fe0.26TaS2作為層狀鐵磁體, 其優勢在于可以用機械解理的方法將其減薄至數十納米厚度, 甚至制備出二維鐵磁材料.為了獲得干凈的超導異質結界面, 最終選擇干法轉移工藝, 在保護性氣氛下將Fe0.26TaS2解理至 60 nm, 并與層狀超導體 NbSe2結合, 制備了 Fe0.26TaS2/NbSe2Andreev 結[25].

圖5 Fe0.26TaS2/Al/Pb 異質結的 Andreev 反射譜 (a)不同溫度下的歸一化微分電導譜; (b) T = 0.36 K, 修正的 BTK 理論對微分電導譜的擬合結果; (c) T = 1 K, 修正的 BTK 理論對微分電導譜的擬合結果; (d) T = 6 K, 修正的 BTK 理論對微分電導譜的擬合結果; 黑色點為實驗數據, 紅色線為理論計算結果, 自旋極化率P ≠ 0Fig.5.Andreev reflection spectroscopy of Fe0.26TaS2/Al/Pb：(a) Normalization of Andreev reflection reflection spectroscopy from T= 0.36 K to 9 K; (b) modified BTK fitting for normalized Andreev reflection spectroscopy, T = 0.36 K; (c) modified BTK fitting for normalized Andreev reflection spectroscopy, T = 1 K; (d) modified BTK fitting for normalized Andreev reflection spectroscopy,T = 6 K.The black dot is experimental data and red line is fitting.Spin polarization is fixed to none-zero (P ≠ 0).

圖6 修正的 BTK 理論對不同溫度下微分電導譜的擬合結果 (a) T = 0.36 K; (b) T = 1 K; (c) T = 3 K; (d) T = 6 K; 黑色點為實驗數據, 紅色線為理論計算結果; 自旋極化率固定為零(P = 0)Fig.6.Modified BTK fitting for normalized Andreev reflection spectroscopy of Fe0.26TaS2/Al/Pb：(a) T = 0.36 K; (b) T = 1 K;(c) T = 3 K; (d) T = 6 K.The black dot is experimental data and the red line is fitting.Spin polarization is fixed to zero (P = 0).

圖7 Fe0.26TaS2/NbSe2的 Andreev 反射譜 (a)不同溫度下的歸一化微分電導譜和修正的 BTK 擬合; (b) T = 4 K 的微分電導譜和修正的 BTK 擬合; (c) T = 1.7 K 下, 負偏壓的歸一化微分電導譜及修正的 BTK 擬合; (d) T = 1.7 K 下, 正偏壓的歸一化微分電導譜及修正的BTK擬合; 黑色點為實驗數據, 紅色線為理論計算結果Fig.7.Andreev reflection spectroscopy of Fe0.26TaS2//NbSe2：(a) Normalization of Andreev reflection spectroscopy from T = 1.7 K to 8 K; (b) modified BTK fitting for normalized Andreev reflection spectroscopy at T = 4 K; (c) modified BTK fitting for normalized Andreev reflection spectroscopy at T = 1.7 K; (d) modified BTK fitting respectively for negative bias or positive bias Andreev reflection spectroscopy at T = 1.7 K.The black dot is experimental data and red line is fitting.

低溫下Fe0.26TaS2/NbSe2的歸一化微分電導譜和擬合如圖7(a)所示, 在NbSe2超導溫度以下,帶隙內微分電導被抑制, 明顯低于帶隙外電導, 表明存在較高的載流子自旋極化率.以溫度為4 K的歸一化電導譜為例(圖7(b)), 使用修正的BTK理論可以非常好地擬合實驗曲線, Fe0.26TaS2的自旋極化率P為54%, 并且界面勢壘強度Z和非彈性散射因子Γ值很小.而且, 對比磁性隧道結, 使用Andreev反射譜獲得了更高的自旋極化率[30].這些都表明干法轉移技術能夠避免可能的界面污染和氧化層生成, 獲得非常干凈的異質結界面, 從而可靠的提取材料的自旋極化率.測量了多個器件, 擬合所得的自旋極化率分布在40%—54%之間.根據理論計算, FexTaS2費米面上自旋極化電子主要來自于Fe的3d電子, 少部分來自于Ta的5d電子, 而且即使Fe原子的分布存在無序, 并不會對費米面上自旋極化電子的態密度分布或者載流子自旋極化率產生很大影響[28,29].FexTaS2單晶材料, Fe作為插層原子, 在TaS2層間形成超晶格結構, Fe的分布并不是絕對均勻的, 會偏離名義上濃度, 也可能會形成一些Fe團簇, 這些都是實驗測量的自旋極化率在一定區間內分布的原因[23,24].

值得注意的是, Fe0.26TaS2/NbSe2Andreev 結在更低的溫度下 (T= 1.7 K), 超導帶隙兩側的微分電導譜分布不對稱, 兩側相干峰的高度不一致,而且帶隙內電導偏離了修正的BTK理論.這種正負偏壓區電導譜不對稱的現象在鐵磁半金屬EuB6[36]、 HgCr2Se4[22], 以 及 電 子 強 關 聯 化 合 物CeCoIn5、UBe13[37]、URu2Si2[38]等材料的 Andreev結中也有報道, 但不對稱的物理機制是否與電子關聯性目前并沒有明確的證據.為了分析電導譜不對稱對自旋極化率提取的影響, 將T= 1.7 K 的微分電導譜分成正負偏壓兩部分分別進行擬合, 如圖7(c)和圖7(d)所示.最好的擬合結果表明, 二者所提取的自旋極化率相差在4%左右, 這進一步說明干法轉移所制備的Fe0.26TaS2/NbSe2異質結能夠可靠地提取材料的自旋極化率.

4 結 論

研究了Fe0.26TaS2單晶樣品的磁性和電子輸運性質, 并采用Andreev反射譜方法, 測量了材料的自旋極化率.磁性和輸運結果表明, 低溫下Fe0.26TaS2單晶存在強磁各向異性、雙峰磁電阻和反?；魻栃?通過三種技術路線制備了Fe0.26TaS2超導異質結構, 但只有使用干法轉移技術才能夠獲得具有干凈界面的Fe0.26TaS2/NbSe2Andreev結,通過修正的BTK理論提取了Fe0.26TaS2單晶自旋極化率47% ± 7%, 這一方法能夠回避傳統器件制備方法的困難, 并可推廣到大量的二維磁性材料的自旋極化率測量中.