導(dǎo)電氧化鉍薄膜的逆自旋霍爾效應(yīng)

王孟怡，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實驗室遼寧省能源材料及器件重點實驗室，遼寧 大連 116000)

1 前 言

自旋電子學(xué)是以電子的量子自由度自旋為研究核心的新興科研領(lǐng)域[1]。因在電子信息領(lǐng)域中的巨大應(yīng)用潛力，自旋電子學(xué)建立伊始即吸引了眾多研究者，現(xiàn)今是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域不可忽視的科研分支之一。凝聚態(tài)體系中自旋的產(chǎn)生、操縱與檢測相關(guān)的機(jī)理探討和應(yīng)用拓展是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的核心課題[2]。本文所討論的逆自旋霍爾效應(yīng)即自旋霍爾效應(yīng)的逆效應(yīng)，是實現(xiàn)自旋流向電流轉(zhuǎn)換的重要物理效應(yīng)，其對自旋流特別是純自旋流的檢測有著不可替代的應(yīng)用價值。逆自旋霍爾效應(yīng)一方面可直接應(yīng)用于弱自旋流的檢測，另一方面也可作為自旋流-電流的轉(zhuǎn)換媒介實現(xiàn)自旋向電荷體系的能量及信息傳遞[3-5]。而逆自旋霍爾效應(yīng)的應(yīng)用長期受制于自旋流-電流轉(zhuǎn)換效率，即自旋霍爾角[6]。因此，新材料體系的探索及高自旋霍爾角材料的開發(fā)是逆自旋霍爾效應(yīng)應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

由于具有較大的自旋軌道耦合強(qiáng)度，重金屬及其合金體系長期以來是高自旋霍爾角材料的研發(fā)重點[7-17]。其中貴金屬Pt和Au的自旋霍爾角在室溫附近分別可達(dá)11%±8%和11.3%[7, 8]，是最常用的自旋霍爾材料。重金屬合金AuW及CuBi報道的自旋霍爾角也達(dá)到10%以上[9, 10]。此外，其它材料如半導(dǎo)體體系也是逆自旋霍爾效應(yīng)的研究熱點。2012年，Ando等[18]首次在室溫下觀測到p型半導(dǎo)體Si中的逆自旋霍爾效應(yīng)，開拓了半導(dǎo)體中自旋霍爾效應(yīng)及其逆效應(yīng)的研究。此外，Olejník等[19]在外延的GaAs超薄膜中觀測到逆自旋霍爾效應(yīng)，并估算其自旋霍爾角θSHE≈0.15%。有機(jī)聚合物體系中也被發(fā)現(xiàn)具有可觀測的逆自旋霍爾效應(yīng)[20, 21]。Qaid等[20]在導(dǎo)電聚合物PEDOT∶PSS中觀測到約2%的自旋霍爾角，進(jìn)一步拓展了逆自旋霍爾效應(yīng)的材料空間。

另一方面，氧化物因其數(shù)量龐大的物質(zhì)群及豐富多變的物理特性，一直以來都是凝聚態(tài)物理和材料研究的重點。而氧化物具有合成容易、性能穩(wěn)定、價格低廉等特點，成為應(yīng)用型功能材料的優(yōu)先選項。自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究者很早就關(guān)注并對氧化物中的逆自旋霍爾效應(yīng)進(jìn)行了探索。在導(dǎo)電氧化物ITO、IrO2等材料中先后觀測到逆自旋霍爾效應(yīng)[22-24]。其中5d金屬氧化物IrO2的自旋霍爾角達(dá)到6.5%[24]，揭示了重金屬氧化物作為自旋功能材料應(yīng)用的可能，也拓展了氧化物體系中自旋霍爾功能材料的開發(fā)方向。

本工作以導(dǎo)電氧化鉍(Bi2O3)薄膜為研究對象，構(gòu)建并制備了坡莫合金(Py)/Bi2O3的雙層自旋泵浦器件。并利用自旋泵浦技術(shù)對Bi2O3中的逆自旋霍爾效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。首先在Bi2O3薄膜中觀測并確認(rèn)了逆自旋霍爾效應(yīng)對應(yīng)的電壓信號；通過對Bi2O3薄膜厚度與信號強(qiáng)度的系統(tǒng)分析，確認(rèn)該信號與自旋泵浦效應(yīng)的等效電路模型預(yù)測相符；并定量地給出了Bi2O3薄膜的自旋霍爾角和自旋擴(kuò)散長度。

2 實驗原理與方法

本工作通過交流磁控濺射由燒結(jié)Bi2O3靶材制備了Bi2O3薄膜。通過控制成膜時氣壓(Ar：0.7 Pa)及后期真空熱處理工藝(<3×10-5Pa，1 h@500 ℃)，在具有熱氧化層的硅基板上成功制備了導(dǎo)電Bi2O3薄膜。利用四端法確定Bi2O3薄膜的的電導(dǎo)率為2.1×104Ω-1·m-1。通過改變成膜時間，系統(tǒng)地制備了膜厚范圍在12～112 nm的Bi2O3薄膜。并利用電子束沉積技術(shù)將10 nm的Py薄膜與Bi2O3膜復(fù)合，構(gòu)建了如圖1a所示的Py/Bi2O3雙層自旋泵浦器件。其中由10 nm的Py單層薄膜測得的電導(dǎo)率為1.5×106Ω-1·m-1。

圖1b是具有SiO2氧化層的硅基板上沉積的Py/Bi2O3雙層膜的X射線衍射圖譜,其中Py層與Bi2O3層的厚度分別為10和32 nm。在2θ=69.1°附近可觀測到屬于硅基板(400)晶面的強(qiáng)衍射峰；而2θ=27.7°附近可以觀測到微弱的特征衍射峰，對比衍射數(shù)據(jù)庫可以判斷該衍射峰來源于δ-Bi2O3的(111)晶面；除此之外，無明顯可觀測的衍射峰，由此判斷器件中的Bi2O3為螢石結(jié)構(gòu)的δ-Bi2O3相[25-27]，并具備法線方向為[111]的擇優(yōu)取向。考慮到測得的薄膜電導(dǎo)率與離子導(dǎo)電的純δ-Bi2O3的電導(dǎo)率之間存在差異[28]，不能排除器件中的Bi2O3薄膜存在氧缺陷或伴生金屬鉍相從而導(dǎo)致薄膜的電導(dǎo)率上升。在衍射圖譜中沒有明顯的氧化硅及Py特征峰，可以歸因于氧化硅和Py均為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)且Py層膜厚過薄。

圖1 Py/Bi2O3雙層膜器件及自旋泵浦實驗設(shè)置示意圖，H為外加磁場(a)；具有SiO2氧化層的硅基板上Py/Bi2O3雙層膜的X射線衍射圖譜(b)

圖1a還給出了自旋泵浦實驗設(shè)置的示意圖。實驗樣品置于TE011微波諧振腔中心，微波諧振腔特征頻率為9.444 GHz，此時樣品處微波的電場分量取最小，而磁場分量取最大。同時在樣品膜面方向上施加外磁場H。在微波的交變磁場與外磁場的共同作用下，當(dāng)微波頻率f與外磁場大小H滿足共振條件：

(1)

Py中的鐵磁共振被激發(fā)，其中γ和4πMs分別是Py薄膜的有效旋磁比和飽和磁化強(qiáng)度[29]。由自旋泵浦模型可知，此時Py與Bi2O3薄膜界面產(chǎn)生自旋積累，純自旋流Js將通過界面注入到Bi2O3層中[20-22, 29-36]。由于Bi2O3中的逆自旋霍爾效應(yīng)，該自旋流將被轉(zhuǎn)換為電流，并以電場EISHE的形式被檢測。這里EISHE：

EISHE∝Js×σ

(2)

其中，σ為磁性層的自旋極化矢量，EISHE，Js與σ互為正交矢量時EISHE取最大值。EISHE可以通過Bi2O3表面兩端的電極測量。

3 結(jié)果與討論

圖2a給出了Py/Bi2O3雙層膜器件中測得的典型鐵磁共振微分吸收譜dI(H)/dH。其中I為微波吸收強(qiáng)度，H為外磁場強(qiáng)度。由共振微分吸收譜可知，在HFMR≈99 mT時，dI(H)/dH=0，即該磁場強(qiáng)度處微波吸收強(qiáng)度I達(dá)到最大值，為Py的鐵磁共振場。圖中正負(fù)峰值的間距對應(yīng)鐵磁共振線寬W,對比單層10 nm 的Py薄膜，Py/Bi2O3雙層膜的鐵磁共振線寬W明顯增大，表明在雙層膜器件中由于鐵磁共振的激發(fā)，產(chǎn)生了基于自旋泵浦效應(yīng)的自旋流[31]。該自旋流通過Py/Bi2O3界面被注入到Bi2O3層。

圖2 Py/Bi2O3雙層膜鐵磁共振微分吸收譜dI(H)/dH和外加磁場H的依存關(guān)系，I為微波吸收強(qiáng)度(a)；Py/Bi2O3雙層膜中測得的電壓信號V與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系圖，其微波功率為200 mW(圖中空心圓為實測數(shù)據(jù)，紅色虛線為Lorentz及其微分函數(shù)的擬合結(jié)果，藍(lán)綠虛線分別為擬合曲線中的對稱和反對稱分量)(b)

如圖2b所示，當(dāng)固定微波功率為200 mW時，Py/Bi2O3雙層膜在垂直于外磁場方向上可以測得與鐵磁共振相對應(yīng)的電壓信號,其電壓峰值對應(yīng)的磁場基本與鐵磁共振場HFMR相符。利用Lorentz及其微分函數(shù)擬合，可以很好地再現(xiàn)電壓V與磁場H的依存關(guān)系(圖2b)。其中，Lorentz微分函數(shù)的反對稱分量通常歸因于自旋整流及其他效應(yīng)的貢獻(xiàn)[29, 32-34]。從擬合參數(shù)可知反對稱分量在整個電壓信號中的占比小于5%。而Lorentz函數(shù)的對稱分量Vs主要歸因于自旋泵浦產(chǎn)生的自旋流所對應(yīng)的電壓，其峰位與鐵磁共振場HFMR完全對應(yīng)。同時考慮到無法排除對稱信號中自旋整流效應(yīng)的貢獻(xiàn)，將電壓信號中對稱分量Vs定義為[28]：Vs=VISHE+Vsr。其中VISHE為逆自旋霍爾效應(yīng)對應(yīng)的電壓信號，Vsr對應(yīng)自旋整流效應(yīng)的電壓信號。

圖3a和3b分別給出了在外磁場方向不同的情況下測得的鐵磁共振微分吸收譜dI(H)/dH與電壓信號V對外磁場強(qiáng)度H與鐵磁共振場HFMR的差值的依存關(guān)系圖，其中外磁場方向角θH的定義如圖3c中的插圖所示。在改變外磁場方向角θH的情況下，微波微分吸收譜的形狀與線寬基本沒有發(fā)生改變(圖3a)。而電壓信號V隨θH的變化產(chǎn)生了較大的差異(圖3b)，當(dāng)外磁場平行于膜面，即θH=±90°時，電壓峰值取最大值，符號相反；當(dāng)外磁場垂直于膜面,即θH=0°時，電壓峰信號消失。由式(2)可知，在自旋泵浦實驗中逆自旋霍爾效應(yīng)的信號大小與磁性層中的自旋極化方向相關(guān)，即EISHE∝sinθM。這里θM對應(yīng)鐵磁薄膜磁化方向與薄膜法線方向的夾角，可以根據(jù)鐵磁共振場數(shù)據(jù)及外磁場方向角θH計算獲得[22, 31, 35]。考慮到薄膜樣品中退磁場的影響，當(dāng)且僅當(dāng)磁場方向與膜面平行或在法線方向(即θH=±90°，0°)時，鐵磁薄膜的磁化方向與外磁場方向相同，此時EISHE取正負(fù)最大值和零。在Py/Bi2O3雙層膜器件中測得的電壓信號很好地符合了該實驗?zāi)Ｐ汀?/p>

對所有外磁場方向角θH下測得的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行Lorentz及其微分函數(shù)擬合，分離出的電壓信號對稱分量Vs與外磁場方向角θH的關(guān)系如圖3c所示。鐵磁層Py磁化強(qiáng)度M//Heff=H+HM，這里H為外加磁場，HM為Py薄膜的退磁場。Vs的磁場方向角θH依存可以很好地基于自旋泵浦的動力學(xué)模型擬合[22, 31, 35, 36]，從而驗證了Vs中逆自旋霍爾效應(yīng)的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位。

圖3 不同外磁場方向角θH下Py/Bi2O3雙層膜的鐵磁共振微分吸收譜dI(H)/dH(a)和電壓信號V(b)與外磁場強(qiáng)度H和鐵磁共振場HFMR差值的關(guān)系圖；電壓信號對稱分量Vs與外磁場方向角θH的關(guān)系圖(實驗數(shù)據(jù)表示為空心菱形，紅色實線為擬合結(jié)果，插圖中定義了外磁場方向角θH)(c)

圖4a中給出了在不同微波功率PMW下的電壓信號V與外磁場H的依存關(guān)系。與自旋泵浦模型的預(yù)期相符，電壓峰值隨著PMW的增加而增大。圖4b為電壓信號的對稱分量Vs與微波功率PMW的關(guān)系。由圖可見，在微波功率為0～200 mW范圍內(nèi)，Vs與PMW呈線性關(guān)系，與直流自旋泵浦模型的預(yù)測一致[22, 30, 35]。

圖4 不同微波功率PMW下的Py/Bi2O3雙層膜的電壓信號V與磁場H的關(guān)系圖(a)，電壓信號對稱分量Vs與微波功率PMW的依存關(guān)系圖(b)

圖5給出了Py/Bi2O3器件中的Vs對Bi2O3層厚度dN的依存關(guān)系。Vs隨Bi2O3層厚度dN的增大而減小，這基本可以歸因于隨Bi2O3層厚度dN增加所導(dǎo)致的器件整體電阻的減小。該結(jié)果明顯區(qū)別于Py/Bi自旋泵浦器件中自旋泵浦信號隨Bi層厚度的增加而先增加后減小的結(jié)果[37]。因此，在這里忽略可能存在的Rashba-Edelstein效應(yīng)等界面效應(yīng)的影響，根據(jù)等效電路模型[29, 31]，同時考慮到Py層中自旋整流效應(yīng)的可能貢獻(xiàn)，將Vs表示為[29]：

Vs=VISHE+Vsr

(3)

圖5 Py/Bi2O3雙層膜中Bi2O3厚度dN與電壓信號對稱分量Vs的依存關(guān)系(實驗數(shù)據(jù)表示為空心圓，實線為式(3)的擬合結(jié)果，插圖為Py/Bi2O3雙層膜系統(tǒng)中考慮了逆自旋霍爾效應(yīng)和自旋整流效應(yīng)的等效電路圖)

4 結(jié) 論

本工作利用自旋泵浦效應(yīng)首次在導(dǎo)電Bi2O3薄膜中觀測并確認(rèn)了逆自旋霍爾效應(yīng)。在Py/Bi2O3雙層膜中探測到的電壓信號與逆自旋霍爾效應(yīng)和自旋泵浦效應(yīng)的模型相符。通過系統(tǒng)探討逆自旋霍爾電壓與Bi2O3薄膜厚度的關(guān)系，定量地給出了導(dǎo)電Bi2O3薄膜中的逆自旋霍爾角約為0.5%，自旋擴(kuò)散長度約為3.5 nm。導(dǎo)電Bi2O3中逆自旋霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，不僅拓寬了逆自旋霍爾效應(yīng)材料的選擇范圍，也為新型自旋電子器件的設(shè)計和應(yīng)用提供了新的選擇。