Adv. Mater.報道：可大面積制備的II-型Dirac半金屬PtTe2具有高自旋霍爾電導率

【背景介紹】

自旋軌道轉矩（Spin-Orbit Torque，SOT）是指基于自旋軌道耦合（Spin-Orbit Coupling，SOC），利用電荷流誘導的自旋流來產生自旋轉移力矩，進而達到調控磁性存儲單元的目的。典型的SOT設備由重金屬/鐵磁體（HM/FM）雙層組成，其中HM（Pt、W等）主要由于自旋霍爾效應（SHE）將電荷電流轉換為自旋電流，然后在相鄰的FM上施加扭矩，從而實現磁化操縱。在眾多新材料中，過渡金屬二硫化碳（TMD）由于具有可調控的電導率和自旋軌道耦合等優勢而備受關注。然而，有以下兩個關鍵問題需要解決：（1）大多數TMD材料的電導率比HMs低幾個數量級，導致大部分電流在FM層中流動，因此有效的磁化開關更少。（2）基于TMD的SOT器件通常通過物理剝落法制造，因此無法擴展到實際應用中。目前，PtTe₂在金屬TMD中具有最高的室溫電導率（約3.3×10⁶ S m^-1），同時PtTe₂被歸類為II-型Dirac半金屬，可以產生具有自旋動量鎖定的拓撲表面狀態（TSSs）。

【成果簡介】

基于此，中國科學院物理研究所的于國強特聘研究員（通訊作者）團隊報道了一種簡單的方法來合成可用于SOT設備的高質量且可大面積制備的PtTe₂薄膜。研究發現基于PtTe₂器件的SOT效率（5 nm厚PtTe₂層的SOT效率為0.09-0.15）比4 nm厚Pt對照樣品的SOT效率高1.5-2倍。在目前研究的TMD中，PtTe₂的自旋霍爾電導率（0.2-2×10⁵ ?/2e(Ωm)^-1）最大，可與Pt和拓撲絕緣體相比。利用PtTe₂的大SOT，進一步實現了PtTe₂/Au/CoTb器件中垂直磁化的有效切換。該研究成果以題為“High Spin Hall Conductivity in Large-Area Type-II Dirac Semimetal PtTe₂”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、PtTe₂薄膜的結構
（a）將大型Pt薄膜轉化為PtTe₂薄膜的CVD工藝示意圖；

（b）厚度約為5 nm（頂部）和10 nm（底部）的大面積PtTe₂薄膜；

（c）厚度約為5 nm的典型PtTe₂薄膜的HRTEM圖像；

（d-e）各種PtTe₂薄膜的X射線衍射和拉曼光譜。

圖二、PtTe₂薄膜的傳輸特性
（a）PtTe₂薄膜中電導率的溫度依賴性；

（b）在2 K時，PtTe₂薄膜的MR沿兩個不同方向的磁場變化；

（c）PtTe₂薄膜在H⊥和低溫下的磁導，其中Δσ_xx=(L/Wt)/R_xx，L、W和t為PtTe₂通道的長度、寬度和厚度；
（d）相位脫散長度l_φ的溫度相關性及其用l_φ∝T^-γ的擬合。

圖三、研究SOT的PtTe₂/Py雙層示意圖
（a）具有GSG連接的ST-FMR設備的布局；

（b）PtTe₂中的I_rf流動會生成包括面內和面外分量的SOT，并驅動Py的磁化沿長軸方向有效進入；

（c-d）PtTe₂/Py堆的截面HAADF-STEM圖像，以及矩形區域被放大重疊的原子模型顯示Pt和Te原子形成高質量的PtTe₂晶格。

圖四、PtTe₂/Py堆疊的ST-FMR結果
（a）V_mix對PtTe₂(5)/Py(10)的頻率依賴性；

（b-c）PtTe₂(5)/Py(2.5)和PtTe₂(5)/Py(10)的典型V_mix和相應的洛倫茲擬合；

（d-f）從洛倫茲擬合中提取V_S、V_A和H_r進行繪圖。

圖五、比較PtTe₂/Py和Pt/Py的ξ_SOT
（a）PtTe₂/Py和Pt/Py的1/ξ_SOT versus 1/tPy，以及相應的線性擬合；

（b）ξ_SOT的厚度依賴性和自旋霍爾電導率σ_s。

圖六、PtTe₂的SOT電流誘導的CoTb層切換
（a）PtTe₂/Au/CoTb堆疊和由PtTe₂中大多數電流產生的SOT示意圖；

（b）PtTe₂/Au/CoTb疊層的AHE，分別沿x軸和z軸掃描外部磁場；

（c）在不同的平面場強Hx下，通過SOT從PtTe₂轉換CoTb；

（d）PtTe₂/Au/CoTb異質結構的開關相圖，其中I_c是臨界開關電流。

【總結】

綜上所述，作者證明了能以可制造的方式合成具有高電導率和強自旋軌道耦合的均質且高質量PtTe₂薄膜。根據ST-FMR測量，在PtTe₂/Py雙層中建立了由類似阻尼轉矩控制的大量SOT，其中PtTe₂的TSS可能起重要作用。表明PtTe₂是低功率SOT器件和與電荷自旋互轉換有關的其他應用的引人注目的材料。為了與現代自旋電子技術兼容，需要將生長的PtTe₂樣品從CVD爐中轉移到濺射系統中，而無需暴露在空氣中，以進一步提高設備性能。總之，該工作提出了一種可行的策略來研究自旋電子學的潛在TMD材料。

文獻鏈接：High Spin Hall Conductivity in Large-Area Type-II Dirac Semimetal PtTe₂（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000513）

本文由CQR編譯。

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