トポロジカル半金属を用いた高性能純スピン注入源の開発

使用拓扑非金属开发高性能纯自旋注入源

基本信息

批准号：
21J10066
负责人：
白倉孝典
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度はYPtBiのデバイス応用を見据え、YPtBiの組成ずれがスピンホール効果に与える影響の評価と、配線工程に適合するための低温成膜技術開発を行った。トポロジカル材料はスピンホール効果の強さが組成変化に敏感であるため、デバイス間におけるばらつきの原因となりうる。そこで、Y、Pt、Biの同時スパッタリング法を用いてY/Pt組成比を系統的に変化させながら、YPtBiの結晶性およびスピンホール効果の強さを評価した。Y/Pt組成比が理想組成比1:1からずれるとアンチサイト等の欠陥が増加し、正孔密度が3×10^20 cm-3から最大5×10^22 cm-3まで増大した。一方、スピンホール効果の強さを示すスピンホール伝導率はY/Pt組成比に対してほぼ不変であった。これは、他のトポロジカル材料と異なり、YPtBiのフェルミ準位がディラック点から0.3～0.8 eVと大きく離れているためであると考えられる。次に、低温成膜手法の開発について述べる。高い結晶性と良好な界面を持つYPtBiを実現するためには600度での成膜が望ましい。一方、YPtBiを配線工程に適用するためには400℃以下で成膜する必要がある。しかし、YPtBiの成膜温度を600℃から300℃まで低下させると、スピンホール伝導率が0.84×10^5 h/4πe S/mから0.28×10^5 h/4πe S/mまで減少した。この原因として、基板に到達したスパッタ粒子のマイグレーションエネルギーが減少し、グレインサイズが縮小したことが考えられる。そこで、成膜圧力を2.0 Paから0.5 Paまで減少させ、基板に到達するスパッタ粒子の運動エネルギーを向上することでグレインサイズの増大を試みた。これにより、300℃でも600℃成膜時と同等以上の巨大なスピンホール伝導率0.89～1.4×10^5 h/4πe S/mを達成した。

今年，在关注YPTBI设备的应用时，我们评估了YPTBI组成偏差对自旋壁效应的影响，并开发了低温膜形成技术，以适应布线过程。拓扑材料可能会导致设备之间的变化，因为自旋式效果的强度对组成变化敏感。因此，通过使用同时使用y，pt和bi的同时溅射方法来评估YPTBI的旋转式效果的结晶度和强度。当Y/PT组成比偏离1：1的理想组成比时，抗位置中的缺陷等增加，孔密度从3×10^20 cm-3增加到最大5×10^22 cm-3。另一方面，相对于y/pt组成比，几乎没有变化的旋转孔电导率，这表明旋转孔效应的强度几乎没有变化。这被认为是因为与其他拓扑材料不同，YPTBI的费米水平与从0.3到0.8 eV的狄拉克点显着不同。接下来，将描述低温膜形成方法的发展。为了实现具有高结晶度和良好界面的YPTBI，需要600度的膜形成。另一方面，为了将YPTBI应用于接线过程，有必要将薄膜存放在400°C或以下。但是，当Yptbi的膜形成温度从600°C降低到300°C时，自旋电导率从0.84×10^5 h/4πes/m降至0.28×10^5 h/4πes/m。这可能是由于已达到底物的溅射颗粒的迁移能量减少，从而导致晶粒尺寸减少。因此，膜形成压力从2.0 pa降低到0.5 pa，并通过增加到达基板的溅射颗粒的动能来增加晶粒尺寸。结果，即使在300°C下，也达到了0.89至1.4×10^5 h/4πes/m的巨大自旋电导率，其等于或优于600°C时。