강유전체 + 강자성체 : ferroelectric spintronics

가정	Magnetoelectric ( multiferroics ) 자기전기효과  https://depletionregion.tistory.com/notice/149 Ferroelectricity (강유전체)
요약
응용

 

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강유전체와 강자성체는 물질내 대칭을 부셔버리는 신기한 성질을 가지는 물질입니다.

따라서 이러한 성질을 이용하기 위해 이 둘을 이용한 소자가 많은 연구됩니다.

강유전체와 강자성체를 붙인 물질을 주로 multiferroics이라 부르나, 최근에는 강유전성을 전기장 유도역할로만 이용하며, multiferroic이라는 용어를 잘 붙이지 않습니다.

따라서 본 포스팅에서는 Spintronics 소자에 강유전성을 사용한 연구에대해 알아보겠습니다.

 

지금까지 보고된바, 강유전성에 의해 5가지 변화가 관측되었는데,

1. Spin-charge conversion 변화 : Paul Neol et al., Nature volume 580, pages483–486(2020)

2. Spin hall angle 변화 : Fang, M. et al., Nat Commun 11, 2627 (2020). 

3. Spin polarization 변화 : V. GARCIA et al., SCIENCE 26 FEB 2010 : 1106-1110 

4. Spin current(Torque) 변화 : Kaiming Cai et al., Nature Materials volume 16, pages712–716(2017)

5. Magnetic anisotropy 변화 : A. Mardana et al., Nano Lett. 2011, 11, 3862–3867

입니다.

각 변화에 대해 간단하게 리뷰하겠습니다. 

1. Spin-charge conversion 변화입니다.

Paul Neol et al., Nature volume 580, pages483–486(2020)

여기서는 스트론튬 티타나이트라는 신기한 물질을 사용합니다

이 물질은 산화 알루미늄과 결합하면, 계면에서 2DEG이 만들어지고, 저온에서 강유전성을 띄는 물질입니다.

이 강유전체가 위 아래로 스위칭을 하면 2DEG에 전자가 모이거나 빠지며 신기하게 SOC system의 spin texture가 변합니다.

저자는 SOC 물질의 local 전기장이 변화하여 Rashba가 뒤집어 진다고 설명합니다. 

본실험은 FMR을 측정하여 inverse Edelstein Spin 전류를 읽었습니다. 정리하자면 전기장에 따라 스핀에서 전류가 되는 경향이 바뀝니다.

 

2. Spin hall angle 변화 입니다.

 Fang, M. et al., Nat Commun 11, 2627 (2020). 

여기선 inverse spin hall effect라는 측정을 통해 Spin hall angle이 강유전체 polarization이 변화함에 따라 바뀐다는 내용을 증명하였습니다. 

오른쪽 그래프에서도 보이듯 강유전체의 polarization이 변화함에 따라 spin hall angle이 반대로 나옵니다.

 

3. Spin polarization 변화 입니다.

V. GARCIA et al., SCIENCE 26 FEB 2010 : 1106-1110 

강유전체의 polarization에 따라 spin polarization이 변화한 내용입니다. TMR은 말 그대로 Spin polarization을 읽는 내용입니다.

이 값이 변화했다는 건 단적으로 spin polarzation이 전기장 인가에 따라 달라졌다는 내용을 입증입니다.

 

4. Spin current(Torque) 변화입니다.

Kaiming Cai et al., Nature Materials volume 16, pages712–716(2017)

강유전체가 polarzation을 x와 –x방향으로 주었을 때 Pt와 강유전체 사이에 내부 field가 gradient하게 형성되어 수직한 방향으로 Pt는Spin orbit coupling field을 받습니다.

따라서 Spin current density가 변화하게 되어 새로운 torque가 생기게 됩니다.

 

5. Magnetic anisotropy 변화입니다.

A. Mardana et al., Nano Lett. 2011, 11, 3862–3867

 

전기장 제어 자기이방성(voltage controlled magnetic anisotropy, VCMA) 에서 외부 전기장에 따라 자기이방성 에너지가 변화한다는 포스팅을 하였습니다. 이와 비슷하게 강유전체에서 전기장을 인가하여 강자성체의 자기이방성을 비휘발적으로 바꿀 수 있습니다.