王孟怡，邱志勇

(大連理工大學材料科學與工程學院 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

自旋電子學是以電子的量子自由度自旋為研究核心的新興科研領域[1]。因在電子信息領域中的巨大應用潛力，自旋電子學建立伊始即吸引了眾多研究者，現(xiàn)今是凝聚態(tài)物理領域不可忽視的科研分支之一。凝聚態(tài)體系中自旋的產生、操縱與檢測相關的機理探討和應用拓展是自旋電子學領域的核心課題[2]。本文所討論的逆自旋霍爾效應即自旋霍爾效應的逆效應，是實現(xiàn)自旋流向電流轉換的重要物理效應，其對自旋流特別是純自旋流的檢測有著不可替代的應用價值。逆自旋霍爾效應一方面可直接應用于弱自旋流的檢測，另一方面也可作為自旋流-電流的轉換媒介實現(xiàn)自旋向電荷體系的能量及信息傳遞[3-5]。而逆自旋霍爾效應的應用長期受制于自旋流-電流轉換效率，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)是逆自旋霍爾效應應用的關鍵所在。

由于具有較大的自旋軌道耦合強度，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到10%以上[9, 10]。此外，其它材料如半導體體系也是逆自旋霍爾效應的研究熱點。2012年，Ando等[18]首次在室溫下觀測到p型半導體Si中的逆自旋霍爾效應，開拓了半導體中自旋霍爾效應及其逆效應的研究。此外，Olejník等[19]在外延的GaAs超薄膜中觀測到逆自旋霍爾效應，并估算其自旋霍爾角θSHE≈0.15%。有機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[20, 21]。Qaid等[20]在導電聚合物PEDOT∶PSS中觀測到約2%的自旋霍爾角，進一步拓展了逆自旋霍爾效應的材料空間。

另一方面，氧化物因其數(shù)量龐大的物質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，成為應用型功能材料的優(yōu)先選項。自旋電子學領域的研究者很早就關注并對氧化物中的逆自旋霍爾效應進行了探索。在導電氧化物ITO、IrO2等材料中先后觀測到逆自旋霍爾效應[22-24]。其中5d金屬氧化物IrO2的自旋霍爾角達到6.5%[24]，揭示了重金屬氧化物作為自旋功能材料應用的可能，也拓展了氧化物體系中自旋霍爾功能材料的開發(fā)方向。

本工作以導電氧化鉍(Bi2O3)薄膜為研究對象，構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對Bi2O3中的逆自旋霍爾效應進行了系統(tǒng)的研究。首先在Bi2O3薄膜中觀測并確認了逆自旋霍爾效應對應的電壓信號；通過對Bi2O3薄膜厚度與信號強度的系統(tǒng)分析，確認該信號與自旋泵浦效應的等效電路模型預測相符；并定量地給出了Bi2O3薄膜的自旋霍爾角和自旋擴散長度。

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電Bi2O3薄膜。利用四端法確定Bi2O3薄膜的的電導率為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將10 nm的Py薄膜與Bi2O3膜復合，構建了如圖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為螢石結構的δ-Bi2O3相[25-27]，并具備法線方向為[111]的擇優(yōu)取向?？紤]到測得的薄膜電導率與離子導電的純δ-Bi2O3的電導率之間存在差異[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致薄膜的電導率上升。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)結構且Py層膜厚過薄。

圖1 Py/Bi2O3雙層膜器件及自旋泵浦實驗設置示意圖，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度[29]。由自旋泵浦模型可知，此時Py與Bi2O3薄膜界面產生自旋積累，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，該自旋流將被轉換為電流，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為微波吸收強度，H為外磁場強度。由共振微分吸收譜可知，在HFMR≈99 mT時，dI(H)/dH=0，即該磁場強度處微波吸收強度I達到最大值，為Py的鐵磁共振場。圖中正負峰值的間距對應鐵磁共振線寬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)，產生了基于自旋泵浦效應的自旋流[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的依存關系，I為微波吸收強度(a)；Py/Bi2O3雙層膜中測得的電壓信號V與磁場強度H的關系圖，其微波功率為200 mW(圖中空心圓為實測數(shù)據，紅色虛線為Lorentz及其微分函數(shù)的擬合結果，藍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的電壓信號,其電壓峰值對應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的貢獻[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生的自旋流所對應的電壓，其峰位與鐵磁共振場HFMR完全對應。同時考慮到無法排除對稱信號中自旋整流效應的貢獻，將電壓信號中對稱分量Vs定義為[28]：Vs=VISHE+Vsr。其中VISHE為逆自旋霍爾效應對應的電壓信號，Vsr對應自旋整流效應的電壓信號。

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對外磁場強度H與鐵磁共振場HFMR的差值的依存關系圖，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的變化產生了較大的差異(圖3b)，當外磁場平行于膜面，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的信號大小與磁性層中的自旋極化方向相關，即EISHE∝sinθM。這里θM對應鐵磁薄膜磁化方向與薄膜法線方向的夾角，可以根據鐵磁共振場數(shù)據及外磁場方向角θH計算獲得[22, 31, 35]。考慮到薄膜樣品中退磁場的影響，當且僅當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模型。

對所有外磁場方向角θH下測得的電壓數(shù)據進行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的關系如圖3c所示。鐵磁層Py磁化強度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模型擬合[22, 31, 35, 36]，從而驗證了Vs中逆自旋霍爾效應的貢獻占主導地位。

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)與外磁場強度H和鐵磁共振場HFMR差值的關系圖；電壓信號對稱分量Vs與外磁場方向角θH的關系圖(實驗數(shù)據表示為空心菱形，紅色實線為擬合結果，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的依存關系。與自旋泵浦模型的預期相符，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的關系。由圖可見，在微波功率為0～200 mW范圍內，Vs與PMW呈線性關系，與直流自旋泵浦模型的預測一致[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的關系圖(a)，電壓信號對稱分量Vs與微波功率PMW的依存關系圖(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增加所導致的器件整體電阻的減小。該結果明顯區(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果[37]。因此，在這里忽略可能存在的Rashba-Edelstein效應等界面效應的影響，根據等效電路模型[29, 31]，同時考慮到Py層中自旋整流效應的可能貢獻，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的依存關系(實驗數(shù)據表示為空心圓，實線為式(3)的擬合結果，插圖為Py/Bi2O3雙層膜系統(tǒng)中考慮了逆自旋霍爾效應和自旋整流效應的等效電路圖)

4 結 論

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