Tailoring spin-dependent transport in graphene-based hybrid devices

Abstract

Numerous theoretical and experimental studies of the first two-dimensional (2D) material, graphene (Gr) have reported its promising application as a fantastic platform for designing efficient spin manipulation protocols based on their quantum effects. However, key challenges remain to be addressed for device applications of Gr. One of the major challenges is the quest for quantum devices working at room temperature. Here, we report the quantum interference tuning of SOC in few-layer Gr in the regime of intermediate temperatures between 77 and 300 K, while experimental signature of quantum transport is most prominent at cryogenic temperatures when lattice vibrations are weak in spin transport phenomena. Equipped with the state of art quality Gr wafer-scale films, the variation of quantum transport features was investigated in a perpendicular magnetic field up to 1 T, for disorder (impurity) engineering in Gr multilayers (MLs). For Si(100)\SiO2\Gr MLs\Pt perpendicular stacks, the representative quantum interference effects were carefully investigated by inserting different metal elements (Co, Mn, Ir) between Gr and Pt layers. The magnetic disorder strength was manipulated in Gr-based hybrid structures by varying the insert layer thickness ranging from 2.5 to 0.05 nm. Interestingly, even for very small amount of disorder (0.05-nm-thick metal element) the severe impact on the electronic band structure of Gr was clearly observed even in the intermediate range (~77 K). The weak localization (WL) effect, in other words quantum corrections, was manipulated by an external magnetic field perpendicular to the film plane. To the best of my knowledge, WL-WAL (weak antilocalization) crossover of Gr-based hybrid devices was observed for the first time by magnetotransport measured at 77 K. We have also deepened the analysis of the quantum transport properties using the modified Hikami-Larkin-Nagaoka (HLN) equation.;최초의 2차원(2D) 재료인 그래핀(Gr)에 대한 수많은 이론 및 실험 연구들이 양자 효과를 기반으로 효율적인 스핀 조작 프로토콜을 설계하기 위한 환상적인 플랫폼으로서 높은 산업적 응용성에 대해 보고하고 있다. 그러나 이러한 소자응용을 실현하기 위해 해결해야 할 주요 과제들이 여전히 남아 있다. 그 주요 과제 중 하나가 바로 실온에서 작동하는 양자 소자의 실현이다. 본 논문에서, 그동안 양자적 실험적 현상이 가장 잘 두드러지는 격자 진동이 미약한 극저온에서만 연구해온 Gr의 양자수송현상을 77 K ~ 300K 사이의 중간 온도 영역에서 측정하고 스핀궤도결합 (Spin Orbit Coupling, SOC)의 제어에 의해 양자 간섭 튜닝을 보고하고자 한다. 양질의 Gr 웨이퍼 스케일 필름이 장착된 Gr 다층(ML)의 무질서(불순물) 엔지니어링을 위해 최대 ~1T의 수직 자기장 하에서 양자 수송 특성의 변화를 심도 깊게 탐구하였다. Si(100)\SiO2\Gr MLs\Pt 수직 적층의 경우 Gr과 Pt 층 사이에 서로 다른 금속 원소 (Co, Mn, Ir) 를 삽입하여 대표적인 양자 간섭 효과에 대한 연구를 세심하게 수행하였다. 자기무질서도(magnetic disorder strength)를 2.5에서 0.05 nm 범위의 삽입 층 두께를 변화시킴으로써 Gr 기반 하이브리드 구조에서 체계적 제어가 진행되었다. 흥미롭게도, 매우 적은 삽입양 (0.05 nm 두께의 금속 원소) 의 경우에도 중간 범위온도 (~77K) 에서 Gr의 전자 밴드 구조에 대한 심각한 영향이 명확하게 관찰되었다. WL (weak localization) 효과, 즉 양자 보정은 박막평면에 수직인 외부 자기장에 의해 제어될 수 있는데, 본 논문에서 보고하는 Gr 기반 하이브리드 소자의 WL-WAL (Weak antilocalization) crossover는 77K에서 측정된 자기 수송현상에 의해 처음으로 관찰되었다는 것에 큰 의미가 있다고 하겠다. 또한 수정된 Hikami-Larkin-Nagaoka (HLN) 방정식을 사용하여 양자 전송 특성 분석을 심화했습니다.