导电氧化铋薄膜的逆自旋霍尔效应

王孟怡，邱志勇

(大连理工大学材料科学与工程学院 三束材料改性教育部重点实验室辽宁省能源材料及器件重点实验室，辽宁 大连 116000)

1 前 言

自旋电子学是以电子的量子自由度自旋为研究核心的新兴科研领域[1]。因在电子信息领域中的巨大应用潜力，自旋电子学建立伊始即吸引了众多研究者，现今是凝聚态物理领域不可忽视的科研分支之一。凝聚态体系中自旋的产生、操纵与检测相关的机理探讨和应用拓展是自旋电子学领域的核心课题[2]。本文所讨论的逆自旋霍尔效应即自旋霍尔效应的逆效应，是实现自旋流向电流转换的重要物理效应，其对自旋流特别是纯自旋流的检测有着不可替代的应用价值。逆自旋霍尔效应一方面可直接应用于弱自旋流的检测，另一方面也可作为自旋流-电流的转换媒介实现自旋向电荷体系的能量及信息传递[3-5]。而逆自旋霍尔效应的应用长期受制于自旋流-电流转换效率，即自旋霍尔角[6]。因此，新材料体系的探索及高自旋霍尔角材料的开发是逆自旋霍尔效应应用的关键所在。

由于具有较大的自旋轨道耦合强度，重金属及其合金体系长期以来是高自旋霍尔角材料的研发重点[7-17]。其中贵金属Pt和Au的自旋霍尔角在室温附近分别可达11%±8%和11.3%[7, 8]，是最常用的自旋霍尔材料。重金属合金AuW及CuBi报道的自旋霍尔角也达到10%以上[9, 10]。此外，其它材料如半导体体系也是逆自旋霍尔效应的研究热点。2012年，Ando等[18]首次在室温下观测到p型半导体Si中的逆自旋霍尔效应，开拓了半导体中自旋霍尔效应及其逆效应的研究。此外，Olejník等[19]在外延的GaAs超薄膜中观测到逆自旋霍尔效应，并估算其自旋霍尔角θSHE≈0.15%。有机聚合物体系中也被发现具有可观测的逆自旋霍尔效应[20, 21]。Qaid等[20]在导电聚合物PEDOT∶PSS中观测到约2%的自旋霍尔角，进一步拓展了逆自旋霍尔效应的材料空间。

另一方面，氧化物因其数量庞大的物质群及丰富多变的物理特性，一直以来都是凝聚态物理和材料研究的重点。而氧化物具有合成容易、性能稳定、价格低廉等特点，成为应用型功能材料的优先选项。自旋电子学领域的研究者很早就关注并对氧化物中的逆自旋霍尔效应进行了探索。在导电氧化物ITO、IrO2等材料中先后观测到逆自旋霍尔效应[22-24]。其中5d金属氧化物IrO2的自旋霍尔角达到6.5%[24]，揭示了重金属氧化物作为自旋功能材料应用的可能，也拓展了氧化物体系中自旋霍尔功能材料的开发方向。

本工作以导电氧化铋(Bi2O3)薄膜为研究对象，构建并制备了坡莫合金(Py)/Bi2O3的双层自旋泵浦器件。并利用自旋泵浦技术对Bi2O3中的逆自旋霍尔效应进行了系统的研究。首先在Bi2O3薄膜中观测并确认了逆自旋霍尔效应对应的电压信号；通过对Bi2O3薄膜厚度与信号强度的系统分析，确认该信号与自旋泵浦效应的等效电路模型预测相符；并定量地给出了Bi2O3薄膜的自旋霍尔角和自旋扩散长度。

2 实验原理与方法

本工作通过交流磁控溅射由烧结Bi2O3靶材制备了Bi2O3薄膜。通过控制成膜时气压(Ar：0.7 Pa)及后期真空热处理工艺(<3×10-5Pa，1 h@500 ℃)，在具有热氧化层的硅基板上成功制备了导电Bi2O3薄膜。利用四端法确定Bi2O3薄膜的的电导率为2.1×104Ω-1·m-1。通过改变成膜时间，系统地制备了膜厚范围在12～112 nm的Bi2O3薄膜。并利用电子束沉积技术将10 nm的Py薄膜与Bi2O3膜复合，构建了如图1a所示的Py/Bi2O3双层自旋泵浦器件。其中由10 nm的Py单层薄膜测得的电导率为1.5×106Ω-1·m-1。

图1b是具有SiO2氧化层的硅基板上沉积的Py/Bi2O3双层膜的X射线衍射图谱,其中Py层与Bi2O3层的厚度分别为10和32 nm。在2θ=69.1°附近可观测到属于硅基板(400)晶面的强衍射峰；而2θ=27.7°附近可以观测到微弱的特征衍射峰，对比衍射数据库可以判断该衍射峰来源于δ-Bi2O3的(111)晶面；除此之外，无明显可观测的衍射峰，由此判断器件中的Bi2O3为萤石结构的δ-Bi2O3相[25-27]，并具备法线方向为[111]的择优取向。考虑到测得的薄膜电导率与离子导电的纯δ-Bi2O3的电导率之间存在差异[28]，不能排除器件中的Bi2O3薄膜存在氧缺陷或伴生金属铋相从而导致薄膜的电导率上升。在衍射图谱中没有明显的氧化硅及Py特征峰，可以归因于氧化硅和Py均为非晶态结构且Py层膜厚过薄。

图1 Py/Bi2O3双层膜器件及自旋泵浦实验设置示意图，H为外加磁场(a)；具有SiO2氧化层的硅基板上Py/Bi2O3双层膜的X射线衍射图谱(b)

图1a还给出了自旋泵浦实验设置的示意图。实验样品置于TE011微波谐振腔中心，微波谐振腔特征频率为9.444 GHz，此时样品处微波的电场分量取最小，而磁场分量取最大。同时在样品膜面方向上施加外磁场H。在微波的交变磁场与外磁场的共同作用下，当微波频率f与外磁场大小H满足共振条件：

(1)

Py中的铁磁共振被激发，其中γ和4πMs分别是Py薄膜的有效旋磁比和饱和磁化强度[29]。由自旋泵浦模型可知，此时Py与Bi2O3薄膜界面产生自旋积累，纯自旋流Js将通过界面注入到Bi2O3层中[20-22, 29-36]。由于Bi2O3中的逆自旋霍尔效应，该自旋流将被转换为电流，并以电场EISHE的形式被检测。这里EISHE：

EISHE∝Js×σ

(2)

其中，σ为磁性层的自旋极化矢量，EISHE，Js与σ互为正交矢量时EISHE取最大值。EISHE可以通过Bi2O3表面两端的电极测量。

3 结果与讨论

图2a给出了Py/Bi2O3双层膜器件中测得的典型铁磁共振微分吸收谱dI(H)/dH。其中I为微波吸收强度，H为外磁场强度。由共振微分吸收谱可知，在HFMR≈99 mT时，dI(H)/dH=0，即该磁场强度处微波吸收强度I达到最大值，为Py的铁磁共振场。图中正负峰值的间距对应铁磁共振线宽W,对比单层10 nm 的Py薄膜，Py/Bi2O3双层膜的铁磁共振线宽W明显增大，表明在双层膜器件中由于铁磁共振的激发，产生了基于自旋泵浦效应的自旋流[31]。该自旋流通过Py/Bi2O3界面被注入到Bi2O3层。

图2 Py/Bi2O3双层膜铁磁共振微分吸收谱dI(H)/dH和外加磁场H的依存关系，I为微波吸收强度(a)；Py/Bi2O3双层膜中测得的电压信号V与磁场强度H的关系图，其微波功率为200 mW(图中空心圆为实测数据，红色虚线为Lorentz及其微分函数的拟合结果，蓝绿虚线分别为拟合曲线中的对称和反对称分量)(b)

如图2b所示，当固定微波功率为200 mW时，Py/Bi2O3双层膜在垂直于外磁场方向上可以测得与铁磁共振相对应的电压信号,其电压峰值对应的磁场基本与铁磁共振场HFMR相符。利用Lorentz及其微分函数拟合，可以很好地再现电压V与磁场H的依存关系(图2b)。其中，Lorentz微分函数的反对称分量通常归因于自旋整流及其他效应的贡献[29, 32-34]。从拟合参数可知反对称分量在整个电压信号中的占比小于5%。而Lorentz函数的对称分量Vs主要归因于自旋泵浦产生的自旋流所对应的电压，其峰位与铁磁共振场HFMR完全对应。同时考虑到无法排除对称信号中自旋整流效应的贡献，将电压信号中对称分量Vs定义为[28]：Vs=VISHE+Vsr。其中VISHE为逆自旋霍尔效应对应的电压信号，Vsr对应自旋整流效应的电压信号。

图3a和3b分别给出了在外磁场方向不同的情况下测得的铁磁共振微分吸收谱dI(H)/dH与电压信号V对外磁场强度H与铁磁共振场HFMR的差值的依存关系图，其中外磁场方向角θH的定义如图3c中的插图所示。在改变外磁场方向角θH的情况下，微波微分吸收谱的形状与线宽基本没有发生改变(图3a)。而电压信号V随θH的变化产生了较大的差异(图3b)，当外磁场平行于膜面，即θH=±90°时，电压峰值取最大值，符号相反；当外磁场垂直于膜面,即θH=0°时，电压峰信号消失。由式(2)可知，在自旋泵浦实验中逆自旋霍尔效应的信号大小与磁性层中的自旋极化方向相关，即EISHE∝sinθM。这里θM对应铁磁薄膜磁化方向与薄膜法线方向的夹角，可以根据铁磁共振场数据及外磁场方向角θH计算获得[22, 31, 35]。考虑到薄膜样品中退磁场的影响，当且仅当磁场方向与膜面平行或在法线方向(即θH=±90°，0°)时，铁磁薄膜的磁化方向与外磁场方向相同，此时EISHE取正负最大值和零。在Py/Bi2O3双层膜器件中测得的电压信号很好地符合了该实验模型。

对所有外磁场方向角θH下测得的电压数据进行Lorentz及其微分函数拟合，分离出的电压信号对称分量Vs与外磁场方向角θH的关系如图3c所示。铁磁层Py磁化强度M//Heff=H+HM，这里H为外加磁场，HM为Py薄膜的退磁场。Vs的磁场方向角θH依存可以很好地基于自旋泵浦的动力学模型拟合[22, 31, 35, 36]，从而验证了Vs中逆自旋霍尔效应的贡献占主导地位。

图3 不同外磁场方向角θH下Py/Bi2O3双层膜的铁磁共振微分吸收谱dI(H)/dH(a)和电压信号V(b)与外磁场强度H和铁磁共振场HFMR差值的关系图；电压信号对称分量Vs与外磁场方向角θH的关系图(实验数据表示为空心菱形，红色实线为拟合结果，插图中定义了外磁场方向角θH)(c)

图4a中给出了在不同微波功率PMW下的电压信号V与外磁场H的依存关系。与自旋泵浦模型的预期相符，电压峰值随着PMW的增加而增大。图4b为电压信号的对称分量Vs与微波功率PMW的关系。由图可见，在微波功率为0～200 mW范围内，Vs与PMW呈线性关系，与直流自旋泵浦模型的预测一致[22, 30, 35]。

图4 不同微波功率PMW下的Py/Bi2O3双层膜的电压信号V与磁场H的关系图(a)，电压信号对称分量Vs与微波功率PMW的依存关系图(b)

图5给出了Py/Bi2O3器件中的Vs对Bi2O3层厚度dN的依存关系。Vs随Bi2O3层厚度dN的增大而减小，这基本可以归因于随Bi2O3层厚度dN增加所导致的器件整体电阻的减小。该结果明显区别于Py/Bi自旋泵浦器件中自旋泵浦信号随Bi层厚度的增加而先增加后减小的结果[37]。因此，在这里忽略可能存在的Rashba-Edelstein效应等界面效应的影响，根据等效电路模型[29, 31]，同时考虑到Py层中自旋整流效应的可能贡献，将Vs表示为[29]：

Vs=VISHE+Vsr

(3)

图5 Py/Bi2O3双层膜中Bi2O3厚度dN与电压信号对称分量Vs的依存关系(实验数据表示为空心圆，实线为式(3)的拟合结果，插图为Py/Bi2O3双层膜系统中考虑了逆自旋霍尔效应和自旋整流效应的等效电路图)

4 结 论

本工作利用自旋泵浦效应首次在导电Bi2O3薄膜中观测并确认了逆自旋霍尔效应。在Py/Bi2O3双层膜中探测到的电压信号与逆自旋霍尔效应和自旋泵浦效应的模型相符。通过系统探讨逆自旋霍尔电压与Bi2O3薄膜厚度的关系，定量地给出了导电Bi2O3薄膜中的逆自旋霍尔角约为0.5%，自旋扩散长度约为3.5 nm。导电Bi2O3中逆自旋霍尔效应的发现，不仅拓宽了逆自旋霍尔效应材料的选择范围，也为新型自旋电子器件的设计和应用提供了新的选择。