Observation of quantum effects in charge nonequilibrium states with polarization analysis

Choi, Younggwan Sungkyunkwan University 2023 국내박사

This dissertation demonstrates experimental results of charge-nonequilibrium states in various quantum materials using the laser microscopy technique. Optical excitations and electrical bias realize the nonequilibrium states in this dissertation. The excitation states are measured by optical methods, e.g. magneto-optical Kerr effect (MOKE), electro-optic effect, terahertz pulse, thermoreflectance, and so on. Magnetism, topological effect, pseudo-hydrodynamic phenomena, and heat transport effects are investigated as target phenomena. For magnetic systems, I utilize the electrical/optical excitation method to perturb the magnetic states and successfully observed the spin/orbital Hall effect and related phenomena. For the topologically non-trivial system, the current-induce nonlinear Kerr rotation effect and Dirac surface states are also observed in a Weyl semimetal and a topological insulator, respectively. I also conduct charge distribution mapping experiment and I study a pseudo-hydrodynamic behavior in a semimetal. In aspect of heat transports, nanoscale heat transfer effect through atomically thin film is investigated. I also suggest a methodology of optical heat mapping with millikelvin resolution. I hope that my research results can offer useful optical methodologies and valuable information to the field of condensed matter physics. 이 논문은 레이저 분광 기술을 사용하여, 다양한 양자 물질에서의 전하-비평형 상태에 대한 실험 결과를 보여준다. 이 논문에서는 광-여기 및 전기 바이어스를 이용해 비평형 상태를 만들고, 여기된 상태는 레이저 분광 방법으로 측정된다. 이 논문에서 쓰인 광학적 방법은 자기 광학 커 효과(MOKE), 전기 광학 효과, 테라헤르츠 펄스, 열반사율 등이 있다. 자기, 위상 효과, 유사 유체 역학 현상 및 열 전달 효과를 대상 현상으로 조사합니다. 자기 시스템의 경우 전기/광학 방법을 사용하여 자기 상태를 들뜬 상태로 만들었으며, 스핀/궤도 홀 효과 및 관련 현상을 성공적으로 관찰했다. 위상 물질의 경우 전류에 의해 유도된 비선형 커 효과와 디락 표면 상태를 측정하였다. 또한 전하 분포 매핑 실험을 수행하고 반금속의 유사-유체 역학 거동을 연구하였다. 열전달 측면에서는 원자층 박막을 통한 나노미터 수준에서의 열전달 효과를 연구했다. 또한 밀리켈빈 분해능의 광학 열 매핑 방법을 제안하였다. 이 연구 결과가 응집물질물리학 분야에 유용한 광학적 방법론과 귀중한 정보를 제공할 것이라 생각한다.

Spin-Orbit Torques and Magnetic Damping in Magnetic Multilayers

Dong Joon Lee 고려대학교 KU-KIST융합대학원 2021 국내박사

An electric field induces spin-torque via spin-orbit coupling(SOC), which is spin-orbit torque(SOT), has been focus of research interest. Because of efficient manipulation of magnetization, it has great potential for advantage in device application including non-volatile magnetic memory and logic devices. Because of strong SOC, the heavy metal elements have large spin Hall effect(SHE) in which longitudinal charge current generates transverse spin current. Also SOC enhance magnetic damping via spin pumping effect (SP). In heavy metal(HM)/ferromagnet(FM)/Oxide structure, researches has been focus on HM and HM/FM interface and has been shown that the generated spin current and magnetic damping are dominated by HM and HM/FM interface. However, theoretical and experimental researches suggest that the FM/Oxide interface also has potential to play major role in determining magnetic anisotropy, magnetic damping and SOTs. we investigate both interfacial effects on magnetic properties. To clarify influences at the interfaces, we utilized ferromagnetic multilayers with insertion of additional ferromagnetic layers and different capping materials by using spin-torque ferromagnetic resonance(ST-FMR). In this dissertation, we experimentally investigate magnetic properties of magnet multilayers in presence of interfacial modification. Furthermore, theoretical researches suggest the existence of the orbital angular momentum flux from orbital texture, which has potential to transfer to spin flux. In last chapter of dissertation, we experimentally demonstrate theoretical prediction of the orbital Hall effect (OHE).

Magnetotransports in Spin-Orbit Coupled Semiconductors

전지훈 고려대학교 대학원 2020 국내박사

디지털 기술과 소셜 네트워크 (SNS)의 급속한 발전으로 인해 현대 사회는 처리해야 할 정보와 데이터의 홍수 현상에 직면하였다. 한편, 자율주행, 가상현실 (VR), 증강현실 (AR), 인공지능 (AI), 사물인터넷 (IoT) 등과 4차 산업혁명이라는 새로운 디지털 산업 기술의 출현으로 더 빠르고 효율적인 데이터 저장 및 처리 장치의 필요성은 증가하고 있다. 이러한 세태에 발맞춰, 각종 정보처리 장치들은 초소형, 초전력, 초고속화를 향해 진화하고 있다. 그러나, 제조 기술은 실리콘 기반의 상보성 금속산화막 반도체 (CMOS) 소자의 크기를 줄이는 데 한계에 봉착하였다. 더욱이, 고집적 회로에서 막대한 전력 소비와 작동 속도의 정체가 CMOS 기반 연산의 또 다른 심각한 문제로 떠오르고 있다. 이러한 현행 정보기술의 물리적 한계와 문제점은 CMOS를 넘어 정보 처리 기술의 새로운 패러다임의 요구에 직면했다. CMOS 외의 대안 중에서도 스핀트로닉스 (기존의 전자의 전하를 이용한 정보 처리 과정에 전자의 스핀을 도입한 새로운 기술)는 기존의 실리콘 기반 메모리 및 논리 장치를 대체하는 차세대 정보 기술의 대표적인 후보군이다. 스핀트로닉스에서는 스핀 전자의 “up” 과 “down”을 이진법으로 사용한다. 이러한 스핀 또는 자성 물질의 사용은 다른 정보 기술보다 강력한 비휘발성, 우수한 열 안정성, 초고속 작동 및 저전력 소비의 특징을 보인다. 지난 수십 년 동안 거대 자기 저항 (GMR), 자기 터널 저항 (TMR), 스핀 토크 전가 (STT)와 같은 획기적인 돌파구로 인해 주요 발전이 이루어졌다. 그 결과 최근에는 스핀트로닉스 기반의 자기 저항 메모리 (MRAM)는 임베디드 메모리로서 시장에서 그 자리를 차지하고 있다. 그러나, 여전히 쓰기 과정에서의 큰 전류 밀도가 필요한 점은 심각한 문제로 남아있다. 자화 스위칭 (쓰기 과정)을 위해 소비되는 전류가 크면, 메모리 장치를 구동하기 위한 전력 소비가 증가하고, 구동 회로를 구성하는 것이 어렵다. 따라서, 스핀 궤도 상호작용 (spin−orbit coupling)이 있는 시스템의 효과적인 스핀 전류 변환 및 조작에 대한 연구가 필요하다. 또한, 장기적으로 스핀의 특성에서 오는 비휘발성 및 재설정 가능한 특징을 적용하여 논리 연산과 메모리 역할을 결합한 차세대 능동 장치로 발전시키는 연구도 병행되어야 한다. 본 논문에서는 네 가지 연구 주제를 다룬다. 먼저, 화합물 반도체 InAs에서 스핀 전류의 주입 및 조작에 관한 연구가 제시된다. 비자성 금속에서의 스핀 홀 효과 (spin Hall effect)에 의해 순수 스핀 전류가 InAs로 주입되며, InAs 채널로 주입된 스핀 전류는 외부 자기장과 gate 전압으로 소자의 Rashba 스핀 궤도 상호작용 (spin−orbit coupling)을 조절하여 수송 상태를 제어하였다. 또한, 스핀 신호의 검증은 Rashba 및 Zeeman 효과에서 비롯된 스핀 세차 운동의 명확한 이해를 포함한다. 논문의 두 번째 부분에서, 강유전체 벌크 Rashba 반도체로 분류되는 GeTe를 이용하여 SOT-MRAM의 기본 작동 구조인 일반 금속/자성 금속 구조에서 second harmonic 측정 spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR) 측정법을 통해 spin-torque의 크기를 밝혀냈다. Field-like torque (BFL/J)는 +12.0 mT/(107 A cm-2)로 추정되며, 이는 전형적인 중금속에서의 결과보다 몇 배 더 크다. 또한, 일반적으로 spin-torque는 자성층의 두께에 반비례하는데, GeTe는 자성층의 두께 의존성이 약하다는 흥미로운 사실을 확인했다. 이는 계면 효과 또한 스핀 전류원 임을 시사한다. 그뿐만 아니라 연구를 저차원 나노소재를 이용한 자기 수송 특성으로 확장하여, 이차원 층상 물질 WTe2의 Shubnikov-de Haas oscillation 분석을 통해 유효 질량을 구했다. 마지막으로, InAs 나노선의 avalanche 효과를 자기장을 통해 제어하여 자기 스위치 소자를 개발하였고, 이 특성을 이용하여 저장 장치와 논리 소자가 합쳐진 차세대 비휘발성 논리소자로서의 가능성을 보여주었다. 이러한 연구는 현 산업계에서 요구하는 차세대 반도체 소자 연구의 연장선이며, 앞서 언급한 문제들을 극복하는 것과 관련된 결과들을 보여주었다. 스핀 궤도 상호작용을 이용한 반도체 장치는 향후 전자공학 발전에 이바지할 것이다. 특히, 종래의 CPU와 메모리를 발전시키기 위한 새로운 방향을 제시 할 수 있을 것으로 기대된다. In line with the rapid development of digital technologies and social networks, the amount of information and data to process is rapidly increasing in modern society. Meanwhile, the advent of new digital industrial technologies called industry 4.0, e.g., the autonomous driving, virtual reality (VR), augmented reality (AR), and the internet of things (IoT), has brought up ever increased demand for faster and more efficient data storage and processing devices. In this regard, information processing devices are evolving toward ultra-small, ultra-low power, and high-speed. However, manufacturing technology is facing fundamental limits of silicon-based complementary metal oxide semiconductor (COMS) scaling. Furthermore, huge power consumption in highly integrated circuits and the stagnation in operation speed are emerging as another severe issue of modern CMOS-based computation. Such physical limitations and issues the incumbent information technology faces cell for a new paradigm for information processing beyond CMOS. Among alternatives beyond-CMOS, spintronics – a new technology employing electronics spin for information processing in addition to electron charge as in conventional electronics – is considered as a serious contender for the next-generation information technology to replace conventional silicon-based memory and logic devices. Spintronics utilize spin electrons being either “up” or “down” as binary bits. The use of spin or magnetic materials provides features of non-volatility, excellent thermal stability, ultrafast operation, and low power consumption robust than other kinds of information technologies. For the last decades, key advances have been made owing to remarkable breakthroughs such as Giant magnetoresistance (GMR), tunneling magnetoresistance (TMR), and spin-transfer torque (STT). Recently magnetic random access memory (MRAM) based on spintronics has taken its place on the market as embedded memory. However, a severe issue that is the large current density for writing remains to be solved. If the magnitude of the current consumed for magnetization switching (writing process) is large, an increase in power consumption to drive memory device is caused and it is difficult to configure a driving circuit in a memory device. Therefore, researches on the effective charge to spin conversion and manipulation of systems with spin−orbit coupling are required. Furthermore, in the long term, through the application of spin properties such as non-volatility and configurability, research to develop into an active device that combines the role of computation and memory should also be conducted in parallel. In this dissertation, four different research subjects are covered. First, studies on the injection and manipulation of spin currents in compound semiconductors of InAs are presented. The injection of the pure spin currents into the InAs is demonstrated using the spin Hall effect in non-magnetic metals, and the manipulation of its flow in the InAs channel is succeeded through tailored Rashba-type spin-orbit coupling by means of external magnetic fields and gate voltages. Furthermore, the verification of the spin signal includes a definite understanding of the spin precession originating from the Rashba and Zeeman effect. In the second part of the dissertation, a ferroelectric bulk Rashba semiconductor, GeTe, revealed the scale of spin-torque by using second harmonic measurement and spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR) measurement by using a normal metal (NM)/ferromagnet (FM) bilayer structure, which is the basic operating structure of SOT-MRAM. As a result, an estimated field-like toque (BFL/J) is +12.0 mT/(107 A cm-2), which is many times larger than a typical heavy metal. Furthermore, in general, spin-torque is inversely proportional to the thickness of the FM layer, whereas a GeTe confirmed the interesting fact that the thickness dependence of the FM layer is weak. This suggests that the interfacial effect is also a spin current source. To extend the research to advanced nanomaterial, two-dimensional layered material and nanowire were introduced into the study. The effective mass of a WTe2, two-dimensional transition metal dichalcogenide, was determined by the temperature dependence of the Shubnikov-de Haas oscillation analysis. Finally, we developed the magnetic switch device that controls the avalanche effect of InAs nanowire by the external magnetic field and its feature shows the possibility as a next-generation non-volatile logic device that combines storage and a logic function. Our studies were an extension of the next-generation semiconductor device research required by the current industry, and have shown the results related to overcoming the aforementioned problems. Spin−orbit coupled semiconductor devices will contribute to improving electronics in the future. In particular, it is expected to be able to provide a new direction to advance the conventional CPU and memory device.

Study on Electrical Detection and Control of Magnetic Domain Walls

이성협 서울대학교 대학원 2023 국내박사

수직자기 이방성을 가진 강자성 금속 필름은 오랫동안 메모리 응용 기능에 있어 주목을 받아왔다. 높은 이방성 때문에 자기 도메인들이 열에 취약하지 않을뿐더러 자기 도메인 또한 더 많이 밀집될 수 있다. 얇은 박망 형태의 구조에서 수직 자기이방성은 나노미터 이하의 수준과 계면에 아주 민감한 특성을 가지고 있다. 결과적으로 이러한 박막을 제작하기 위해서는 불순물이 없는 환경과 두께의 정밀한 제어가 필요하다. 수직자기 이방성을 띠는 시료에서, 자구벽의 전기적인 신호에 대한 물리적인 메커니즘과, 차세대 메모리 응용을 위해서도 연구가 진행되어왔다. 특히 자구벽을 전류를 통해 감지하고 조절하는 것은 이진 상태인 자화의 방향을 읽고 전달하는데 있어 중요하다. 자구벽의 전기적 감지 메커니즘에 대해 비정상 홀 효과가 제안되었고 자화의 방향을 결정하는데 사용되었다. 자구벽의 전기적 제어에 대한 물리적 메커니즘에 대한 연구들은 자구벽을 효율적으로 제어하는데 중요한 파라미터들을 제안하였다. 그 중 하나는 자구벽을 전류로 움직이는 주요한 원천인 스핀-오빗 토크이다. 다른 하나는 자구벽을 카이럴한 닐월로 만들어주는 쟐로샨스키-모리야 상호작용이다. 스핀-오빗 커플링으로부터 기인하는 이러한 파라미터 들은 금속 다층시스템에서의 중금속이나, 중금속과 강자성 금속 계면에서 발생하게 된다. 그들의 메커니즘이 공유되기 때문에, 효율적인 전류 인가 자구벽을 구현하기 위해 두 파라미터를 독립적으로 제어하는 것이 어렵다. 이러한 파라미터를 어떻게 조절하는지 찾은 후에, 우리는 자구벽의 정확한 위치제어에 초점을 기울였다. 강자성 필름에 무작위로 존재하게 되는 피닝 사이트들 때문에, 자구벽은 외부에서 인가하는 전류에 대한 이동거리가 확률적으로 변하게 된다. 자구벽의 랜덤한 이동거리를 제어하기 위해서 2차원적인 지형적 제약조건을 포함해서 많은 연구들이 보고되었다. 그러나 지형적인 노치를 사용하는 것은 디바이스의 끄트머리에 데미지를 줄수 있고, 더 높은 전류 밀도를 필요로 하게 된다. 챕터 2는 강자성층의 두께를 모노레이어 이하의 두께 레솔루션으로 제어하기 위한 스퍼터링 시스템 셋업에 관해 설명한다. 실시간으로 증착된 두께를 확인하며 컴퓨터 기반으로 셔터 스위치를 제어하는 시스템이 설치되었다. 극 자기광 커 효과 현미경을 이용하여 우리는 증착된 필름에 존재하는 자구벽의 동역학적 특성을 비교하였으며, 이는 긴 시간동은 합리적인 재현성을 보여주었다. 챕터 3은 자구벽을 비정상 홀 효과를 통해 전기적으로 감지하는 것에 초점을 기울였다. 홀전압과 자구벽의 위치간의 경험적인 관계가 세가지 다른 방식의 분석을 통해 유도되었다. 첫번째로, 자구벽의 홀시그널이 홀바 바깥에서도 측정된다는 것을 관찰했다. 와이어 너비와 홀바너비의 다양한 조합을 가지고 자구벽의 전기적 감지 범위가 실험적으로 분석되었다. 그 다음으로 지형적인 파라미터들과 감지범위 간에 관계를 찾기 위해, 뉴메리컬한 시뮬레이션이 수행되었다. 마지막으로 우리는 우리 실험 상황에 적용하기 위해 분석적인 수식을 변형하였다. 이 세가지 다른 접근들의 일치와 함께 경험적인 관계가 제안되었다. 챕터 4는 자구벽의 전기적 제어에 관해 논의한다. 다양한 샘플 구조들에서부터 금속층의 두께 제어까지의 조사를 통해 우리는 스핀-오빗 토크를 제어하기 위한 전략을 제시하였다. 비록 스핀-오빗 토크를 제어하는 것이 삼중층의 구조를 바꿈으로써 제어하는 것은 어려웠지만, 오롯이 물질의 두께를 제어함으로써 스핀-오빗 토크를 제어하는 것이 가능했다. 이 방법을 통해 쟐로샨스키-모리야 상호작용의 유효한 필드가 어떤 명백한 변화를 주지 않고, 스핀-오빗 토크의 크기만을 제어함으로써 자구벽의 운동방향을 제어할 수 있었다. 챕터 5는 챕터 4의 결과에 기반해서 자구벽의 전기적 위치제어에 대해 연구를 진행하였다. 이전 챕터의 결과와 H.-S. Whang 의 아이디어의 혼합으로부터 우리는 자구벽을 스핀-오빗 토크 변조경계에 자구벽을 고정시키는 방법과 한쪽방향으로 자구벽을 이동시키는 방법을 제시하였다. 스핀-오빗 토크 변조 경계에서 자구벽의 디피닝은 극 자기광 커 효과 현미경을 이용해 관찰되었다. 스핀-오빗 토크 변조 경계에서의 자구벽 피닝을 확인한 후에 자구벽을 한쪽 방향으로 움직이도록 하기 위해 비대칭적인 변조 경계 디자인을 제작하였다. 챕터 6은 이러한 스핀-오빗 토크 변조 경계를 통해 자구벽의 정확한 위치제어를 수백 나노미터에 달하는 나노와이어를 만들어서 그 소자의 작동을 확인할 수 있었다. Metallic ferromagnetic film with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) has long been highlighted by its utility in memory applications. Because of its high anisotropy, not only the thermal stability of magnetic domains can be easily achieved but also capacity of magnetic domains is made more densely. Because PMA in magnetic thin film structure is very sensitive to the thickness of ferromagnetic layer which is order of sub-nanometer and interface to the adjacent metal layer. As a result, we need for pure environment and well-controlled thickness of deposition. Within these PMA system, electrical response of magnetic domain walls (DWs) has long been studied for its fruitful underlying physical mechanisms and needs for next-generation memory applications. Especially, detecting and controlling the magnetic domain wall through electrical charge current is important for transferring magnetic domain to read the status of local magnetization which is binary state. For the electrical detecting mechanism of magnetic domain walls, anomalous Hall effect (AHE) has been provieded and used in determining the direction of magnetization. For the electrical control of magnetic domain walls, efforts to shed light on the physical mechanism has proposed the key parameters to efficiently control the DWs. One is spin-orbit torque (SOT) which is the main source pushing DWs via electric current. The other is Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), which makes the DW as chiral Neel wall. These parameters which are originating from spin-orbit coupling are mainly generated from the heavy metal layer or heavy metal/ ferromagnetic metal interface in metallic multilayer system. As their mechanisms are shared, it is not easy to achieve the efficient current-induced domain wall motion by regulating these two key parameters independently. After we find how to control these parameters independently, we focus on the precise control of magnetic domain walls. To use magnetic DWs as a data bit, there is problem which is the randomness of DWs. Because of randomly distributed pinning sites in ferromagnetic film, DWs shows stochastic travel distance with respect to the injected driving force. To control the random positionning problem of DWs, a number of studies has been reported, which include 2-dimensional geometrical constraints. However, using geometric notch can invoke the damage to the device edge and also needs for high current density. Chapter 2 describes on the development of sputtering system to control the thickness of ferromagnetic layer within sub-monolayer thickness resolution. Computer-controlled shutter switch with real-time quartz crystal monitor system was setup. By using polar magneto-optical Kerr effect microscopy, we compared the deposited magnetic thin film’s dynamic property of domain walls, which shows the resonable reproducibility maintained during a long period. Chapter 3 focuses on the electrical detection of magnetic domain walls via anomalous Hall effect. The empirical relation between Hall voltage and domain wall position was derived through the three different kinds of analyses. Firstly, we observe that the Hall signal of magnetic domain wall can be detected outside the Hall bar. With the various combination of wire width and Hall bar width was experimentally analysed. After then to find relation between geometric parameters and detection range through a number of sets of combination, a numerical simulation was implemented. Finally, we modify the analytical equation to apply our experimental situation. With all the coincidence of different kinds of approaches, empirical relation was suggested. Chapter 4 discusses about the electrical control of magnetic domain walls. From the exploration of diverse sample structures, here we provide the strategy to control the spin-orbit torque. Though controlling the spin-orbit torque was hard by changing the structure of trilayer, it was possible to solely control the spin-orbit torque by chaning the thickness of material. With this, the effective field of DMI didn’t show any evident variation. Chapter 5 studied on the position control of DWs, based on the result of chapter 4. From the result of prior chapter and the idea of H.-S. Whang, here we provide the way to pin the DWs at SOT-modulation boundary, and depin the DWs only in unidirection. DW pinning at the SOT-MB was firstly observed by using our P-MOKE microscope. After achieving the pinning at the SOT-MB we made the asymetric design of SOT-MD to make the DWs prefer unidirection motion. Chapter 6 experimentally proves that SOT-modulation boundary mechanism can be used for the precise position control to the nano-sized device, which is the world record of control resolution. With all the result describes above, here we provide a new strategy to control the magnetic domain wall only by using electric charge current.

First-principles calculation of intrinsic anomalous hall conductivity and spin hall conductivity using localized pseudoatomic orbitals

오주원 Graduate School, Yonsei University 2020 국내석사

본 학위 논문에서는 원자 궤도함수의 선형조합을 기저로 한 제일원리 계산을 바탕으로 강자성체인 철, 코발트, 니켈에 대하여 특이 홀 전도도, 상자성체인 팔라듐, 백금에 대하여 스핀 홀 전도도에 대한 연구를 수행하였다. 특이 홀 전도도의 공식과 스핀홀 전도도의 공식을 원자 궤도함수의 선형조합을 기반으로 표현하였다. 몇 가지 계산변수들에 대하여 특이 홀 전도도의 수렴 테스트를 진행하였다. 철, 코발트, 니켈에 대하여 임의 홀 전도도를 계산하였고, 이를 실험 값과 이전 계산 값과 비교하였다. 팔라듐과 백금에 대하여 스핀 홀 전도도를 계산하였고, 이를 실험 값과 이전 계산 값과 비교하였다. 계산된 임의 홀 전도도와 스핀 홀 전도도 값들을 이전 선행논문에서 계산된 값들과 비교했을 때 거의 일치하는 것을 확인 할 수 있었다. 임의 홀 전도도와 스핀 홀전도로가 큰 물질들로 이루어진 합성물 계산을 미리 수행해 볼 수 있는데 이는 다양한 고체 물리 실험 연구에 활용될 수 있다. In this thesis, we study the intrinsic anomalous Hall conductivity (AHC) and the spin Hall conductivity (SHC) from first-principles calculations. We derive formulas of the intrinsic AHC and SHC using localized pseudoatomic orbitals. We test the convergence of the AHC of Co and Ni with respect to various parameters of the DFT calculation : the cut-off energy of real-space grids, k-point grid, the type of pseudopotentials, exchange-correlation functionals, and pseudoatomic orbital basis set. We calculate the intrinsic AHC of 3d ferromagnetic materials. Then, we compare our AHC calculations with experimental AHC and previous AHC calculations. We calculate the intrinsic SHC of Pd and Pt. Then, we compare our SHC calculations with experimental SHC and previous SHC calculations. Our research of the AHE and SHE can be applied to making new devices like a spin-transfer torque magnetic random access memory (STT-MRAM). Finally, We summarize our results and conclude this thesis.

Investigation and Control of Ultrafast Magnetic Phenomena

Pattabi, Akshay Bhimesh ProQuest Dissertations & Theses University of Cali 2020 해외박사(DDOD)

2차원 물질에서 베리 곡률과 대칭성이 전자의 동역학에 미치는 효과에 대한 연구

김경한 포항공과대학교 일반대학원 2021 국내박사

이 박사 학위 논문은 2차원 물질에서 베리 곡률과 대칭성이 전자의 동역학에 미치는 효과에 대해서 다루었다. 논문에서 다룬 두 가지 물질은 단층 전이금속 디칼코제나이드와 백금 박막으로 유한한 두께를 가지지만 충분히 얇기 때문에 2차원 물질로 생각할 수 있는 물질이다. 논문은 총 세 개의 장으로 이루어져 있으며, 각 장의 내용은 다음과 같다. 1장에서는 결정 구조에서의 베리 곡률과 대칭성에 대해 소개하고, 2차원 물질을 계산하는 데 이용한 방법에 대해 기술한다. 2장에서는 단층 전이금속 디칼코제나이드에서 나타나는 베리 곡률과 대칭성의 효과에 대해 조사한다. 3장에서는 백금 박막에서 나타나는 양자 유한 크기 효과를 확인하고, 이를 베리 곡률과 대칭성의 관점에서 조사한다. 2장과 3장에 대한 자세한 요약문은 아래와 같다. 2장: 단층 전이금속 디칼코제나이드 물질에서의 밸리/스핀 동역학 1H 위상의 단층 전이금속 디칼코제나이드 물질은 육각형의 결정 구조로 이루어져 밸리 자유도를 가진다. 이 물질은 반전 대칭성이 깨져 있고 큰 스핀-궤도 결합이 존재하기 때문에 각 밸리에서 상당한 크기의 스핀 갈라지기가 나타난다. 이때, 각 밸리는 브릴루앙 영역에서 직접 띠틈이 존재하는 K 또는 K' 높은 대칭점이다. 이러한 이유로 전이금속 디칼코제나이드는 스핀트로닉스, 밸리트로닉스, 광전자공학에 적합한 물질이다. 우리는 단층 전이금속 디칼코제나이드의 대칭성이 변하면서 나타나는 베리 곡률 효과에 대해 조사하였다. 단층 전이금속 디칼코제나이드 물질은 2차원 평면을 거울면으로 갖는 Mz 거울 대칭성을 갖는다. 그 중 몰리브덴 원자를 포함하는 전이금속 디칼코제나이드에서 우리는 스핀-궤도 결합이 크더라도 가장 낮은 전도띠에서 Mz 거울 대칭성으로 유지되는 제2형 마디선 띠 교차가 존재함을 확인하였다. 기존에 알려진 대부분의 마디선 띠 교차가 존재하는 물질에서 스핀-궤도 결합을 도입했을 때 띠틈이 열리는 것을 생각하면, 이는 흥미로운 결과이다. 다음으로 단층 이황화 몰리브덴에서 Mz 거울 대칭성이 깨졌을 때 나타나는 밸리/스핀 홀 효과에 대해 조사하였다. 일반적으로 Mz 거울 대칭성은 물질을 기판 위에 올리거나, 물질에 수직한 방향으로 게이트 전압을 걸어주면 깨지게 된다. 우리는 이러한 거울 대칭성 깨짐에서 나타나는 스핀-운동량 결합 효과를 kp 모형 하밀토니안을 이용하여 직접 띠틈이 존재하는 밸리에서 살펴보았다. 계산 결과 거울 대칭성이 깨지면서 나타나는 베리 곡률이 기존에 알려진 거울 대칭성이 존재할 때의 베리 곡률보다 훨씬 크다는 것과, 이 때 나타나는 베리 곡률이 미러 대칭성을 깨는 게이트 전압의 제곱에 비례함을 확인하였다. 위의 결과로부터 우리는 최근 보고된 게이트 전압을 이용하여 밸리 홀 효과를 제어하는 실험에서 원인을 알 수 없었던 게이트 전압 의존성을 설명할 수 있었다. 마지막으로 단층 이황화 몰리브덴에 지그재그 또는 암체어 방향으로 변형을 가했을 때 나타나는 대칭성 깨짐 효과에 대해 조사하였다. 지그재그 또는 암체어 방향으로 변형이 가해지게 되면 단층 이황화 몰리브덴에 존재하는 C3 회전 대칭성이 깨지고 2차원 상에서 오직 하나의 거울 대칭성만 남게 된다. 이러한 상황에서 외부 전기장을 특정 방향으로 걸어주게 되면 베리 곡률 쌍극자가 유도된다는 것과, 이것이 궤도 자기화와 밀접한 연관이 있어 자기 전기 효과를 만든다는 것을 확인하였다. 유도된 자기화를 측정하는 방법 중 하나인 커 회전 현미경법을 이용한 실험에서 변형 방향에 따라 서로 반대의 베리 곡률 쌍극자가 유도된다는 것을 확인하였고, 이는 우리의 이론적인 예측과 일치하였다. 또한 결과를 통해 우리는 기존의 시간 역전 대칭성이 존재하는 물질에서 나타나는 비선형 홀 효과에 대한 직관적인 해석을 제시하였다. 3장: 백금 박막에서의 스핀 동역학 중금속 중 하나인 백금은 스핀-궤도 결합이 크고 고유 스핀 홀 전도도가 큰 물질로 다양한 실험에서 스핀 전류를 생성 또는 검출하는 데 사용되고 있다. 최근에는 많은 스핀 홀 실험에서 박막 형태의 얇은 백금을 사용하게 되면서, 백금에서의 스핀 확산 길이를 정확하게 아는 것이 중요한 문제가 되었다. 왜냐하면 물질의 두께가 스핀 확산 길이보다 충분히 두껍지 않은 경우, 실험 결과를 해석하는 데 스핀 확산 길이가 크게 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 두께 의존성을 측정한 다양한 실험에서 백금의 스핀 확산 길이를 추정하였고, 그 값은 1 나노미터부터 14 나노미터까지 보고되면서 아직 논란이 있는 상황이다. 지금까지 백금 박막에서의 스핀 확산 길이에 대한 실험적 또는 이론적 연구는 스핀 전류가 확산되는 과정에서의 두께 의존성을 고려하였고, 스핀 전류를 생성하는 스핀 홀 전도도의 값은 두께에 의존하지 않는 체적 효과로 생각하였다. 우리는 백금 박막에서 확산을 고려하지 않은 채, 고유 스핀 홀 전도도의 두께 의존성을 이론적으로 조사하였다. 스핀 동역학에 대한 분석을 위해 백금 박막과 백금/코발트 이질 구조에서 스핀 홀 전도도, 스핀 축적 그리고 스핀 돌림힘을 계산하였고, 이는 스핀 연속 방정식으로 연결되어 있음을 확인하였다. 계산 결과 고유 스핀 홀 전도도 자체에 상당한 두께 의존성이 있음을 확인하였고, 이는 기존의 스핀 확산 방정식으로 박막에서의 고유 스핀 홀 효과에 대한 두께 의존성을 해석하는 것이 충분하지 않다는 것을 의미한다. 우리는 고유 스핀 홀 전도도의 두께 의존성을 양자 유한 크기 효과로 해석하였다. 무한한 체적과 유한한 박막에는 몇 가지 차이점이 존재한다. 우선 박막의 경우 두께 방향으로 주기적 경계 조건이 깨져 있기 때문에 결정 운동량이 정의되지 않고, 체적에서의 3차원 전자띠 구조는 2차원 결정 운동량 공간으로 투영되어야 한다. 그리고 체적에서 존재하는 대칭성이 박막 구조에서는 유지되지 않고 깨질 수 있다. 결론적으로 양자 유한 크기 효과는 전자띠 구조를 바꾸게 되고, 이는 전자띠 구조와 밀접한 연관이 있는 베리 곡률에 영향을 미쳐서 스핀 홀 전도도의 두께 의존성을 만든다. This doctoral dissertation deals with electron dynamics associated with Berry curvature and symmetry effects in two kinds of 2D materials. One is monolayer transition metal dichalcogenides (TMD) and the other is Pt thin film. These materials are not mathematically two-dimensional due to non-zero thickness, but they are thin enough to be considered as 2D materials because there is no crystal momentum along the thickness direction. The dissertation is composed of three chapters. In chapter I, we introduce basic concepts of Berry curvature and symmetry in crystal structure and calculational methods used to analyze 2D systems. In chapter II, we study the Berry curvature and symmetry effects in a monolayer MoS2. In chapter III, we study quantum finite size effect in a Pt thin film that makes it distinct from bulk Pt and is also related to the Berry curvature and symmetry. The detailed abstract for chapter II & III is as follows. Chapter II: Spin and valley dynamics in monolayer TMD 1H phase monolayer TMD material has a hexagonal crystal structure where the valley degree of freedom exists. However, unlike graphene where the valley degree of freedom also exists, inversion symmetry is intrinsically broken in the 1H phase monolayer TMD material and large spin-orbit coupling (SOC) induces considerable spin splitting at each valley that is the high symmetry point K or K' in the Brillouin zone with direct band gap. For these reasons, TMD is a good candidate material for spintronics, valleytronics and optoelectronics. We study the effect of Berry curvature in 1H monolayer MoS2 when its symmetry is changed. The monolayer TMD has an Mz mirror symmetry that reflects coordinate perpendicular to the plane of 2D system. In TMD materials with Mo transition metal atom, we find out that there exists type-II nodal line band crossing in the lowest conduction band that is protected by the Mz mirror symmetry in spite of the large SOC. It is interesting because most of the materials that have been reported to have nodal line band crossing show band gap opening in the nodal line when SOC is considered. Next, we study the valley and spin Hall effect from the Mz mirror symmetry breaking in monolayer MoS2. In general, the Mz mirror symmetry is broken when the material is placed on a substrate or external gate field is applied along the perpendicular direction. We investigate spin-momentum coupling effects from the mirror symmetry breaking in kp model Hamiltonian at each valley where direct band gap exists. Our calculation results show that Berry curvature from the mirror symmetry breaking is much larger than the one from pristine monolayer MoS2. We find out that there exists quadratic relation between the valley Hall effect and applied gate field. From the result, we can explain a recent experiment that reported gate voltage control of the valley Hall effect but they couldn't account for the gate voltage dependence. Finally, we investigate another symmetry breaking effect by applying strain along zigzag or armchair direction of 1H monolayer MoS2. When strain is applied along the zigzag or armchair direction, C3 rotational symmetry is broken and there remains only one in-plane mirror symmetry, like Mx. In this condition, we find out that Berry curvature dipole is induced by an external electric field and related to orbital magnetization that results in a magnetoelectric effect. From the Kerr rotation microscopy that measures the induced magnetization, it is verified that opposite Berry curvature dipole is induced depending on the direction of strain which agrees with our theoretical prediction. We suggest an intuitive interpretation of nonlinear Hall effect in time reversal symmetric system. Chapter III: Spin dynamics in Pt thin film Pt is a heavy metal with large SOC and exhibits large intrinsic spin Hall conductivity (SHC) that is used to generate or detect spin current in various experiments. Recently, many spin Hall experiments use thin film structure and it has become an important problem to determine the spin diffusion length of Pt because the analysis of the experiments depends critically on the ratio between the film thickness and the spin diffusion length. The spin diffusion length of Pt is estimated by various thickness dependent measurements, but there is still a controversy on the value of spin diffusion length with the reported length 1-14 nm. Until now, experimental and theoretical studies of the spin diffusion length attributed the measured thickness dependence entirely to the diffusion of spin current in Pt thin film and the SHC is considered as a thickness independent bulk property of Pt. We examine theoretically the thickness dependence of the intrinsic SHC in Pt thin film with no spin diffusion. For spin dynamics, we calculate SHC, spin accumulation and spin torque in Pt thin film and Pt/Co heterostructure and these three quantities are interconnected by the local spin continuity equation. Our result shows intrinsic thickness dependences of the SHC and indicates that the conventional spin diffusion equation is not enough to analyze the thickness dependence of the intrinsic spin Hall effect in heavy metal because the SHC itself has a considerable thickness dependence. We attribute the thickness dependence of the intrinsic SHC to the quantum finite size effect. There are several differences between infinite bulk and finite film systems. In the film structure, the crystal momentum along the thickness direction is not a good quantum number because the periodic boundary condition along the thickness direction is broken. As a result, 3D band structure should be projected to the 2D crystal momentum space. Symmetries from the bulk are also not preserved in film. These differences cause the mixing of different bands that are clearly separated by the 3D crystal momentum or symmetries in bulk. In conclusion, the quantum finite size effect changes electronic band structure that is closely related to spin Berry curvature, the origin of intrinsic spin Hall effect, and generates the thickness dependence in thin film structure.

Quantum Hall Effect in Graphene/Transition Metal Dichalcogenide Spin-Orbit System

Wang, Dongying The Ohio State University ProQuest Dissertations & 2021 해외박사(DDOD)

Van der Waals heterostructure based on stacking two dimensional materials gives rise to new possibilities for engineering multifunctional electronic and spintronic systems. While combining the merits of individual layers, heterostructures provide a platform for studying the interfacial interactions. In particular, significant effort has been made to increase the spin-orbit coupling in graphene by coupling it to transition metal dichalcogenides towards realizing topological electronic ground states.In this thesis, using quantum Hall measurements as a precise probe, we investigate the induced spin-orbit coupling (SOC) in graphene by the proximity to transition metal dichalcogenides (TMDCs) to achieve two main objectives:• Obtain signatures of an enhanced SOC in graphene by proximity to a semiconducting TMDC using quantum Hall measurements.• Study the modification that SOC brings into the graphene quantum Hall system, together with other striking interactions, such as Coulomb interaction, exchange coupling and superconducting correlation, which would be building blocks for engineering a graphene-based multifunctional system.To achieve such objectives, many efforts have been devoted to fabricating carefully designed samples, adapting and proposing experimental protocols based on quantum Hall measurements, and in the analysis and modeling of the signals.This thesis is organized as following: Chapter 1 briefly introduces the background of graphene and proximity induced SOC in graphene/TMDCs heterostructure and quantum Hall effect. In Chapter 2, we present the main experimental method of device fabrication.and characterization. Here, we will talk about the process of fabricating graphene/TMDCs van der Waals heterostructure with ultra-clean interface, and further introduce some basic idea in electrical transport measurements.In Chapter 3, we demonstrate enhanced SOC in bilayer graphene on WSe2 by quantum Hall measurements. We will show distinct Landau level crossing pattern in this system under a tunable displacement field over a wide range of carrier density. Within the single particle model, we isolate and quantify the Ising SOC and Rashba SOC strength and further bring up the effects of Coulomb interaction.To further study the interplay of Coulomb interaction with induced SOC in the quantum Hall system, we study a monolayer graphene on WSe2 system with in a Hartree-Fock model. In Chapter 4, we show the experimental details and theoretical analysis. The effective dielectric constant as well as the SOC parameters are extracted based on the model, showing consistency with previous work. In addition, a canted anti-ferromagnetic state to ferromagnetic state phase transition at n = 0 LL takes place at low field thanks to the presence of SOC.In Chapter 5, we move one more step forward by bringing exchange coupling into the spin-orbit system, towards realizing helical edge states. The introduction of Cr2Ge2Te6 enable us to directly probe the energy spectrum. We observe clear modifications in graphene's Landau level structure caused by proximity-induced spin-orbit coupling and exchange coupling, which are qualitatively in agreement with the single particle model.In addition, we also show our efforts towards topological superconducting states by introducing superconducting correlation in the graphene/TMDCs system. Premilitary results and proposals of further experiments are shown in Appendix D.

(The) magnetic properties and spin-Hall effect of CoFeB ferromagnetic layer

김동석 Graduate School, Korea University 2017 국내박사

최근의 반도체 산업은 Moore의 법칙이 무너지며 차세대 메모리의 개발을 서두르고 있다. 이론과 상용기술과의 간극은 계속 좁혀지고 소자 선폭의 한계영역에 도달한 결과, 저전력, 비 휘발성의 대체 메모리가 급부상 하였고, STT-MRAM은 가장 유력한 차세대 메모리 중 하나이다. MRAM에서 가장 중요한 부분은 자기터널접합 소자로 두 개의 자성층 사이에 절연층이 삽입된 샌드위치 구조를 갖고 있으며, 두 자성층의 자화방향이 서로 같을 때와 다를 때의 저항 변화를 이용한 스위칭 소자이다. 이때 자기저항비가 클수록 좋은 스위칭 소자라 할 수 있으며, 높은 자기저항비를 얻기 위해서는 CoFeB 과 MgO를 사용하는 것이 널리 알려져 있다. 최근 10년 동안의 연구로 양질의 자기터널접합을 얻는 기술은 확보되었으며, 이미 하드디스크 등의 TMR 센서로 사용되고 있다. 본 연구에서 주목한 점은 더 높은 에너지 효율을 갖는 소자를 연구하는 것이다. 높은 에너지 효율을 얻기 위해서는 수평자기 이방성이 아닌 수직자기이방성을 갖는 자성층을 사용해야만 하고, 이는 낮은 구동전류 및 높은 집적도를 위해 필수적이다. 이에 CoFeB/MgO 구조를 이용한 수직자기이방성을 연구하였다. FeZr 버퍼층을 사용한 경우 Ta버퍼를 사용한 경우보다 더 두꺼운 영역 까지 (<1.8 nm) 수직자기이방성을 확보하였고, Ta capping을 사용한 경우 표면수직자기이방성이 40 % 이상 증가됨을 확인하였다. 이는 본 연구에서 최초로 보고한 내용이며, 삼성전자에 기술이전 되어 소자로 구현된 바 있다. STT-MRAM의 또 다른 숙제는 손쉬운 자화반전이다. 자화반전에 사용되는 에너지가 적을수록 에너지 소모가 적은 소자를 구현할 수 있으며, 이를 위해 수평자기이방성에서 수직자기이방성으로 기술이 발전하였다. 기존 스핀필터링 효과를 이용한 스핀토크 인가에 더해 순수스핀전류를 인가함으로서 낮은 구동전류를 얻을 수 있다는 아이디어는 수년 전부터 활발히 연구되고 있다. 이에 본 연구에서는 스핀 홀 현상을 이용한 자화반전을 심도있게 연구하였고, 그 결과 수직자화층에 작용하는 토크들의 원인과 크기에 대한 정량화를 이루어내었고, 스핀홀효과의 효율을 나타내는 스핀 홀 앵글의 정량적인 측정법을 개발하였다. 이 측정법은 기존에 소개된 다른 측정방법에 비해 훨씬 간단하고, 빠르고, 정확하다는 장점이 있으며, 이는 차세대 메모리 개발에 기반이 되는 중요한 연구결과 이다. Spin-transfer-torque magnetic random access memory (STT-MRAM) attracts extensive attentions due to its non-volatility, high density and low power consumption. The main part of MRAM is magnetic tunnel junctions (MTJs) which include a CoFeB/MgO multi-layer. The magic of large tunneling magneto resistance (TMR) is occurred by the coherent tunneling between CoFe and MgO. The same crystal structure (bcc) give rise to high TMR ratio. Recently, the magnetic anisotropy control needed to the MRAM industry also. Because the perpendicular magnetic anisotropy gives the small magnetization reversal energy, and fast magnetization switching. Thus, the study of both perpendicular magnetic anisotropy and high TMR ratio is equally important. In this thesis, Perpendicular magnetic anisotropy was observed in sputtered FeZr/CoFeB/MgO multilayers. A thin paramagnetic amorphous FeZr layer was used as a buffer layer and perpendicular anisotropy was obtained by annealing the samples without an external magnetic field. The critical CoFeB thickness for perpendicular anisotropy was 1.8 nm; the anisotropy changes from out-of-plane to in-plane as the CoFeB thickness increases beyond this point. Perpendicular anisotropy was also enhanced when a Ta layer was capped on top of the MgO layer. The amorphous buffer provided better perpendicular anisotropy than previously reported Ta buffer, and it may be applied to perpendicular magnetization MRAM devices where good uniformity of tunnel junctions is required. The spin-Hall effect was observed in sputtered Ta/CoFeB/MgO and Pt/Co/Pt multi-layers. A Tantalum and Platinum has a large spin-orbit interaction itself and it induced a spin current to ferromagnetic layer. The role of each torques such as y- and z- directional magnetic field, induced current, and anisotropy torque is well considered. The new method for measuring a spin-Hall angle is developed. The spin Hall angle of Pt measured by new method is 0.045 and it is reliable value. The new method is very easy, fast, and correct compare with other reported method. It can be candidate for the spin-orbitronics well.

A Spin-Orbit Torque Induced Magnetic Dynamics

Yun, Deok Hyun 고려대학교 대학원 2022 국내박사

최근에 나노-단위 자성복합체에서 스핀-궤도 결합을 이용한 자기동역학 조정은 소자화 했을 때의 다양한 장점 때문에 주목 받고 있다. 그 장점으로는 높은 저장 밀도, 낮은 전력 소모량, 빠른 처리 속도 그리고 비 휘발성이 있다. 강한 스핀-궤도 결합이 있을 때, 스핀 홀 효과에 의해 중금속 내에 스핀 전류가 발생하고 인접한 강자성체로 주입되며 자기동역학을 여기 시킨다. 외부 자기장과 주입된 스핀 전류에 의한 스핀-궤도 토크의 크기와 주파수가 특정 조건을 만족시키면 스핀 파동 벡터가 0이되는 강자성공명 상태가 되고 이는 스핀-토크 강자성공명 현상이라고 불린다. 위와 같은 스핀-토크 강자성공명 현상을 통해 자성복합체의 자기 감쇄 상수, 자기 이방성 에너지, 유효 자화값, 스핀 홀 각 그리고 자기회전비 와 같은 기본적인 자성 특성을 분석할 수 있다. 본 논문에서는 스핀-토크 강자성공명을 이용한 전기적인 측정법을 통해 자성 물질의 기본적인 특성들을 조사하였다. 스핀-궤도 결합에 의한 자기회전비의 변화와 자기 감쇄 상수의 관계를 실험적으로 증명하였고, 자기 감쇄 상수의 내적/외적 요인들을 실험적으로 확인하였다. 또한 스핀-토크 강자성공명 상태에서 층간 교환 결합에 의해 나타나는 새로운 모드를 관측하였고 층간 교환 결합의 세기가 이 상태에 끼치는 영향을 확인하였다. 마지막으로 매크로스핀 시뮬레이션을 통해 해당 모드를 만드는데 필요한 층간 교환 결합의 세기를 정량적으로 확인하였고 초고주파 대역에서 동작하는 신호 탐지기로서의 가능성을 제시하였다. A spin-orbit coupling (SOC) inducing a magnetization dynamics in nano-scale magnetic heterostructure has been most popular research area recently due to their great advantages in device applicability properties such as high data storage density, low power consumption, fast data processing speed and non-volatility. Heavy metals (HMs) which have a strong SOC can generate spin current via a spin Hall effect (SHE) and the spin current is injected into the adjacent ferromagnet (FM) with exciting a magnetic dynamics. The change in magnetic dynamics is experimentally investigated with a spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR) measurement which providing a various magnetic parameters including magnetic damping (α), magnetic anisotropy (H_k), effective magnetization (4πM_eff), spin Hall angle (θ_SH) and gyromagnetic ratio (γ). In this dissertation, I experimentally investigates a magnetic properties in magnetic multilayers through the ST-FMR measurement. The relationship between gyromagnetic ratio and magnetic damping which influenced by unquenched orbital momentum is described in detail. To further investigation of magnetic damping, an intrinsic and extrinsic contribution to magnetic damping are quantitatively analyzed. Finally, I observed an optical mode in ferromagnetic resonance condition which represent an acoustic mode by modulating the interlayer exchange coupling strength. The strength of interlayer exchange coupling to arise an optical mode is quantitatively obtained by macro-spin simulation and the possibility as a signal detector operating in sub THz frequency band was presented.