WTe2外尔半金属及其铁磁异质结构的分子束外延制备与自旋轨道矩研究

Due to the strong spin-orbit coupling and the topologically protected Fermi arc, Weyl semimetals like WTe2 show bright prospects in spin-orbit torque applications. To date, most of the studies on Weyl semimetals have utilized micrometer-sized flakes that are mechanically exfoliated from bulk crystals. This approach is unscalable, lack of thickness control, and easily leading to oxidation of the film surface. Based on our previous studies on the molecular beam epitaxy growth of high quality topological insulators, the proposed research works will focus on: (1) Using molecular beam epitaxy technique, we will investigate the influences of flux ratio, growth temperature and substrate template on the film growth of WTe2, and obtain large area, high quality WTe2 thin film through optimizing the growth parameters. (2) We will study both experimentally and theoretically the impacts of interfacial oxidation and interfacial diffusion on the spin-orbit torque efficiency in the WTe2/ferromagnet heterostructures, and realize high performance spin-orbit torques through regulating the interfacial properties. The achievements of this project will contribute to the Weyl semimetal applications in spintronics devices.

WTe2等外尔半金属因为具有强自旋-轨道耦合、受拓扑保护的表面态费米弧等，在自旋轨道矩器件方面具有重要的应用前景。目前人们主要是通过机械剥离块体材料来获得WTe2薄膜进行研究，但所得的材料存在尺寸小、厚度难以精确控制、表面易被氧化等问题。本项目计划在前期分子束外延制备高质量拓扑绝缘体薄膜的基础上，开展WTe2薄膜及其铁磁异质结构的可控制备与自旋轨道矩研究：（1）利用分子束外延技术，探索束流比、生长温度和基底表面化学架构等对薄膜结晶性及晶体取向性的影响规律，通过优化制备工艺获得大面积、高质量的WTe2外尔半金属薄膜；（2）通过实验和理论计算两方面研究界面氧化、界面扩散对外尔半金属/铁磁异质结构自旋轨道矩效率的影响，并通过调控外尔半金属/铁磁异质结构的界面质量实现高性能自旋轨道矩效应。本项目将为外尔半金属在自旋电子学领域的应用提供必要的材料基础和技术支持。

WTe2等外尔半金属因为具有强自旋-轨道耦合、受拓扑保护的表面态费米弧等，在自旋轨道矩器件方面具有重要的应用前景。目前人们主要是通过机械剥离块体材料来获得WTe2薄膜进行研究，但所得的材料存在尺寸小、厚度难以精确控制、表面易被氧化等问题。本项目围绕WTe2薄膜及其铁磁异质结构的可控制备与自旋轨道矩效应，研究了束流比对WTe2薄膜结晶性和成份配比的影响、生长温度对薄膜结晶性及取向性的影响规律、基底热退火和等离子清洗处理工艺、缓冲层工艺对薄膜生长的影响，并综合物理化学参量反馈优化了WTe2外尔半金属薄膜的制备工艺。设计了界面氧化、不同界面扩散程度以及具有反铁磁氧化物插层的异质结器件，利用二次谐波霍尔效应测试方法以及自旋轨道矩铁磁共振技术，探究了界面氧化、扩散以及反铁磁插层对自旋输运与自旋轨道矩的调控作用，研究了其自旋输运的影响机制，并最终实现了自旋轨道矩的大幅调控和增强的自旋轨道矩效应。主要结果包括四个方面：（1）WTe2外尔半金属薄膜的制备工艺；（2）探究了界面氧化、扩散以及反铁磁插层对异质结自旋轨道矩效率的影响规律，并在异质结中实现了增强的自旋轨道矩效率；（3）揭示了界面自旋轨道耦合作用会影响自旋流穿越界面时的散射过程，其对于自旋流穿越异质结界面的效率有重要影响；（4）阐明了一种低功耗的基于界面交换耦合以及反铁磁体内交换耦合来传递自旋轨道矩的新机制。本项目旨在通过调控束流比、生长温度、基底热退火和等离子清洗处理工艺以及缓冲层工艺，实现高质量WTe2薄膜的制备工艺，并通过研究界面氧化、扩散以及反铁磁插层对自旋输运以及自旋轨道矩的调控作用，最终实现自旋轨道矩的大幅调控和增强的自旋轨道矩效应，为进一步开发基于外尔半金属的自旋轨道矩器件奠定了基础。我们阐明了界面自旋轨道耦合以及界面磁耦合影响自旋流在异质结界面传输的微观影响机制，为开发基于自旋轨道矩效应的新型自旋电子器件提供新的技术、方法与思路。