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拓扑绝缘体/铁磁体异质结界面效应及动态磁行为研究。通过结合自旋扭矩铁磁共振（ST-FMR）和布里渊光散射（BLS）方法，发现Bi?Te?/Ni??Fe??异质结中自旋电荷转换效率随NiFe厚度增加显著提升（200%增强），BLS谱证实厚度依赖的磁波频率非线性磁场依赖和线性波矢色散关系，与Damon-Eshbach方程吻合。该成果为低功耗自旋晶体管（SOT）器件开发奠定基础。
作者：邵阳、魏增新、张一凡、张旭、曲瑞雪、张静、李景峰、高星森、寇旭峰、Gianluca Gubbiotti、吴浩
中国广东省东莞市松山湖材料实验室，邮编523808
摘要
拓扑绝缘体（TI）被认为是开发下一代自旋电子器件的有希望的候选材料，这主要归功于它们独特的电子结构特性。尽管TI的众多理论优势已有充分记录，但将其与传统的铁磁系统集成仍然是一个重大挑战。特别值得关注的是界面效应，TI与铁磁材料之间的界面相互作用尚未完全理解，从而限制了它们在自旋电子器件中的实际应用。Bi?Te?是一种传统的热电材料，同时也表现出拓扑特性。这两种特性一直是研究的重点。虽然其静态磁性质已有所报道，但二维（2D）Bi?Te?/Ni??Fe??界面处的动态自旋行为尚未被探索。本研究提出了一种结合ST-FMR和BLS方法的方法来填补这一知识空白。当NiFe厚度从4纳米增加到12纳米时，自旋-电荷转换效率（自旋霍尔角）提高了200%。BLS光谱显示，在固定磁场/波矢条件下，自旋波频率随厚度变化，表现出非线性的H依赖性和线性的k色散。这些依赖性通过使用Damon-Eshbach方程成功再现了平面磁化薄膜中的自旋波特性。我们的研究结果展示了Bi?Te?/Ni??Fe??双层结构的动态行为，并为利用界面效应开发低功耗自旋传输器件奠定了基础。
引言
自从理论预测出拓扑绝缘体（TI）[1]、[2]以及实验中发现HgTe[3]、[4]以来，这些令人着迷的特性吸引了越来越多的科学家的关注。作为新型量子物质[5]、[6]，TI表现出诸如表面态和体块内的带隙[7]等奇异性质。对于二维（2D）TI而言，由于边缘态受到保护，载流子可以无损耗地传输电流；而对于三维（3D）TI，可以利用量子化的磁电效应[8]。这些新特性在催化[9]、自旋传输[10]等领域具有巨大潜力。
在各种拓扑材料中，Bi?Te?因其众所周知的热电性质[11]、[12]、[13]而受到广泛关注，其卓越的热电性能几十年来一直吸引着理论和实验研究的兴趣[14]、[15]、[16]。同时，作为一种典型的三维（3D）拓扑绝缘体，Bi?Te?也因其拓扑表面态而重新受到研究人员的关注[17]、[18]。
随着石墨烯的出现以及二维（2D）材料的发展，人们对Bi?Te?的二维薄膜形式产生了极大的科学兴趣。除了其在体块中的出色物理性质外，2D Bi?Te?在下一代应用中也展现出巨大潜力，大量研究集中在探索其热电（TE）潜力[19]、[20]、[21]、[22]、[23]上。
后续研究越来越多地关注2D Bi?Te?薄膜的拓扑特性和潜在应用[24]。此外，Bi?Te?在光电探测器领域也引起了关注[25]。例如，由Bi?Te?、Bi?Se?和Bi?S?组成的异质结构表现出显著的高光响应性，使其成为光电探测器的有希望的候选材料[26]、[27]、[28]。
2D Bi?Te?薄膜因其固有的性质和二维结构而特别适合用于电子设备[29]、[30]。在催化领域，正在进行的研究正在探索基于Bi?Te?的材料的潜力[31]。最近的研究强调了其在自旋电子学中的潜力，例如在2D铁磁Fe?GeTe?/Bi?Te?异质结构中实现了室温下的光学太赫兹自旋电流生成[32]。此外，在Bi?Te?/NbSe?异质结构中观察到了马约拉纳模式的证据，其中Bi?Te?涡旋中心约20纳米长的区域在零偏压峰分裂中得到了证实[33]。
除了2D范德华异质结构外，将磁性层与Bi?Te?薄膜集成也引起了理论和实验研究人员的极大兴趣。众所周知，这类异质结构中的界面对其整体物理和功能特性起着关键作用。例如，用于热电设备的Ni/Bi?Te?结显示出改进的接触性能，具有低接触电阻和高热稳定性[34]。
在之前的研究中，考虑了Bi?Te?与Ni??Fe??的结合。Bhattacharjee等人研究了Bi?Te?对Ni??Fe??磁性质的影响，重点关注了晶体学表征和静态磁行为[35]、[36]。值得注意的是，2021年报告了在Bi?Te?/Ni??Fe??异质结构中发现了新的反铁磁（AFM）范德华（vdW）相[35]。后续研究深入探讨了Bi?Te?中不同程度的晶体结构无序对Bi?Te?/Ni??Fe??界面和磁特性的影响[36]。虽然Bhattacharjee等人[35]、[36]研究了静态磁性质，但Bi?Te?/Ni??Fe??（本研究中采用了不同的合金组成）界面的动态自旋行为尚未得到充分探索。在之前的工作中，通过自旋泵浦效应研究了Bi?Se?/Fe?Si和Fe/Bi?Te?异质结构中增强的自旋电流[37]。最近，在BiSbTe?.?Se?.?（BSTS）/Co??Fe??B??（CoFeB）双层结构中报道了吉尔伯特阻尼和共振条件的显著温度依赖性变化，这与温度依赖的传输特性有关[38]。这项工作突显了拓扑材料在操控磁化动力学方面的潜力[38]。全面理解这些异质结构（拓扑薄膜/铁磁薄膜（TI/FM）需要进一步探索它们的动态磁性质。本研究特别研究了Bi?Te?/Ni??Fe??异质结构的动态行为，采用了两种不同的测量方法。我们的工作通过结合ST-FMR和BLS方法填补了这一空白。ST-FMR/BLS的协同作用使得可以通过自旋霍尔角分解量化自旋扭矩效率，并直接观察厚度依赖的自旋波色散。
本研究重点关注由Bi?Te?和Ni??Fe??组成的异质结构的磁性质（在本文中，为了简洁起见，Ni??Fe??合金简称为NiFe）。选择了三种不同的NiFe厚度（4纳米、10纳米和12纳米）进行研究。这些异质结构通过多种技术进行了表征，包括振动样品磁强计（VSM）[39]、自旋扭矩磁共振（ST-FMR）测量[40]、[41]、[42]和布里渊光散射（BLS）[44]。ST-FMR数据表明，我们异质结构中的自旋轨道扭矩主要在NiFe与相邻层（Bi?Te?）的界面产生。通过观察NiFe厚度从4纳米增加到12纳米时自旋-电荷转换效率减半，确认了自旋轨道扭矩的界面起源。使用Damon-Eshbach方程[45]成功再现了BLS测量的自旋波频率对施加磁场和波矢的依赖性，该方程适用于平面磁化薄膜。
实验方法
在本文中，Bi?Te?薄膜是在2英寸Al?O?（0001）衬底上通过MBE生长方法制备的，基压为1×10?1? mbar [46]、[47]、[48]。生长前，Al?O?衬底在600°C下脱气以去除吸收的污染物，并使用束流监测器校准了通量比。生长过程中，衬底温度保持在200°C，高纯度Bi（99.9999%）和Te（99.9999%）从标准Knudsen细胞和热裂解细胞中共同蒸发。
结果与讨论
为了区分6纳米Bi?Te?对NiFe层的影响与NiFe本身的磁特性，并获得BLS测量所需的数据，我们在室温下使用VSM测量了SiO?/NiFe(4–16)/Pt(5)的平面磁滞回线，如图2所示。
如图2(a)所示，NiFe的厚度变化并未改变回线形状。然而，如图2(b)所示，饱和磁化强度从564.91 emu/cc增加。
结论
本研究主要通过磁性和光学测量技术研究了Bi?Te?(6)/NiFe (4/10/12)的性质。自旋到电荷的转换效率随材料厚度的增加而提高，在12纳米的临界厚度处达到峰值。这一现象表明界面效应比材料的体块性质更为重要。对于BLS测量，所有测量结果的自旋波频率谱中都观察到一个单一峰值。
CRediT作者贡献声明
邵阳：验证、调查、形式分析、数据管理。
魏增新：写作——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、数据管理。
张一凡：资源提供。
张旭：调查。
曲瑞雪：验证。
张静：验证、资源提供。
李景峰：监督、软件支持。
高星森：验证、资源提供。
寇旭峰：验证、监督、资源提供。
Gianluca Gubbiotti：写作——审阅与编辑、验证、监督、方法研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号2022YFA1402801）、国家自然科学基金（项目编号52271239和52311530674）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2022B1515120058、2024A1515140117）、广东省量子科学战略计划（项目编号GDZX2302003、GDZX2301002和GDZX2202001）、珠江人才引进计划（项目编号2023QN10C732）以及开放项目的支持。
