ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №11

УДК: 537.9; 621.382; 539.23

СПИНТРОННЫЕ ТГЦ ЭМИТТЕРЫ

НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА И АНТИФЕРРОМАГНЕТИКОВ

А.Л. Алферьев ¹, А.В. Горбатова ¹, Е.А. Булавинцева ¹, А.И. Карцев ¹,

А.А. Климов ¹, А.М. Буряков ¹, Н.С. Гусев ², М.В. Сапожников ^1,2

¹ МИРЭА – Российский технологический университет,

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

² Институт физики микроструктур РАН,

603087, Россия, Нижегородская обл., Кстовский район, д. Афонино, ул. Академическая, д. 7

Статья поступила в редакцию 3 октября 2025 г.

Аннотация. Исследованы механизмы терагерцовой эмиссии в спинтронных ТГц-эмиттерах Co (3 нм), графен(Gr)/Co (3 нм) и Co (3 нм)/FeMn (5 нм), выращенных на кварцевых подложках. Магнитные свойства охарактеризованы в продольной геометрии магнитооптического эффекта Керра (МОЭК), динамика излучения – методом терагерцовой спектроскопии во временной области (THz-TDS). В Gr/Co интерфейс с графеном индуцирует перпендикулярную магнитную анизотропию; фаза ТГц-сигналов инвариантна к стороне накачки при фиксированной полярности магнитного поля, что указывает на доминирование сверхбыстрого лазерно-индуцированного размагничивания. При накачке со стороны подложки амплитуда возрастает приблизительно в 1.5 раза, тогда как при фронтальном облучении уменьшается примерно вдвое, что согласуется с различиями в оптическом/ТГц-поглощении. В Co/FeMn антиферромагнитный слой формирует выраженную одноосную анизотропию в плоскости и повышает коэрцитивность; инверсия фазы при смене стороны накачки свидетельствует о преобладании обратного спинового эффекта Холла. Обменное смещение при выбранных толщинах и без термообработки не обнаружено. Дополнительно выявлена асимметрия петель ТГц-гистерезиса в Co/FeMn, указывающая на присутствие четных по намагниченности вкладов в эмиссию. Результаты подчеркивают ключевую роль интерфейсной инженерии в структурах Co/антиферромагнетик и Gr/Co для управления спин-зарядовой конверсией и параметрами ТГц-эмиттеров.

Ключевые слова: спинтронный ТГц-эмиттер, сверхбыстрое размагничивание, обратный спиновый эффект Холла, графен, FeMn, перпендикулярная магнитная анизотропия, МОЭК, ТГц-спектроскопия.

Финансирование: Исследование параметров ТГц-спинтронных генераторов было выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-79-10302). Разработка и изготовление спинтронных структур методом магнетронного напыления – при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSFZ-2025-0002). Создание и первичная характеризация образцов проводилась с использованием оборудования ЦКП “Физика и технология микро- и наноструктур” (ИФМ РАН).

Автор для переписки: Алферьев Артем Леонидович, alferev@mirea.ru

Литература

1. Heimel G., Brédas J.-L. Reflections on charge transport // Nature Nanotechnology. – 2013. – Т. 8. – № 4. – С. 230–231. https://doi.org/10.1038/nnano.2013.42

2. Horiuchi N. On-chip dual-comb source // Nature Photonics. – 2016. – Т. 10. – № 6. – С. 359. https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.115

3. Papaioannou E.Th., Beigang R. THz spintronic emitters: a review on achievements and future challenges // Nanophotonics. – 2021. – Т. 10. – № 4. – С. 1243–1257. https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0563

4. Khusyainov D., Ovcharenko S., Gaponov M. et al. Polarization control of THz emission using spin-reorientation transition in spintronic heterostructure // Scientific Reports. – 2021. – Т. 11. – № 1. – С. 47 – 54. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80781-5

5. Kampfrath T., Kirilyuk A., Mangin S. et al. Ultrafast and terahertz spintronics: Guest editorial // Applied Physics Letters. – 2023. – Т. 123. – № 5. – С. 050001. https://doi.org/10.1063/5.0167151

6. Khusyainov D., Ovcharenko S., Buryakov A. et al. Composite Multiferroic Terahertz Emitter: Polarization Control via an Electric Field // Physical Review Applied. – 2022. – Т. 17. – № 4. – С. 044025. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.044025

7. Buryakov A.M., Mishina E.D., Lebedeva E.D. et al. Spin valve as THz emitter providing amplitude modulation // APL Materials. – 2024. – Т. 12. – № 10. – С. 100–105. https://doi.org/10.1063/5.0221982

8. Bull C., Hewett S.M., Ji R. et al. Spintronic terahertz emitters: Status and prospects from a materials perspective // APL Materials. – 2021. – Т. 9. – № 9. – С. 091114. https://doi.org/10.1063/5.0057511

9. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V. et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science. – 2004. – Т. 306. – № 5696. – С. 666–669. https://doi.org/10.1126/science.1102896

10. Мирзоева Е.Т., Кудрявцев А.В. Первопринципный расчет электронной структуры монослоя CeI₃ // Russian Technological Journal. – 2025. – Т. 13. – № 4. – С. 47–54. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2025-13-4-47-54

11. Eginligil M., Cao B., Wang Z. et al. Dichroic spin–valley photocurrent in monolayer molybdenum disulphide // Nature Communications. – 2015. – Т. 6. – № 1. – С. 8642. https://doi.org/10.1038/ncomms8636

12. Mak K.F., He K., Shan J. et al. Control of valley polarization in monolayer MoS2 by optical helicity // Nature Nanotechnology. – 2012. – Т. 7. – № 8. – С. 494–498. https://doi.org/10.1038/nnano.2012.96

13. Estevez-Torres A., Rondelez Y. Spatially localized DNA domino // Nature Nanotechnology. – 2017. – Т. 12. – № 9. – С. 842–843. https://doi.org/10.1038/nnano.2017.157

14. Panda S.N., Majumder S., Choudhury S. et al. Femtosecond laser-induced spin dynamics in single-layer graphene/CoFeB thin films // Nanoscale. – 2021. – Т. 13. – № 32. – С. 13709–13718. https://doi.org/10.1039/d1nr03397b

15. Idzuchi H., Iihama S., Shimura M. et al. Spin injection characteristics of Py/graphene/Pt by gigahertz and terahertz magnetization dynamics driven by femtosecond laser pulse // AIP Advances. – 2021. – Т. 11. – № 1. – С. 015014. https://doi.org/10.1063/9.0000114

16. Cheng L. et al. Far out-of-equilibrium spin populations trigger giant spin injection into atomically thin MoS2 // Nature Physics. – 2019. – Т. 15. – № 4. – С. 347–351. https://doi.org/10.1038/s41567-018-0406-3

17. Buryakov A.M., Gorbatova A.V., Avdeev P.Y. et al. Hybrid Co/2D-WSe2-based THz spintronic emitter with tunable polarization // Applied Physics Letters. – 2025. – Т. 127. – № 5. – С. 052402. https://doi.org/10.1063/5.0274793

18. Khusyainov D., Guskov A., Ovcharenko S. et al. Increasing the Efficiency of a Spintronic THz Emitter Based on WSe2/FeCo // Materials. – 2021. – Т. 14. – № 21. – С. 6479. https://doi.org/10.3390/ma14216479

19. Schmidt U., Dieing T., Ibach W. et al. A Confocal Raman-AFM Study of Graphene // Microscopy Today. – 2011. – Т. 19. – № 6. – С. 30–33. https://doi.org/10.1017/S1551929511001192

20. Shi Y., Dong X., Chen P. et al. Effective doping of single-layer graphene from underlying SiO2 substrates // Physical Review B. – 2009. – Т. 79. – № 11. – С. 115402. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.115402

21. Berger A.J., Amamou W., White S.P. et al. Magnetization dynamics of cobalt grown on graphene // Journal of Applied Physics. – 2014. – Т. 115. – № 17. – С. 17C511. https://doi.org/10.1063/1.4864742

22. Yang H., Vu A.D., Hallal A. et al. Anatomy and Giant Enhancement of the Perpendicular Magnetic Anisotropy of Cobalt–Graphene Heterostructures // Nano Letters. – 2016. – Т. 16. – № 1. – С. 145–151. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b03392

23. Фещенко А.А. и др. Влияние толщины и легирования вольфрамом антиферромагнитных слоев Cr–Mn на микроструктуру и гистерезисные свойства пленок типа Cr–Mn/FM (FM = Fe, Fe₂₀Ni₈₀, Fe₁₀Co₉₀, Fe₆₀Co₂₀B₂₀) // Физика твердого тела. – 2025. – Т. 67. – № 6. – С. 1101–1111. https://doi.org/10.61011/FTT.2025.06.60962.19HH-25

24. Beaurepaire E., Turner G.M., Harrel S.M. et al. Coherent terahertz emission from ferromagnetic films excited by femtosecond laser pulses // Applied Physics Letters. – 2004. – Т. 84. – № 18. – С. 3465–3467. https://doi.org/10.1063/1.1737467

25. Буряков А.М., Горбатова А.В., Авдеев П.Ю. et al. Спинтронный терагерцевый эмиттер на основе двумерного полупроводникового диселенида вольфрама // Письма в журнал технической физики. – 2022. – Т. 48. – № 18. – С. 19. https://doi.org/10.21883/PJTF.2022.18.53393.19246

26. Konschuh S., Gmitra M., Fabian J. Tight-binding theory of the spin-orbit coupling in graphene // Physical Review B. – 2010. – Т. 82. – № 24. – С. 245412. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.245412

27. Šipr O., Minár J., Mankovsky S. et al. Influence of composition, many-body effects, spin-orbit coupling, and disorder on magnetism of Co-Pt solid-state systems // Physical Review B. – 2008. – Т. 78. – № 14. – С. 144403. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.144403

28. Tahir M. et al. Enhancement of spin current to charge current conversion in Ferromagnet/Graphene interface // arXiv preprint arXiv:2404.16595. – 2024. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.16595

29. Cunha R.O., Garcia-Basabe Y., Larrude D.G. et al. Unraveling the Spin-to-Charge Current Conversion Mechanism and Charge Transfer Dynamics at the Interface of Graphene/WS2 Heterostructures at Room Temperature // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2024. – Т. 16. – № 2. – С. 2345–2354. https://doi.org/10.1021/acsami.4c08539

30. Abdukayumov K., Mičica M., Ibrahim F. et al. Atomic-Layer Controlled Transition from Inverse Rashba–Edelstein Effect to Inverse Spin Hall Effect in 2D PtSe2 Probed by THz Spintronic Emission // Advanced Materials. – 2024. – Т. 36. – № 14. – С. 2401243. https://doi.org/10.1002/adma.202304243

31. Avdeev P.Y., Gorbatova A.V., Lebedeva E.D. et al. Competing mechanisms of polarization-controlled terahertz emission in Co/Mo spintronic bilayers // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2025. – Т. 58. – № 38. – С. 385003. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ae0345

32. Yao Z., Fu H., Du W. et al. Magnetization-induced optical rectification and inverse spin Hall effect for interfacial terahertz generation in metallic heterostructures // Physical Review B. – 2021. – Т. 103. – № 20. – С. L201404. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L201404

33. Jiang Y., Li Z., Li Z. et al. Ultrafast light-driven magneto-optical nonlinearity in ferromagnetic heterostructures // Optics Letters. – 2023. – Т. 48. – № 8. – С. 2054–2057. https://doi.org/10.1364/OL.485966

Для цитирования:

Алферьев А.Л., Горбатова А.В., Булавинцева Е.А., Карцев А.И., Климов А.А., Буряков А.М., Гусев Н.С., Сапожников М.В. Спинтронные ТГц эмиттеры на основе графена и антиферромагнетиков // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.29