ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · РАДИОТЕХНИКА

Спинтронные ТГц эмиттеры на основе графена и антиферромагнетиков

А.Л. Алферьев1, А.В. Горбатова1, Е.А. Булавинцева1, А.И. Карцев1, А.А. Климов1, А.М. Буряков1, Н.С. Гусев2, М.В. Сапожников1,2

1 МИРЭА - Российский технологический университет, Москва, Россия
2 Институт физики микроструктур РАН, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.29 УДК 537.9 EDN WDDQRU

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.

  • спинтронный ТГц-эмиттер
  • сверхбыстрое размагничивание
  • обратный спиновый эффект Холла
  • графен
  • Fe-Mn
  • перпендикулярная магнитная анизотропия
  • МОЭК
  • ТГц-спектроскопия
Abstract (in English)

Spintronic THz emitters based on graphene and antiferromagnets

We investigate terahertz (THz) emission mechanisms in spintronic emitters - Co (3 nm), graphene (Gr)/Co (3 nm), and Co (3 nm)/FeMn (5 nm) - grown on quartz substrates. Magnetic properties were characterized in the longitudinal magneto-optical Kerr effect (MOKE) geometry, and the emission dynamics by time-domain THz spectroscopy (THz-TDS). In Gr/Co, the graphene interface induces perpendicular magnetic anisotropy; the phase of the THz waveforms is invariant with respect to the pumping side at a fixed field polarity, indicating demagnetization-driven emission. Under back-side pumping the amplitude increases by ≈1.5×, whereas front-side excitation reduces it by about a factor of two, consistent with differences in optical/THz absorption and interference. In Co/FeMn, the antiferromagnetic layer imposes pronounced in-plane uniaxial anisotropy and increases coercivity; a phase inversion upon switching the pumping side indicates a dominant inverse spin Hall effect. No exchange bias is observed at the selected thicknesses and without post-annealing. Additionally, an asymmetry of the THz hysteresis loops in Co/FeMn reveals even-in-magnetization contributions to the emission. These results underscore the central role of interface engineering in Co/AFM and Gr/Co stacks for controlling spin-to-charge conversion and optimizing THz-emitter performance.

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

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