Tuning the spin-orbit coupling in Ge for spin generation, detection and manipulation

par Thomas Guillet

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Matthieu Jamet et de Alain Marty.

Soutenue le 16-10-2020

à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Spintronique et technologie des composants (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était David Ferrand.

Le jury était composé de Masashi Shiraishi, Jean-Marie George.

Les rapporteurs étaient Pierre Renucci, Sergio O. Valenzuela.

  • Titre traduit

    Utilisation du couplage spin-orbite dans le silicium et le germanium pour la génération, détection et manipulation du spin


  • Résumé

    L'un des principaux objectifs de la spintronique est de réaliser le transistor à spin et pour y parvenir, il faut mettre en œuvre avec succès une plateforme où les courants de spin peuvent être facilement injectés, détectés et manipulés à température ambiante. Dans cette optique, ce travail de thèse montre que le germanium est un très bon candidat grâce à ses propriétés optiques et de spin ainsi qu'à sa compatibilité avec les nanotechnologies à base de silicium.Au fil des années, plusieurs schémas d'injection et de détection de spin ont été réalisés dans Ge, mais la manipulation électrique de l'orientation du spin est toujours une pièce manquante. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur deux approches afin de manipuler l'interaction spin-orbite (SOI) dans le germanium. Les deux s'appuient sur l'absence de symétrie d'inversion structurale et le couplage spin-orbite aux surfaces et aux interfaces avec le germanium (111). Tout d'abord, nous avons effectué la croissance épitaxiale de l'isolant topologique Bi2Se3 sur Ge (111). Après avoir caractérisé les propriétés structurales et électriques de l'hétérostructure Bi2Se3/ Ge, nous avons développé une méthode originale pour sonder la conversion courant de spin-courant de charge à l'interface entre Bi2Se3 et Ge en tirant profit des propriétés optiques du Ge. Les résultats ont montré que l'hybridation entre les états de surface de Bi2Se3 et du Ge pourrait permettre la manipulation électrique de l'orientation du spin dans un transistor.La seconde approche consiste à exploiter le SOI intrinsèque de Ge (111). J'ai étudié les propriétés électriques d'un film mince de Ge (111) et découvert que le passage du courant dans des états de sous-surface où l'interaction Rashba est forte, induit un effet de magnétorésistance très particulier que nous avons appelé la magnétorésistance Rashba unidirectionnelle. Elle est due à l'interaction entre le champ magnétique appliqué extérieur et le pseudo champ magnétique induit par le courant appliquée dans les états polarisés en spin du Ge (111). La forte intensité et modularité de cet effet nous mène à penser que ces états pourraient être également mis à profit dans la réalisation d'un transistor à spin tout semi-conducteur.Parallèlement, j'ai intégré des jonctions tunnel magnétiques à anisotropie perpendiculaire à base de multicouches (Co/Pt) sur la plateforme de Ge (111). J'ai développé une technique hybride électro-optique originale basée sur une détection électrique du dichroïsme magnétique circulaire du (Co/Pt) pour faire de l’imagerie magnétique. Ces jonctions tunnel magnétiques ont ensuite été utilisées pour effectuer la génération et la détection de spin dans un dispositif de type vanne de spin latérale. L'anisotropie magnétique perpendiculaire permet de générer un courant de spin avec une orientation de spin perpendiculaire au plan de l'échantillon.Enfin, j'ai rassemblé tous ces éléments développés pendant ma thèse dans un dispositif ultime: un prototype de transistor à spin où une accumulation de spin peut être générée et détectée optiquement et/ou électriquement, en utilisant l'orientation optique de spin dans le germanium ou les jonctions tunnel magnétiques.


  • Résumé

    One of the main goals of spintronics is to achieve the spin transistor operation and for this purpose, one has to successfully implement a platform where spin currents can be easily injected, detected and manipulated at room temperature. In this sense, this thesis work shows that Germanium is a very good candidate thanks to its unique spin and optical properties as well as its compatibility with Silicon-based nanotechnology.Throughout the years, several spin injection and detection schemes were achieved in Ge but the electrical manipulation of the spin orientation is still a missing part. Recently we focused on two approaches in order to tune the spin-orbit interaction (SOI) in a Ge-based platform. Both rely on the structural inversion asymmetry and the spin-orbit coupling at surfaces and interfaces with germanium (111). First, we performed the epitaxial growth of the topological insulator (TI) Bi2Se3 on Ge (111). After characterizing the structural and electrical properties of the Bi2Se3/Ge heterostructure, we developed an original method to probe the spin-to-charge conversion at the interface between Bi2Se3and Ge by taking advantage of the Ge optical properties. The results showed that the hybridization between the Ge and TI surface states could pave the way for implementing an efficient spin manipulation architecture.The latter approach is to exploit the intrinsic SOI of Ge (111). By investigating the electrical properties of a thin Ge(111) film epitaxially grown on Si(111), we found a large unidirectional Rashba magnetoresistance, which we ascribe to the interplay between the externally applied magnetic field and the current-induced pseudo-magnetic field in the spin-splitted subsurface states of Ge (111). The unusual strength and tunability of this UMR effect open the door towards spin manipulation with electric fields in an all-semiconductor technology platform.In a last step, I integrated perpendicularly magnetized (Co/Pt) multilayers-based magnetic tunnel junctions on the Ge (111) platform. I developed an original electro-optical hybrid technique to detect electrically the magnetic circular dichroism in (Co/Pt) and perform magnetic imagingThese MTJs were then used to perform spin injection and detection in a lateral spin valve device. The perpendicular magnetic anisotropy (PMA) allowed to generate spin currents with the spin oriented perpendicular to the sample plane.Finally, I assembled all these building blocks that were studied during my PhD work to build a prototypical spin transistor. The spin accumulation was generated either optically or electrically, using optical spin orientation in germanium or the injection from the magnetic tunnel junction.


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