Phénomènes d'injection et de décohérence de spin dans des structures semiconductrices

Spin injection and decoherence phenomena into semiconductor structures

• Auteur / Autrice : Julian Peiro
• Direction : Jean-Marie George
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétorésistance

Semiconducteurs

Spin

Résumé

La possibilité d'injecter électriquement des porteurs polarisés en spin dans un semiconducteur (SC) et de convertir une accumulation de spin en un signal électrique ouvre la voie à de nouvelles fonctionnalités. Il a été montré que l’injection efficace de porteurs depuis un métal de transition ferromagnétique (FM) vers un SC requiert la présence d’une résistance optimisée conservant le spin à l’interface FM/SC. Nous avons mené une étude systématique de l’accumulation de spin par rapport à la modification des propriétés d’interface en sondant différents semiconducteurs tels que GaAs et Ge ainsi que des injecteurs isolant tunnel (I)/FM MgO/CoFeB, Al2O3/Co et Al2O3/NiFe. Nos mesures de magnétorésistance (MR) en géométrie 3 terminaux, en configuration Hanle ou Hanle inverse, ont révélé l’existence d’un champ magnétique fluctuant créant une dépolarisation du spin. Ceci provoque un élargissement artificiel du signal Hanle qui amène dans ce cas à sous-estimer la mesure du temps de vie de spin, ainsi qu’une amplitude d'accumulation de spin plusieurs ordres de grandeur plus forte que prédit théoriquement. Ces effets peuvent s'interpréter par une injection séquentielle sur des états localisés proches de l'interface I/SC. Le confinement spatial de ces états permet de comprendre la forte amplitude du signal observé. Les études en fonction de la tension et de la température viennent étayer ce mécanisme. Des simulations magnétiques d’un champ fluctuant lié au champ de fuite induit par la rugosité d’interface ou au champ hyperfin sur les états localisés ont été menées et permettent de reproduire qualitativement nos résultats.

The ability to inject spin-polarized carriers into a semiconductor (SC) by electrical means and to convert a spin accumulation into an electrical signal is expected to bring new functionalities. It has been shown that the efficient injection of spin-polarized carriers from a ferromagnetic transition metal (FM) into a SC requires the addition and the fine tuning of a spin-conserving resistance at the FM/SC interface. We’ve carried out a systematic study about the spin accumulation as a function of the modification of the interfacial properties by probing several semiconductor materials such as GaAs and Ge contacted with tunnel insulator (I)/FM injectors like MgO/CoFeB, Al2O3/Co and Al2O3/NiFe. Three-terminal magnetoresistance (MR) measurements in Hanle and inverted Hanle configuration reveal the influence of a fluctuating magnetic field leading to spin’s decoherence. This produces an artificial broadening of the Hanle signal that implies an under-estimation of the extracted spin life-time, as well as an appearing spin accumulation amplitude several orders of magnitude larger than expected. These effects can be interpreted through a sequential injection on localized electronic states close to the SC/I interface. Spatial confinement of these states can explain the high amplitude of the observed signal. Studies in function of voltage and temperature are supporting this mechanism. Magnetic simulations of the fluctuating field originated from stray fields due to interface roughness, or hyperfine field on localized states have been carried out and succeed to reproduce our results qualitatively