Etude ab initio du transport quantique dépendant du spin

Ab initio investigations of spin-dependent quantum transport

• Auteur / Autrice : Jiaqi Zhou
• Direction : Arnaud Bournel, Weisheng Zhao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 06/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Beihang university (Pékin)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Fert Beijing Institute
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Dafiné Ravelosona
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Bournel, Weisheng Zhao, Dafiné Ravelosona, Liliana-Daniela Buda, Ke Xia, Tianxiao Nie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Liliana-Daniela Buda, Ke Xia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthodes ab initio (chimie quantique)

Spintronique

Hall, Effet

Effet tunnel

Mots clés libres

Magnétorésistance à effet tunnel

Effet de Hall de spin

Efficacité d’injection de spin

Jonction tunnel magnétique

Système bidimensionnel

Calcul ab initio

Tunneling magnetoresistance

Spin Hall effect

Spin injection efficiency

Magnetic tunnel junction

Two-Dimensional system

Ab initio calculation

Résumé

Les dispositifs spintroniques exploitent le degré de liberté du spin électronique pour traiter l'information. Dans cette thèse, nous étudions les propriétés de transport quantique dépendant du spin pour optimiser les performances des composants associés. Par l’approche ab initio, nous calculons la magnétorésistance à effet tunnel (tunneling magnetoresistance, TMR), l’effet Hall de spin (spin Hall effect, SHE) et l’efficacité de l’injection de spin (spin injection efficiency, SIE). Nous montrons ainsi que les métaux lourds (heavy metals, HM) influencent la TMR dans des jonctions tunnel magnétiques (magnetic tunnel junctions, MTJs) à base de MgO. L’utilisation de W, Mo, ou Ir peut améliorer la TMR. De plus, le dopage par substitution aide à optimiser le SHE dans les HMs, ce qui renforce les angles de Hall de spin (SHA) pour rendre plus efficace le renversement d’aimantation par couple spin-orbite (spin-orbit torque, SOT) dans les MTJ. Afin de contourner les problèmes induits par le désaccord de maille entre couches ferromagnétiques et MgO, nous avons conçu une MTJ basée sur l'hétérojonction VSe₂/MoS₂ de van der Waals (vdW) et calculons la TMR à température ambiante. L’apparition d’effets de résonance tunnel permet d’utiliser la tension appliquée pour moduler la TMR dans cette structure. Nous proposons également d’y favoriser le SOT en utilisant des matériaux 2D avec un fort SHE. MoTe₂ et WTe₂ apparaissent comme de bons candidats. Ces dichalcogénures de métaux de transition (transition metal dichalcogenides, TMDC) présentent un fort SHE ainsi que de grands SHA grâce à leur faible conductivité électrique. Enfin, motivés par la demande d'un dispositif commutable bidimensionnel à grande longueur de diffusion spin, nous étudions un système d'injection de spin dans le silicène et obtenons des SIE élevés sous tension appliquée. L’ensemble de ces travaux apportent un éclairage pour la recherche de nouveaux dispositifs spintroniques.

Spintronics devices manipulate the electron spin degree of freedom to process information. In this thesis, we investigate spin-dependent quantum transport properties to optimize the performances of spintronics devices. Through ab initio approach, we research the tunneling magnetoresistance (TMR), spin Hall effect (SHE), as well as spin injection efficiency (SIE). It has been demonstrated that heavy metals (HMs) are able to modulate TMR effects in MgO-based magnetic tunnel junctions (MTJs), and tungsten, molybdenum, and iridium are promising to enhance TMR. Moreover, substitutional atom doping can effectively optimize SHE of HMs, which would strengthen spin Hall angles (SHAs) to achieve efficient spin-orbit torque (SOT) switching of MTJs. To eliminate the mismatch between ferromagnetic and barrier layers in MgO-based MTJs, we design the MTJ with bond-free van der Waals (vdW) heterojunction VSe₂/MoS₂ and report the room-temperature TMR. The occurrence of quantum-well resonances enables voltage control to be an effective method to modulate TMR ratios in vdW MTJ. We put forward the idea of SOT vdW MTJ, which employs SOT to switch vdW MTJ and requires vdW materials with strong SHE. Research on MoTe₂ and WTe₂ verifies the possibility of realizing this idea. Both of them are layered transition metal dichalcogenides (TMDC) and exhibit strong SHEs, as well as large SHAs thanks to their low electrical conductivity. Lastly, motivated by the demand of a two-dimensional (2D) switchable device with long spin diffusion length, we construct the spin injection system with silicene monolayer, and reveal high SIEs under electric fields. Works in this thesis would advance the research of spintronics devices.