Molecular beam epitaxy growth of the BiSb/MnGa heterosrtuctures for the charge current to spin current conversion study

Croissance par épitaxie par jets moléculaires d' hétérostructures BiSb/MnGa pour l'étude de la conversion d'un courant de charge en courant de spin

• Auteur / Autrice : Diana She
• Direction : Jean-Marie George, Aristide Lemaître, Patrick Le Fèvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/01/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....) - Synchrotron SOLEIL - Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Mougin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Lacour, Lisa Michez, Sébastien Plissard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Lacour, Lisa Michez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spintronique

Isolants topologiques

Spectroscopie terahertz

Mots clés libres

Isolant topologique

Épitaxie par jets moléculaires

Conversion spin-charge

Spin-orbit torque

ARPES

Spectroscopie térahertz

Topological insulator

Molecular beam epitaxy

Charge-to-Spin conversion

Spin-orbit torque

ARPES

Terahertz spectroscopy

Résumé

Récemment, les isolants topologiques (TI) ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs propriétés prometteuses potentiellement utiles pour les technologies émergentes, telles que la mémoire MRAM. En effet, les systèmes TI/ferromagnétiques (FM) peuvent réduire considérablement le courant d'écriture en utilisant le renversement par couple spin-orbite (SOT) comme méthode d'écriture. Cet avantage découle de l'utilisation des états de surface topologiques polarisés en spin des TI. Dans ce travail, notre objectif était de faire croître des hétérostructures TI/FM par épitaxie par jets moléculaires (MBE), de réaliser une caractérisation complète des propriétés structurelles, magnétiques et électroniques, et d'étudier leurs propriétés de conversion spin-charge. Nous avons développé une hétérostructure Bi ₁₋ ₓSbₓ (TI)/ Mnₓ Ga₁₋ₓ (FM)//GaAs(001) de haute qualité par MBE, malgré la différence de symétrie cristalline. Les films minces FM de MnxGa1-x présentent une anisotropie magnétique perpendiculaire, un champ coercitif faible, une température de Curie élevée, un cycle d'hystérésis carré et une résistivité suffisamment élevée. Cela garantit que la majorité du courant circule à travers la couche Bi ₁₋ ₓSbₓ pendant les expériences SOT. Les mesures SOT suggèrent que les états de volume de Bi ₁₋ ₓSbₓ contribuent principalement aux propriétés de transport. Cependant, nous avons démontré la présence d'états de surface topologiques par ARPES. Ainsi, les états de volume et de surface peuvent coexister. De plus, les résultats préliminaires de la spectroscopie terahertz ont montré une conversion efficace du spin en charge dans la bicouche étudiée, démontrant un potentiel prometteur. En conséquence, nos résultats indiquent que Bi ₁₋ ₓSbₓ présente un potentiel significatif pour les dispositifs spintroniques.

Recently, topological insulators (TI) have attracted much attention with their promising prop-erties potentially useful for the emerging memory technologies, as magnetic random access memory (MRAM). Indeed, TI/ferromagnetic (FM) systems may drastically reduce the writing current using the spin-orbit torque (SOT) switching as a writing method. This advantage stems from the utilization of the spin-polarized topological surface states of the TIs. In this work, we were aiming to grow TI/FM bilayer heterostructures by molecular beam epitaxy (MBE), to perfrom comprehensive structural, magnetic and electronic characterization, and to study their charge-to-spin interconversion properties.We developped a high-quality Bi ₁₋ ₓSbₓ (TI)/ Mnₓ Ga₁₋ₓ (FM)//GaAs(001) bilayer heterostrucure by MBE, despite the difference in crystal symmetries. The FM Mnₓ Ga₁₋ₓ thin films exhibit perpendicular magnetic anisotropy, low coercive field, high Curie temperature, square hysteresis cycle, and sufficiently high resistivity. This ensured that a major portion of the electrical current flows through the Bi ₁₋ ₓSbₓ layer during the SOT experiments. The SOT measurements suggest that bulk states of Bi ₁₋ ₓSbₓ predominantly contributed to the transport properties. However, we demostrated the presence of topological surface states with ARPES. So the bulk and surface states may coexist. Additionally, the preliminary results of terahertz spectroscopy showed the efficient spin-to-charge conversion in the studied bilayer, showing promising potential. Consequently, our findings indicate that Bi ₁₋ ₓSbₓ holds significant promise for spintronic devices.