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Theses Year : 2019

Spin injection into semiconductors and organic materials

Injection de spin dans les semiconducteurs et les matériaux organiques

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Abstract

Spintronics with semiconductors is very attractive as it can combine the potential of semiconductors with the potential of the magnetic materials. GaN has a long spin relaxation time, which could be of potential interest for spintronics applications. Organic spintronics is also very appealing because of the long spin lifetime of charge carriers in addition to their relatively low cost, flexibility, and chemical diversity. In this thesis, we investigate spin injection in spin LEDs containing either InAs/GaAs quantum dots or InGaN/GaN quantum wells. Moreover, we further study spin polarized transport in organic multiferroic tunnel junctions (OMFTJs). Firstly, we will show that the circular polarization of the light emitted by a LED containing a single layer of p-doped InAs/GaAs quantum dots (QDs) can reach about 18% under zero applied magnetic field. A clear correlation is established between the polarization degree of the emitted light and the perpendicular magnetization of the injector layer. The polarization reaches a maximum for an applied bias of 2.5V at 10K, which corresponds to an injected current of 6 µA. Also, we report a remarkable behavior of the polarization in the temperature region 60-80K. The interpretation of the bias and temperature dependence of the polarization is discussed in light of the competition between radiative recombination time τr and the spin relaxation time τs. In addition, significant efforts have been devoted to developing a perpendicular spin injector on GaN based materials to achieve spin injection without applying a magnetic field. Firstly, the growth of MgO has been investigated at various growth temperatures. Then, we studied the growth of either Fe or Co on MgO/GaN. In contrast to Fe/MgO, the Co/MgO spin injector yields a clear perpendicular magnetic anisotropy. In addition, ab-initio calculations have been performed to understand the origin of the perpendicular magnetic anisotropy at the Co/MgO(111) interface. Finally, we investigate multiferroic tunnel junctions (MFTJs) based on organic PVDF barriers doped with Fe3O4 nano particles. The organic MFTJs have recently attracted much attention since they can combine advantages of spintronics, organic and ferroelectric electronics. We report on the successful fabrication of La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co OMFTJ, where the poly(vinylidene fluoride) (PVDF) organic barrier has been doped with ferromagnetic Fe3O4 nanoparticles. By changing the polarization of the ferroelectric PVDF, the tunneling process in OMFTJ can be switched either through the LSMO/PVDF/Co part (positive polarization) or through the Fe3O4/PVDF/Co part (negative polarization). This corresponds to a reversal of tunneling magnetoresistance (TMR) from +10% to -50%, respectively. Our study shows that the doping of OMFTJs with magnetic nanoparticles can create new functionalities of organic spintronic devices by the interplay of nanoparticle magnetism with the ferroelectricity of the organic barrier.
La spintronique utilisant des matériaux semi-conducteurs est un sujet de recherche très actif. Elle permet de combiner le potentiel des semi-conducteurs avec le potentiel des matériaux magnétiques. Le GaN pourrait être un bon candidat pour des applications en spintronique car le temps de relaxation de spin est très long. La spintronique organique est également un domaine de recherche en plein essor en raison de la longue durée de vie de spin des porteurs de charge ainsi que de leur coût relativement bas, de leur flexibilité et de leur diversité chimique. Dans un premier temps, nous montrerons que la polarisation circulaire de la lumière émise par une LED contenant une couche unique de points quantiques InAs / GaAs (QD) InAs / GaAs dopés p peut atteindre environ 18% sans champ magnétique extérieur. Une corrélation claire est établie entre le degré de polarisation de la lumière émise et l’aimantation perpendiculaire de l’injecteur. La polarisation atteint un maximum pour une polarisation appliquée de 2.5 V à 10 K, ce qui correspond à un courant injecté de 6 µA. En outre, nous observons un comportement remarquable de la polarisation pour un température comprise entre 60K et 80K. L’évolution de la polarisation en fonction de la température est discutée à la lumière de la compétition entre le temps de vie de recombinaison radiative τr et le temps de relaxation de spin τs. De plus, nous avons développé un injecteur de spin présentant une anisotropie magnétique perpendiculaire sur GaN. Nous avons d’abord optimisé la croissance de MgO pour différentes températures du substrat. Nous avons ensuite étudié la croissance de Fe puis de Co sur MgO/GaN. L’injecteur de spin Co(0001)/MgO(111) a été retenu car celui-ci permet d’obtenir un anisotropie magnétique perpendiculaire. De plus, les calculs ab initio ont également montré que l’interface Co/MgO(111) présente une grande anisotropie magnétique. Finalement, nous étudions les MFTJ basés sur une barrière de PVDF organique dopée avec des nano-particules de Fe3O4. Nous avons fabriqué avec succès une multicouche de La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co, dans laquelle la barrière organique en poly (fluorure de vinylidène) (PVDF) a été dopée avec des nanoparticules ferromagnétiques de Fe3O4. En modifiant la polarisation du PVDF, l’effet tunnel dans la jonction multiferroïque peut être commuté via la partie LSMO/PVDF/Co (polarisation positive) ou via la partie Fe3O4/PVDF/Co (polarisation négative). Cela correspond à une inversion de la magnétorésistance à effet tunnel (TMR) de + 10% à -50%, respectivement. Notre étude montre que les jonctions tunnel multiferroïques organiques dopées avec des particules magnétiques pourraient créer de nouvelles fonctionnalités en jouant sur l’interaction du magnétisme des nanoparticules avec la ferroélectricité de la barrière organique.
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tel-02328779 , version 1 (23-10-2019)

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  • HAL Id : tel-02328779 , version 1

Cite

Xue Gao. Spin injection into semiconductors and organic materials. Physics [physics]. Université de Lorraine; Université de Technologie de Hefei (Anhui, Chine), 2019. English. ⟨NNT : 2019LORR0059⟩. ⟨tel-02328779⟩
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