Electronic spin manipulation in all solid state devices - Université de Lorraine Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Electronic spin manipulation in all solid state devices

Manipulation du spin électronique dans des dispositifs tout solide

Résumé

Manipulation of electronic spin is challenging both from a scientific point of view with complex physics ruling transport mechanisms, but also with perspectives regarding applications in the field of spintronics. Full control of spin orientation of electrons in materials could help reaching further a three-dimensional design of spintronic devices desired for energy-efficient next-generation of memory bits or even computing systems. Manipulation of electronic spin is tightly connected with transport mechanisms taking place in the materials crossed by charge carriers. These charge carriers can be affected either by fields or by other particles and see their both their travel path and their spin orientation being modified. Understanding the physics lying between these different interactions can be the key to access and further control electronic spin. In this work, we aimed to study manipulation of electronic spin for hot ballistic electrons. While the term hot refers to out-of-equilibrium charge carriers whose energy is higher than the Fermi level of the metal, ballistic means the particle traveled without suffering any interaction. To do so, a Magnetic Tunnel Transistor (MTT) was designed with specificities required for this study. It consists in a spin-valve sandwiched between a tunnel barrier for spin-polarized hot electrons injection on one side, and a Schottky barrier with a Cu/Si contact to only collect hot ballistic electrons on the other. MTT structure was used for this study in order to investigate hot electrons physics in the low-energy range. Other ways to inject hot electrons into metals are limited by the vacuum level of the materials, thus giving a physical lower boundary for such studies. Our all solid state device also allows a sharp filtering of non-ballistic electrons with the presence of the Schottky barrier to collect hot electrons. The first aspect investigated in this study is the effect of electron-electron interactions on hot electrons transport. While traveling through a metal, electrons can suffer interactions with those from the Fermi sea of the materials. When doing so, they lose a huge amount of their initial energy. Our MTT measurement exhibit strong feature related to electron-electron interactions. Based on experimental results, a model to take these effects into account is developed. We proved that secondary electrons generated during such interactions contribute to the signal for high injection voltage. When hot electrons are crossing ferromagnets, electron-electron interactions and secondary electrons generation become spin-dependent. Based on the density of states calculations of studied materials inserted in this MTT, it is possible to connect these features to scattering mechanisms in our model. This work opens perspectives for deep studies of electron-electron scattering including possible spin-flip processes and enhancement of spin-polarization of hot electrons current. Another strategy to manipulate electronic spin is to induce a precession motion. Under the effect of a field, the spin of hot electrons can start a precessional motional while traveling through a material. This effect was already demonstrated for several kind of materials, including ferromagnets. Yet only one study, conducted in our team, proved this effect to exist for low-energy electrons in the energy range of actual spintronic devices. Following this pioneering work, a new strategy was implemented to control the associated precession angle using an external parameter, the temperature. Variation of temperature in our device allows to tune precession mechanism in a ferromagnetic layer. Using a specific MTT with a three-dimensional magnetizations configuration, precession angles were extracted from several temperature and could be explained in the scope of temperature-dependent precessional motion of electronic spin.
La manipulation du spin électronique est un défi à relever à la fois d'un point de vue scientifique, avec des mécanismes de transition complexes régissant le transport, mais aussi par rapport aux perspectives d'application dans le domaine de la spintronique. Le contrôle de l'orientation du spin des électrons dans les matériaux pourrait permettre d'aller plus loin dans la conception de dispositifs spintroniques peu énergivores. La manipulation du spin électronique est étroitement liée aux mécanismes de transport qui se déroulent dans les matériaux traversés par les porteurs de charge. Ces derniers peuvent être affectés subir des interactions et voir leur trajectoire et l'orientation de leur spin être modifiées. Comprendre la physique qui se trouve derrière ces différentes interactions peut être la clé pour permettre la manipulation du spin électronique. Dans ce travail, nous avons cherché à étudier la manipulation du spin électronique pour des électrons balistiques chauds. Tandis que le terme chaud fait référence à des porteurs de charge hors équilibre dont l'énergie est supérieure au niveau de Fermi du métal, celui de balistique signifie que la particule s'est déplacée sans subir d'interaction. Pour ce faire, un transistor tunnel magnétique (MTT) a été conçu. Il consiste en une vanne de spin insérée entre une barrière tunnel pour l'injection d'électrons chauds polarisés en spin d'un côté, et une barrière Schottky avec un contact Cu/Si pour collecter uniquement les électrons balistiques chauds de l'autre côté. La structure MTT a été utilisée pour cette étude afin d'étudier la physique des électrons chauds dans la gamme des basses énergies. Les autres moyens d'injecter des électrons chauds dans les métaux sont limités par le niveau de vide des matériaux. Notre dispositif tout solide permet également un filtrage des électrons non balistiques grâce à la barrière de Schottky. Le premier aspect étudié dans ce travail est l'effet des interactions électron-électron sur le transport des électrons chauds. Lorsqu'ils traversent un métal, les électrons peuvent subir des interactions avec ceux des électrons de conductions des métaux. Ce faisant, ils perdent une grande partie de leur énergie initiale. Sur la base des résultats expérimentaux, un modèle permettant de prendre en compte ces effets a été développé. Il est possible de montrer que les électrons secondaires générés lors de ces interactions contribuent au signal pour une tension d'injection élevée. Lorsque des électrons chauds traversent des ferromagnétiques, les interactions électron-électron dépendent du spin. Sur la base des calculs de la densité d'états des matériaux étudiés insérés dans cette MTT, il est possible de relier ces caractéristiques aux mécanismes de diffusion dans notre modèle. Ce travail ouvre des perspectives pour des études approfondies de la diffusion électron-électron, y compris d'éventuels processus de retournement de spin, ainsi qu'un meilleur contrôle de la polarisation en spin du courant d'électrons chauds. Une autre stratégie pour manipuler le spin électronique consiste à induire un mouvement de précession. Cet effet a déjà été démontré pour plusieurs classes de matériaux, y compris les ferromagnétiques. Cependant, une seule étude, menée par notre équipe, a prouvé l'existence de cet effet pour des électrons de faible énergie dans la gamme des dispositifs spintroniques actuels. Suite à ce travail exploratoire, une stratégie a été mise en place pour contrôler l'angle de précession associé en utilisant la température. La variation de la température dans notre dispositif permet d'ajuster le mécanisme de précession dans une couche ferromagnétique. En utilisant un MTT spécifique avec une configuration tridimensionnelle des magnétisations, des angles de précession ont été extraits à partir de plusieurs températures et ont pu être expliqués dans le cadre du mouvement de précession du spin électronique dépendant de la température.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04552714 , version 1 (19-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04552714 , version 1

Citer

Valentin Desbuis. Electronic spin manipulation in all solid state devices. Physics [physics]. Université de Lorraine, 2023. English. ⟨NNT : 2023LORR0300⟩. ⟨tel-04552714⟩
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