Charge and spin injection from GaAs into metallic and magnetic layers.
Injection de charge et de spin de GaAs vers des couches métalliques et magnétiques.
Résumé
This thesis describes experimental and theoretical work concerning photo-assisted tunnelling between optically pumped GaAs and metallic surfaces. In particular, the first evidence for the spin dependence of the tunnel photocurrent into a magnetic surface is presented. The thesis is made up of two separate parts: Part 1: Reports studies of charge and spin injection of photoelectrons from an optically pumped, tipless GaAs microcantilever into both (nonmagnetic) Gold and (magnetic) Cobalt surfaces. A new model, which is used to analyse the bias, tunnel distance and spin dependence of the tunnel photocurrent, correctly predicts the behaviour observed on the Gold surfaces. With the addition of a Pockels' cell, the same experiment is used to modulate the spin polarisation of tunnelling electrons and to the spin dependence of photoelectron injection into Cobalt. A reversal of the relative spin polarisation of the photoelectrons to the magnetisation direction of the Cobalt results in a 6 % variation in the tunnel photocurrent. This compares with a value of 0.1 % observed on nonmagnetic Gold surfaces. A reduction in this variation with increasing applied bias is attributed to a reduction in the surface recombination velocity. An extension to the model developed for charge injection which accounts for the spin polarisation of the photoelectrons describes the experimental results well. Part 2: Reports studies on charge and spin transport in GaAs using an original polarised photoluminescence microscopy technique. This technique is firstly applied to photoluminescence imaging in GaAs tips to be used in imaging studies of nanomagnetism, in order to estimate the expected electronic polarisations at the tip apex. In combination with studies on equivalent planar geometry samples and by numerically solving the charge and spin diffusion equations, polarisations approaching 40 % are predicted. Independently, polarised luminescence microscopy is used to investigate charge and spin transport in planar oxidized and passivated thin films. Surface recombination is shown to play an important role in determining the effective charge and spin diffusion lengths. The effect of an increase in the surface recombination velocity between the passivated and oxidized sample from 103 cm/s to 107 cm/s reduces the charge and spin diffusion lengths from 21 micron and 1.3 micron, to 1.2 micron and 0.8 micron respectively.
Ce travail expérimental et théorique porte sur l'injection tunnel de photoélectrons à partir de GaAs vers des surfaces métalliques et de spin vers des surfaces magnétiques. On y présente la première mise en évidence de la dépendance en spin du courant tunnel vers une surface magnétique. Ce travail comporte deux parties distinctes : 1ere partie : Cette partie est consacrée à l'étude de l'injection de charge et de spin de photoélectrons à partir de microleviers de GaAs (sans pointe) sous pompage optique, vers des surfaces nonmagnétiques d'or et magnétiques de cobalt. La dépendance du courant injecté vers une surface d'or en fonction de la tension appliquée sur le levier et de la distance levier/surface métallique est en accord avec les prédictions d'un modèle original. A l'aide d'une cellule de Pockels, le même montage est utilisé pour moduler la polarisation de spin des électrons tunnel et pour étudier la dépendance en spin du courant tunnel dans des couches de cobalt. Ce travail conduit à la première mise en évidence de la dépendance en spin de l'effet tunnel de photoélectrons vers une couche magnétique. Le retournement de la polarisation de spin des électrons tunnel par rapport à l'aimantation de la couche magnétique induit une variation de 6% du courant tunnel, alors que la valeur maximale observée pour une couche non magnétique est de l'ordre de 0.1%. On observe une diminution de ce signal en fonction de la tension appliquée qui est attribuée à la diminution de la vitesse de recombinaison de surface. Les résultats sont en accord quantitatif avec les prédictions théoriques. 2e partie : Cette partie regroupe deux études distinctes du transport de charge et de spin faisant appel à l'imagerie de luminescence polarisée pour caractériser les propriétés de spin. Cette technique nouvelle d'imagerie a été mise au point dans le cadre de ce travail. La première étude analyse les propriétés de spin de pointes de GaAs qui pourraient être utilisées ultérieurement pour l'imagerie du nanomagnétisme, dans le but de prédire le taux de polarisation de spin des électrons injectés. En utilisant des mesures sur des couches planaires équivalentes et en modélisant la diffusion de charge et de spin dans la pointe, on montre que l'on peut s'attendre à obtenir des polarisations de spin atteignant 40%. Par ailleurs, la microscopie de luminescence polarisée permet d'étudier le transport de charge et de spin dans des couches minces de GaAs, respectivement oxydées et passivées. On montre que la recombinaison de surface joue un rôle crucial pour la diffusion de charge et de spin, car la diminution de la vitesse de recombinaison de surface de 107 cm/s à 103 cm/s induite par la passivation fait passer les longueurs de diffusion de charge et de spin de 21 micron et 1.3 micron respectivement à 1.2 micron and 0.8 micron.
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