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Theses Year : 2007

Spin filter effect in ferromagnetic/semiconductor junctions : transport and interface effects

Effet de filtre à spin dans les jonctions métal ferromagnétique / semi-conducteur : transport et effets d'interface

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Abstract

Spin dependent transport of hot electrons injected from vacuum into hybrid ferromagnetic layer/interface/semiconductor structures is studied. This 3-terminal configuration is analogous to a spin valve transistor in which the emitter is physically decoupled from the base and the collector. This original configuration allows one to study the spin polarized electron transport over a wide range of energies while still controlling their polarization.
Using ferromagnetic junctions Fe/oxide/GaAs designed in the laboratory, four operating regimes in the energy range 10 eV-3000 eV are observed. When increasing the injection energy, the gain of the transistor increases by 6 orders of magnitude, reaching value as high as 300 at 3000 eV, while the spin dependent transmitted current increases by 5 orders of magnitude reaching a maximum value around 1500 eV. The latter corresponds to 30 % of the incident current for a 100 % polarized electron beam. Finally, it is shown that the main transport properties can be modulated by changing the total thickness of the metallic base, or indeed the nature of the interface between the base and the collector.
The four transport regimes are analyzed using an original quantitative model that takes into account both the multiplication which occurs in the metallic base and in the semiconductor by impact ionization, and the transmission coefficient at the interface between the base and the collector. In particular, the model reproduces experimentally observed threshold energies, above which the transmission efficiency increases steeply. By changing experimentally the injection energy it is possible to increase the hot electron distribution width at the base/collector interface until 10 eV and thus to probe the interface profile. The increase of the distribution width is linked to the special dependence of the inelastic mean free path with energy.
These results and their interpretations pave the way for future research in the field of spintronics, and especially in the design of a novel solid-state spin valve transistor device that could combine high spin selectivity with high gain and low operating noise.
Nous avons étudié au cours de cette thèse le transport dépendant du spin d'électrons chauds injectés depuis le vide dans des structures hybrides métal ferromagnétique/interface/semi-conducteur. Cette configuration de mesure à trois terminaux est analogue à celle d'un transistor à vanne de spin à géométrie perpendiculaire mais dans lequel l'émetteur est physiquement découplé de la base et du collecteur. Cette configuration de mesure originale permet l'étude du transport d'électrons polarisés sur une large gamme d'énergie d'injection tout en contrôlant la polarisation des électrons injectés.
Sur des jonctions Fe/oxyde/GaAs réalisées au laboratoire, nous avons mis en évidence quatre régimes de fonctionnement du transistor à vanne de spin dans la gamme d'énergie 10 eV-3000 eV. Lorsque l'énergie d'injection augmente, le gain du transistor augmente sur plus de 6 ordres de grandeur, pour atteindre des valeurs aussi élevées que 300. Simultanément, la dépendance en spin du courant transmis augmente sur près de 5 ordres de grandeur pour atteindre un maximum aux alentours de 1500 eV qui représente environ 30% du courant incident (pour une polarisation incidente de 100%). Nous montrons également que l'ensemble de ces propriétés de transport est modulable en variant l'épaisseur totale de la base métallique, ainsi que la nature de l'interface entre la base et le collecteur.
Les quatre régimes de fonctionnement du transistor sont ensuite interprétés dans un modèle original qui décrit de façon quantitative les différents régimes observés. Ce modèle incorpore d'une part la multiplication qui a lieu dans la base métallique ainsi que dans le semi-conducteur (ionisation par impact), et d'autre part le coefficient de transmission à l'interface entre la base et le collecteur. Nous avons mis en évidence l'existence d'énergies seuil, liées à la nature de l'interface base/collecteur, à partir desquelles l'efficacité de collection augmente brutalement. En variant l'énergie d'injection, il est possible d'augmenter la largeur de la distribution électronique à l'interface base/collecteur jusqu'à environ 10 eV, et donc de sonder le profil d'interface. L'augmentation de la largeur de la distribution peut-être reliée à la variation particulière du libre parcours moyen inélastique dans la base métallique.
Ces résultats et leurs interprétations ouvrent de nouvelles perspectives en électronique de spin, et en particulier dans la réalisation d'un transistor à vanne de spin tout solide associant à la fois une grande sélectivité en spin, un gain élevé et un faible bruit de fonctionnement.
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Dates and versions

tel-00260976 , version 1 (05-03-2008)

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  • HAL Id : tel-00260976 , version 1

Cite

Driss Lamine. Effet de filtre à spin dans les jonctions métal ferromagnétique / semi-conducteur : transport et effets d'interface. Matière Condensée [cond-mat]. Ecole Polytechnique X, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00260976⟩
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