Effets de filtre à spin dans les jonctions métal ferromagnétique/semiconducteur : transport et...

Effets de filtre à spin dans les jonctions métal ferromagnétique/semiconducteur : transport et effets d’interface

Encadrement : Yves Lassailly (directeur de thèse), Jacques Peretti

Driss Lamine

Plan

I) Introduction

IV) Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection

V) Conclusions et perspectives

III) Modélisation du transport dépendant du spin dans les jonctions MF/SC

II) Problématique

E E

II

IIPCourant de charge

non polarisé de spin

II

Courant de charge polarisé de spin

e- e-

e-

Electronique classique Electronique de spin

Partie I Introduction

I

E E

II

IIPCourant de charge

non polarisé de spin

II

Courant de charge polarisé de spin

e- e-

e-

Electronique classique Electronique de spin

Charge : grandeur conservative Spin : grandeur non conservative


I

Le transport électronique dans les métaux ferromagnétiques

Transport électronique à E > EF (électrons chauds) :EF

)(ED )(ED

E

Métal non ferromagnétique

FEDFED

Transport dépendant du spin à E = EF:

GMR

D. P. Pappas et al., PRL 66, 504 (1991)

111

: libre parcours moyen inélastique

, ≈ nm : longueur de discrimination de spin

FF EE DD

+ effets d’interface

A. Fert, P. Grünberg : Prix nobel de physique 2007


T : transmission

S : sélectivité en spin

PC : polarisation de spin du courant transmis

Concept de Filtre à spin

Système à trois terminaux :

injection (E0) , filtrage en spin (L), collection (filtrage en énergie, )

IC = T

P0 = 0I0 = 1

E

PC = S

L ≈ qq

d

d ≈

MFM M

E0


T : transmission

S : sélectivité en spin

PC : polarisation de spin du courant transmis

Concept de Filtre à spin

Système à trois terminaux :

injection (E0) , filtrage en spin (L), collection (filtrage en énergie, )

IC = T

P0 = 0I0 = 1

E

PC = S

L ≈ qq

d

d ≈

MFM M

E0


Transport balistique : E0 =

)exp(L

T

)tanh(d

S

E0 Volt 0.8 eV

Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003)

IC+ = TI0(1+AC)

H (Oe)

IC(nA)

AC = 65%300 K

IC+

IC-

>Transport balistique

Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur

CC

CCC

II

IIA

02I

IIT CC


Transistor à Vanne de spin à basse énergie d’injection



H (Oe)

IC(nA)

AC = 65%300 K

IC+

IC-

IC- = TI0(1-AC)

Transport balistique

CC

CCC

II

IIA

02I

IIT CC


E0 Volt 0.8 eV>



Qualités :

Fonctionne à basse tension

Fonctionne à 300 K

Forte asymétrie de spin

AC = 65 % 300 K AC = 95 % 77 K


CC

CCC

II

IIA

02I

IIT CC




E0 Volt 0.8 eV>


Qualités :

Fonctionne à basse tension

Fonctionne à 300 K

Forte asymétrie de spin

AC = 65 % 300 K AC = 95 % 77 K

Faiblesses :

Faible efficacité de collection

dans le SC T ≈ 10-4 - 10-3




CC

CCC

II

IIA

02I

IIT CC


E0 Volt 0.8 eV>

Pd/Fe/Ox/GaAs

Nicolas Rougemaille (Thèse, 2003)

Gain = 1

Transistor à Vanne de spin à haute énergie d’injection


Energie E0 (eV)

10-4

10-2

1

10-6

10-3

10-2

10-1

10-4

T

T

AC = T/2T

Partie II Problématique

Quelle est l’origine de l’évolution T et AC avec l’énergie d’injection ?

Comment décrire le transport à haute énergie d’injection dans le filtre à spin ?

Le transport est il toujours sélectif en spin à haute énergie d’injection ?

Quel est la contribution de la barrière d’interface MF/SC ?

Objectifs :

Stratégie :

Filtre à spin

=

Emetteur + Base Collecteur+

Paramètres :

Énergie d’injection

Paramètres :

épaisseurs

Paramètres :

Barrière d’interface, SC


Approche expérimentale


Expérience de transport

Emetteur : source d’électrons polarisés de spin en GaAs

Base : couche ferromagnétique

Collecteur : semi-conducteur

Fabrication et caractérisations des jonctions

I-V M

Principe de la mesure

02I

IIT CC

0I

IIT CC

Mesure :

- Transmission :

- Dépendance en spin de T

- Asymétrie en spin de T

Conditions d’injection :

- Energie d'injection E0 (variable)

- Polarisation incidente P0 = 25 %

- Courant incident : I0 = IB + IC

CC

CCC

II

IIA+P0

+P0 +P0

-P0-P0

T

T

IC/I0

t


Plan

I) Introduction




II) Problématique

Relaxation de l’énergie et de la vitesse (longitudinale) : cascade d’électrons secondaires

Après chaque collision, 2 électrons avec en moyenne : Ef = Ei/2 et vf = vi/2

Hypothèses du modèle : mécanismes de collisions

Partie III Modélisation du transport

Multiplication par électrons secondaires :

M = E0/

Proportion d’électrons primaires : /E0

) exp(1

)(MM

f

)()( MfF

M

EM

0

Hypothèses du modèle : distributions électroniques à l'interface base/collecteur


EV

EF

E0

E

Pd Fe

Zball Zdiff

Eball

Interface

Z

B

S

B

S

F(E)

E

n-GaAs

Régime balistique

Régime diffusif

F

M

0 d

EV

EF

E0

E

Pd Fe

Zball Zdiff

Eball

Interface

Z

B

S

B

S

F(E)

E

n-GaAs

Régime balistique

Régime diffusif

F

M

0 d

3 distributions à l’interface MF/SC

La distribution des primaires de spin majoritaire fP

+

La distribution des primaires de spin minoritaire fp

-

La distribution d’électrons secondaires fS “non polarisés”.

3 largeurs de distribution :

P+ , P

- , M

) exp(1

)(MM

f

)()( MfF

M

EM

0


Hypothèses du modèle : distributions électroniques à l'interface base/collecteur

Hypothèses du modèle : Propriétés de l’interface base/collecteur


BV

EF

BC

ion

EV

EF

E0

Pd Fe Oxyde

Z

SC

OX

SC

OX

GaAs

ion

OX/ ion

EV

EF

E0

Pd Fe Oxyde

Z

SC

OX

SC

OX

GaAs

ion

OX/ ion

Deux barrières d’interface : Barrière de Schottky : SC = 0.7 eV (mesurée)

Gap de l’oxyde : OX = 4.5 eV (mesurée)

Seuil d’ionisation par impact : ion 5 eV (mesurée)

OX ion

()

SC

OX

SC OX ion

10-4

0.5

Tunnel

Ionisation par impact


EV

EF

E0

Pd Fe Oxyde

Z

SC

OX

SC

OX

GaAs

ion

OX/ ion

EV

EF

E0

Pd Fe Oxyde

Z

SC

OX

SC

OX

GaAs

ion

OX/ ion

Hypothèses du modèle : Propriétés de l’interface base/collecteur

Deux barrières d’interface : Barrière de Schottky : SC = 0.7 eV (mesurée)

Gap de l’oxyde : OX = 4.5 eV (mesurée)

Seuil d’ionisation par impact : ion 5 eV (mesurée)

OX ion

Etude de la transmission (P0 = 0)

dfMT M ),()(0


T : M ou M

10 100 1000

10-2

10-4

10-6

1

E0 (eV)

T

Coefficient de multiplication dans le métal

Multiplication par Ionisation par impact

dfMT M ),()(0



T : M ou M

ionOXSCM

ion

ion

MOX

M

OXOX

M

SCSC

MTTT

EET

)exp()exp()exp()( 0

0

ionOXSCM

ion

ion

MOX

M

OXOX

M

SCSC

MTTT

EET

)exp()exp()exp()( 0

0

dfMT M ),()(0



T : M ou M

TSC : transmission au dessus de la barrière ΦSC (Schottky)

TOX : transmission au dessus de la barrière ΦOX (Oxyde)

Tion : transmission au dessus de la barrière Φion (ionisation par impact)

?M

dfMT M ),()(0



T : M ou M

ionOXSCM

ion

ion

MOX

M

OXOX

M

SCSC

MTTT

EET

)exp()exp()exp()( 0

0



Extraction de l’énergie moyenne M (résolution graphique)

01

0

0

)exp()exp()exp(

E

)E(T

M

ion

ion

MOX

M

OXOX

M

SCSC

M

exp

SC = 10-4

SC = 0.7 eVSCT

OX = 0.5

OX = 4.5 eVOXT

ion = 5 eV

OX = 0.5ionT

)(eVM

Energie E0 (eV)

B = 0.7 eV

Extraction de l’énergie moyenne M (résolution graphique)

01

0

0

)exp()exp()exp(

E

)E(T

M

ion

ion

MOX

M

OXOX

M

SCSC

M

exp

E0 = 80 eV



Comment expliquer en terme de transport la loi de variation M(E0) ?



Calcul théorique de l’énergie moyenne

Régime balistique

k : k0 kF

: E0 Eball

parcours : zball

Régime diffusif

k aléatoire < kF

parcours : zdiff

: Eball M

2 régimes de transport :

d = zball + zdiff M



ll v

dt

dvdt

d

2ln

2ln

1) Régime balistique

2ln

1lv

d

dt

dt

dz

d

dz



0

0

0)(2ln

1 E

E F

Fball

ballE

d

E

EEz

Les équations de transport dans la base métallique

F

Fball EE

EEE

00avec

ll v

dt

dvdt

d

2ln

2ln

)(2

Ddt

dz

)()(3

1)( 2 vD



2ln

1lv

d

dt

dt

dz

d

dz

ball

M

E

diffd

z

)(2ln3

1 2

2) Régime diffusif (équation de diffusion)

0

0

0)(2ln

1 E

E F

Fball

ballE

d

E

EEz

F

Fball EE

EEE

00avec



M tel que d = zdiff + zball

ll v

dt

dvdt

d

2ln

2ln

)(2

Ddt

dz

)()(3

1)( 2 vD


2ln

1lv

d

dt

dt

dz

d

dz

ball

M

E

diffd

z

)(2ln3

1 2

2) Régime diffusif (équation de diffusion)

0

0

0)(2ln

1 E

E F

Fball

ballE

d

E

EEz

() ?




F

Fball EE

EEE

00avec

M tel que d = zdiff + zball

Détermination de () pour retrouver la loi M(E0)





zball zdiff M

ball

M

E

diffd

z

)(2ln3

1 2

Interprétation des 3 régimes de transmission

1er régime : T TSC et M cst

T

ME

TM

SCSC

M

)exp(0

Energie E0 (eV)


T plus vite que linéairementT

ME

TM

SCSC

M

)exp(0

Energie E0 (eV)




2ème régime : T TSC et M

Energie E0 (eV)

3ème régime : T TOX

)exp(0

M

OXOX

M

ET

T



T plus vite que linéairement

ME

TM

SCSC

M

)exp(0


2ème régime : T TSC et M

Effet de filtre à spin

Multiplication dépendante du spin

dfMAfSPT SMp

00 )()()().(2


Expression de la transmission dépendante du spin T

Expression de la transmission dépendante du spin T

E0/3

E0/2

E0

F=fP + Mfs

fp

dfSPT p )()()(20

0

2

)()()(

pp

pff

f

)()(

)()()(

pp

pp

ff

ffS

)exp(1

)()(0 MMM

p FE

f


Interprétation des 3 régimes de T

SCTT OXTT


Expression de l’asymétrie de spin AC pour une barrière (,)

dfSPTM

)()()(20

0

)exp(2 0MM

PT

Lorsque S 1

dfMT )()(0

)exp(0

MM

ET

et

et


002 E

PT

TAC

Indépendant de

Energie d’analyse

Energie d’injection

dfSPTM

)()()(20

0

)exp(2 0MM

PT

Lorsque S 1

dfMT )()(0

)exp(0

MM

ET

et

et


Expression de l’asymétrie de spin AC pour une barrière (,)

Interprétation du saut de AC

AC augmente dans le rapport SC

OX

00 E

PA SCC

00 E

PA OXC


Récapitulatif Fe/Ox/GaAs

Transport dans le filtre à spin

Relaxation de E et k dans la base

M (E0)

Transport à l’interface base/collecteur

2 barrières

Transport sélectif en spin jusqu'à 1000 eV d’injection

Energie moyenne des électrons collectés : quelques eV


Plan

I) Introduction




II) Problématique

Conditions d’injection : mise en évidence de l'ionisation par impact

Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection

ionOXSCM

ion

ion

MOX

M

OXOX

M

SCSC

MTTT

EET

)exp()exp()exp()( 0

0

T

)exp(0

M

OXOX

MOX

ET

Energie E0 (eV)



ionOXSCM

ion

ion

MOX

M

OXOX

M

SCSC

MTTT

EET

)exp()exp()exp()( 0

0

)exp(E

TM

ionOX

ionion

0

T

)exp(0

M

OXOX

MOX

ET

Energie E0 (eV)



)exp(E

TM

ionOX

ionion

0

Extraction du paramètre d’interface OX

A haute énergie d’injection :

M ion T OX E0 /ion

OX/ ion = 0.13

OX = 0.65

)exp(0

M

ionOX

ionion

ETT

T

Energie E0 (eV)



T

Energie E0 (eV)

dSPT

MM

020 )exp()().(2

∆T maximum pour E0 = 1500 eV

∆Tmax = 28% pour P0 = 100 %



Influence des épaisseurs : effet sur la transmission T


d zdiff M

Influence des épaisseurs : effet sur la transmission T

d= 45 Åd= 70 Å

T

Energie E0 (eV) Epaisseurs (Å)E

* (e

V)

E* = 520 eV

E* = 760 eV

Possibilité de varier E* avec l’épaisseur du filtre à spin

E* énergie pour laquelle le gain = 1


AC /P0

Energie E0 (eV)

E E* = 520 eV

E E* = 760 eV

d= 45 Å (dFe = 25 Å)d= 70 Å (dFe = 40 Å) L’asymétrie passe par un

maximum ACmax à E0 E*

E* dépend de l’épaisseur totale de la base métallique.

ACmax dépend peu de l’épaisseur de Fer.

2*0 10/

EPA OX

C

000 2

/ETP

TPAC

S > 80 %

Influence des épaisseurs : effet sur l'asymétrie AC


Barrière(s) d’interface

Choix du collecteur

GaAs

Pd/Fe/I/GaAs

Si

Au/Co/Au/Si Prod’homme P, JMMM 315 (1), 26 (2007)

1 seule barrière

Surface propre Pd/Fe/GaAs (traitement HCl en solution) Tereshchenko O., JVST. A, 17, 2655 (1999)

Surface passivée à l’hydrazine Pd/Fe/N-GaAs Berkovits V.L, APL 80, 3739 (2002)

2 barrières Surface oxydée Pd/Fe/Ox/GaAs (procédé UVOCS)

Caractéristiques du collecteur :


J(A

/cm

2

Tension (V)

Trecuit = 150°C

B = 0.70 0.05 eV

n = 1.1 0.1

k

eV

nk

e

SAT eeJJB

1

Emission thermoionique

Caractéristiques du collecteur : fabrication et caractérisation


H (Oe)

m/m

s

Aimantation rémanente ≈ 100 %

Champ coercitif ≈ 40 Oe

00 E

PA

0

0

P

AE

Contrôle de la deuxième barrière par le traitement de surface et le choix du SC

ox = 4.5 eV

º Pd/Fe/Uvocs/GaAs

Pd/Fe/GaAs (HCl)

Au/Co/Au/Si

0

0

P

AE

Energie E0 (eV)

Caractéristiques du collecteur : fabrication et caractérisation


Plan

I) Introduction




II) Problématique

Conclusions

Loi M(E0) + Profil de l’interface () = Filtre à spin∆T

T

Partie V Conclusions et perspectives

Modèle de transport dépendant du spin dans les jonctions métal/SC de 5 à 3000 eV :

Lien entre énergie d’injection et distribution des électrons transmis

Détermination des condtions de fonctionnement combinant T > 1 et S 1 :

énergie d’injection

épaisseurs des couches

propriétés de la jonction base/collecteur

Perspectives

1) Inversion du problème pour remonter à () à partir de T

Loi M(E0) + Profil de l’interface () = Filtre à spin∆T

T

Spectroscopie de la transmission à l’interface métal/SC sur la gamme d’énergie 0.2 eV – 10 eV.


dfMAfSPT MSMPpP

0

0 ),(),()().(2)(

2) Etude spectroscopique de la transmission dépendante du spin sur des feuilles autosupportées

Validation plus approfondie du modèle de transport (mesure de F et S)

Mise en évidence du terme de multiplication dépendant du spin

T

Energie E0 (eV)

Ce terme est beaucoup plus grand que l’effet de filtre à spin

…mais difficile à mettre en évidence

Pd/Fe/Ox/GaAs

Perspectives


3) Problématique de l’électronique de spin

Réalisation d’une vanne de spin tout solide fonctionnant autour de l’annulation E*

Figure de mérite très élevée

Perspectives


0 200 400 600 800 1000-1000

-500

0

500

1000

I 0 ,

I B ,

IC

(n

A)

E0 (eV)

I0

IB

IC

+

IC

IBIB = 0

E*




Perspectives


IB+

IB-

IBIB = 0

E = E*

temps (ms)

IB




Perspectives


0 200 400 600 800 1000

AB =

(I B

+ -

IB

- ) /

(IB

+ +

IB

- )

E0 (eV)

10-6

10-4

10-2

1

102

AB

E0 (eV)

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