Spin-charge conversion in 2D materials and van der Waals heterostructures
Conversion spin-charge dans les matériaux 2D et les hétérostructures de van der Waals
Résumé
After the first-time successful exfoliation of graphene in 2004 many more 2D materials have been studied for various applications, including spintronics, a field that exploits the spin degree of freedom of electrons as opposed to the charge in electronics. The cornerstone of fundamental spintronics is the spin current-charge current interconversion phenomena, shortly known as spin-charge conversion (SCC). 2D materials are characterized by weak van der Waals (vdW) interaction between the layers, thus, relaxing the lattice-matching requirement for the epitaxy, enabling to grow complex vdW heterostructures. This can also offer new growth platforms not easily accessible by conventional 3D materials, and, due to the weak nature of the vdW forces, grown films can be transferred onto another substrate. Moreover, 2D materials show thickness dependent band structure and various heterostructures can be formed, opening up a vast number of possibly new physics for spintronic applications that can be explored. However, most of the current research is based on exfoliated flakes that are at most tens of µm in size, limiting their possible implementation for applications. In this thesis, I present large-area growth of high quality 2D materials and vdW heterostructures by molecular beam epitaxy (MBE) and study SCC effects by spintronic THz emission probed by THz time domain spectroscopy. First, CoFeB/PtSe2 heterostructures with varying the thickness of PtSe2 were studied and a transition from the inverse Rashba-Edelstein effect in a few monolayers (ML) to the inverse spin Hall effect in thicker films was observed. This is the first time a material showed such a transition. The second system was PtSe2/MoSe2 bilayer where we observed a hybridized electronic band showing an opposite spin texture to that of PtSe2. By this, we could demonstrate the possibility to reverse the sign of the inverse Rashba-Edelstein effect by inserting a single MoSe2 layer opening up a new route to modulate SCC intensity and sign in vdW heterostructures with monolayer control. Finally, SCC in few layer PtSe2/MoSe2 was investigated as a function of an external electric field either variable or remanent by proximity with a 3D ferroelectric material. Indeed, this vdW heterostructure is semiconducting with possibly larger SCC efficiency in electronic bands far from the Fermi level accessible through the application of an electric field. Those findings push us to explore the world of 2D materials even more by various means, such as electric fields, and bring 2D materials closer to spintronic device applications.
Après la première exfoliation du graphène en 2004, de nombreux autres matériaux 2D ont été étudiés pour diverses applications, notamment la spintronique, un domaine qui exploite le degré de liberté du spin des électrons par opposition à la charge en électronique. La pierre angulaire de la spintronique fondamentale est le phénomène d'interconversion entre un courant de spin et un courant de charge, plus connu sous le nom de conversion spin-charge (SCC). Les matériaux 2D sont caractérisés par une faible interaction de van der Waals (vdW) entre les couches, ce qui permet de relâcher la contrainte d’accord de paramètre de maille pour l'épitaxie et de produire des hétérostructures vdW complexes. Cela peut également offrir de nouvelles plates-formes de croissance difficilement accessibles aux matériaux 3D conventionnels et, en raison des faibles liaisons vdW, les films produits peuvent être transférés sur un autre substrat. En outre, les matériaux 2D présentent une structure de bande dépendant de l'épaisseur et diverses hétérostructures peuvent être formées, ce qui ouvre la voie à un grand nombre de nouvelles applications en spintronique. Cependant, la plupart des recherches actuelles sont basées sur des flocons exfoliés dont la taille ne dépasse pas quelques dizaines de µm, ce qui limite les possibilités d'intégration. Dans cette thèse, je présente la croissance sur de grandes surfaces de matériaux 2D de haute qualité et d'hétérostructures vdW par épitaxie par jets moléculaires (EJM) et j'étudie les effets SCC par émission THz spintronique sondée par spectroscopie THz dans le domaine temporel. Tout d'abord, des hétérostructures CoFeB/PtSe2 avec une épaisseur variable de PtSe2 ont été étudiées et une transition de l'effet Rashba-Edelstein inverse dans quelques monocouches (ML) à l'effet Hall de spin inverse dans des films plus épais a été observée. C'est la première fois qu'un matériau présente une telle transition. Le second système était une bicouche PtSe2/MoSe2 dans laquelle nous avons observé une bande électronique hybridée présentant une texture de spin opposée à celle de PtSe2. Nous avons ainsi pu démontrer la possibilité d'inverser le signe de l’effet Rashba-Edelstein inverse en insérant une seule couche de MoSe2, ce qui ouvre une nouvelle voie pour moduler l'intensité et le signe de la SCC dans les hétérostructures vdW avec un contrôle à l’échelle de la monocouche. Enfin, la SCC dans quelques couches de PtSe2/MoSe2 a été étudiée en fonction d'un champ électrique externe variable ou rémanent par effet de proximité avec un matériau ferroélectrique 3D. En effet, cette hétérostructure vdW est semi-conductrice avec une efficacité de SCC possiblement plus grande dans les bandes électroniques loin du niveau de Fermi accessibles par l'application d'un champ électrique. Ces résultats nous incitent à explorer davantage le monde des matériaux 2D par divers moyens, tels que les champs électriques, et à rapprocher les matériaux 2D des applications dans le domaine de la spintronique.
Domaines
Physique [physics]| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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