Utilisation du couplage spin-orbite dans le silicium et le

Utilisation du couplage spin-orbite dans le silicium et le germanium pour la
génération, détection et manipulation du spin
Contact : Matthieu JAMET DRF//INAC/SPINTEC/NM [email protected] 0438782262
Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Résumé :
L'objectif de la spintronique dans les semiconducteurs est l'utilisation du spin de l'électron en plus de sa charge dans les dispositifs de la
microélectronique. Le degré de liberté de spin permet d'ajouter de nouvelles fonctionnalités aux dispositifs existants et de réduire la consommation
d'énergie. Les trois étapes clés pour le développement de cette nouvelle technologie sont la génération, la détection et la manipulation d'électrons
polarisés en spin dans le silicium et le germanium, les matériaux de la microélectronique actuelle. Un nouveau paradigme est récemment apparu dans
la communauté de la spintronique qui consiste à utiliser le couplage spin-orbite pour réaliser ces trois opérations. Le couplage spin-orbite couple le
moment et le spin de l'électron. Il permet donc de manipuler le spin à l'aide d'un champ électrique mais aussi de réaliser l'inter-conversion courant de
charge-courant de spin par effet Hall de spin dans les matériaux massifs et par effet Rashba aux interfaces. Malheureusement, le couplage spin-orbite
est trop faible dans le Si et le Ge et c'est l'objectif de ce stage et de la thèse qui suivra d'étudier des méthodes pour l'exalter. Nous nous concentrerons
tout d'abord sur les interfaces métal/Si(111) et métal/Ge(111) dans lesquelles un très fort couplage spin-orbite de type Rashba a été prédit. Ensuite,
deux autres systèmes prometteurs seront abordés : des films de Si et Ge dopés avec des atomes lourds pour augmenter le couplage spin-orbite dans
le massif et des isolants topologiques épitaxiés sur Si(111) ou Ge(111) dans lesquels l'inter-conversion courant de charge-courant de spin est très
efficace. Le candidat bénéficiera de la longue expérience de notre équipe en spintronique des semiconductuers de d'une collaboration forte avec le
CEA LETI.
Sujet détaillé :
L'objectif de la spintronique dans les semiconducteurs est l'utilisation du spin de l'électron en plus de sa charge dans les dispositifs de la
microélectronique. Le degré de liberté de spin permet d'ajouter de nouvelles fonctionnalités aux dispositifs existants et de réduire la consommation
d'énergie. La première étape pour le développement de la spintronique dans les semiconducteurs est la génération d'une population d'électrons
polarisés en spin dans le silicium et le germanium, les matériaux de la microélectronique actuelle. Cette population de spin hors équilibre diffuse
ensuite dans le semiconducteur pour créer un courant de spin. Au laboratoire, nous avons déjà réussi à injecter et détecter électriquement une
accumulation et un courant de spin dans Si et Ge à température ambiante à partir d'une électrode ferromagnétique. L'étape suivante consiste à
manipuler le spin. Pour cela, le plus simple est d'utiliser un champ magnétique mais l'application d'un champ magnétique est difficilement intégrable à
la microélectronique. A la place, le spin peut être manipulé à l'aide d'un champ électrique et du couplage spin-orbite. Cependant, le Si et le Ge sont
des atomes plutôt légers avec un couplage spin-orbite faible, ce qui empêche toute manipulation efficace du spin à l'aide d'un champ électrique dans
ces matériaux. Pendant ce stage et la thèse qui suivra, nous allons explorer de nouvelles stratégies pour augmenter le couplage spin-orbite dans Si et
Ge pour manipuler le spin mais aussi pour générer et détecter des courants de spin. Tout d'abord, nous étudierons le transport de spin bidimensionnel
dans les états Rashba aux interfaces métal/Si(111) et métal/Ge(111) dans lesquelles un fort couplage spin-orbite de type Rashba a été prédit. Dans
ce cas, le champ électrique est créé par la rupture de symétrie à la surface du cristal de Si ou Ge. Un champ électrique additionnel pourra également
être appliqué à l'aide d'une tension de grille. De plus, le couplage spin-orbite est si fort qu'il est possible de générer un courant de spin à partir d'un
courant de charge et vice-versa dans ces états d'interface à température ambiante. Durant ce travail, nous allons donc explorer un nouveau
paradigme de la spintronique dans les semiconducteurs : l'utilisation du couplage spin-orbite plutôt que d'électrodes ferromagnétiques pour générer et
détecter des courants de spin dans Si et Ge. Pendant la thèse, d'autres systèmes seront également explorés comme le dopage de films de Si et Ge

avec des atomes lourds pour augmenter le couplage spin-orbite dans le massif ou bien des isolants topologiques épitaxiés sur Si(111) ou Ge(111)
dans lesquels l'inter-conversion courant de charge-courant de spin est très efficace.
Pour réaliser ce travail, l'étudiant bénéficiera de l'expérience de notre équipe en spintronique dans les semiconducteurs mais aussi en fabrication de
nano-dispositifs à base de Si et Ge comme illustré sur la figure. Un cryostat (2K-300K, 7 Tesla) sera également dédié à ce travail. Une cavité
radiofréquence de résonance paramagnétique électronique sera utilisée pour réaliser l'injection dynamique de spin dans Si et Ge en contact avec une
électrode ferromagnétique. Le candidat aura aussi à sa disposition tous les équipements de croissance, de mesure et de nano-fabrication du
laboratoire Spintec et bénéficiera d'une collaboration forte avec le CEA LETI à Grenoble et avec l'Unité Mixte CNRS-THALES à Palaiseau. Le stage et
la thèse seront financés avec le projet ANR TOP-RISE.
Compétences requises :
Connaissance en physique du solide; nanomagnétisme; spintronique; croissance par épitaxie par jets moléculaires; physique des surfaces et
interfaces