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

Effets de filtre à spin dans les jonctions métal ferromagnétique/semiconducteur : transport et effets d’interface. Driss Lamine. Encadrement : Yves Lassailly (directeur de thèse), Jacques Peretti. Plan. I) Introduction. II) Problématique.

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  1. Effets de filtre à spin dans les jonctions métal ferromagnétique/semiconducteur : transport et effets d’interface Driss Lamine Encadrement : Yves Lassailly (directeur de thèse), Jacques Peretti

  2. Plan I) Introduction II) Problématique III) Modélisation du transport dépendant du spin dans les jonctions MF/SC IV) Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection V) Conclusions et perspectives

  3. Partie I Introduction Electronique classique Electronique de spin E E e- e- e- Courant de charge non polarisé de spin Courant de charge polarisé de spin

  4. Partie I Introduction Electronique classique Electronique de spin E E e- e- e- Courant de charge non polarisé de spin Courant de charge polarisé de spin Charge : grandeur conservative Spin : grandeur non conservative

  5. Partie I Introduction Le transport électronique dans les métaux ferromagnétiques E • Transport dépendant du spin à E = EF: + effets d’interface GMR A. Fert, P. Grünberg : Prix nobel de physique 2007 EF • Transport électronique à E > EF (électrons chauds) : D. P. Pappas et al., PRL 66, 504 (1991) Métal non ferromagnétique l : libre parcours moyen inélastique , d ≈ nm d: longueur de discrimination de spin

  6. E E0  IC = T P0 = 0 PC = S I0 = 1 MF M M d L ≈ qq  d ≈ d Partie I Introduction Concept de Filtre à spin • Système à trois terminaux : injection (E0) , filtrage en spin (L), collection (filtrage en énergie, ) T : transmission S : sélectivité en spin PC : polarisation de spin du courant transmis

  7. E E0  IC = T P0 = 0 PC = S I0 = 1 MF M M d L ≈ qq  d ≈ d Partie I Introduction Concept de Filtre à spin • Système à trois terminaux : injection (E0) , filtrage en spin (L), collection (filtrage en énergie, ) T : transmission S : sélectivité en spin PC : polarisation de spin du courant transmis Transport balistique : E0 = 

  8. IC(nA) AC = 65% 300 K H (Oe) Partie I Introduction Transistor à Vanne de spin à basse énergie d’injection Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003) IC+ = TI0(1+AC) IC+ IC- > fB 0.8 eV E0 Volt Transport balistique

  9. IC(nA) AC = 65% 300 K H (Oe) Partie I Introduction Transistor à Vanne de spin à basse énergie d’injection Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003) IC- = TI0(1-AC) IC+ IC- > fB 0.8 eV E0 Volt Transport balistique

  10. Partie I Introduction Transistor à Vanne de spin à basse énergie d’injection Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003) • Qualités : • Fonctionne à basse tension • Fonctionne à 300 K • Forte asymétrie de spin AC = 65 % 300 K AC = 95 % 77 K > fB 0.8 eV E0 Volt Transport balistique

  11. > fB 0.8 eV E0 Volt Transport balistique Partie I Introduction Transistor à Vanne de spin à basse énergie d’injection Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003) • 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

  12. Gain = 1 1 T 10-2 DT 10-4 10-6 10-1 AC = DT/2T 10-2 10-3 10-4 Energie E0 (eV) Partie I Introduction Transistor à Vanne de spin à haute énergie d’injection Pd/Fe/Ox/GaAs Nicolas Rougemaille (Thèse, 2003)

  13. Partie II Problématique Objectifs : • 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 ?

  14. Partie II Problématique Stratégie : Filtre à spin = Emetteur + Base + Collecteur Paramètres : Énergie d’injection Paramètres : épaisseurs Paramètres : Barrière d’interface, SC

  15. Partie II Problématique Approche expérimentale I-V M • Fabrication et caractérisations des jonctions • Expérience de transport Emetteur : source d’électrons polarisés de spin en GaAs Base : couche ferromagnétique Collecteur : semi-conducteur

  16. Partie II Problématique Principe de la mesure Conditions d’injection : - Energie d'injection E0 (variable) - Polarisation incidente P0 = 25 % - Courant incident : I0 = IB + IC Mesure : - Transmission : - Dépendance en spin de T - Asymétrie en spin de T IC/I0 +P0 +P0 +P0 T -P0 -P0 T t

  17. Plan I) Introduction II) Problématique III) Modélisation du transport dépendant du spin dans les jonctions MF/SC IV) Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection V) Conclusions et perspectives

  18. Partie III Modélisation du transport Hypothèses du modèle : mécanismes de collisions • 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 Multiplication par électrons secondaires : M = E0/ Proportion d’électrons primaires : /E0

  19. Partie III Modélisation du transport Hypothèses du modèle : distributions électroniques à l'interface base/collecteur

  20. Partie III Modélisation du transport Hypothèses du modèle : distributions électroniques à l'interface base/collecteur 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

  21. ion BC EF BV Partie III Modélisation du transport Hypothèses du modèle : Propriétés de l’interface base/collecteur • Deux barrières d’interface: Barrière de Schottky : fSC = 0.7 eV (mesurée) Gap de l’oxyde : fOX = 4.5 eV (mesurée) • Seuil d’ionisation par impact : fion 5 eV(mesurée) OXe/fion

  22. ()  0.5 OX Ionisation par impact  10-4 SC Tunnel  SC OX ion Partie III Modélisation du transport Hypothèses du modèle : Propriétés de l’interface base/collecteur • Deux barrières d’interface: Barrière de Schottky : fSC = 0.7 eV (mesurée) Gap de l’oxyde : fOX = 4.5 eV (mesurée) • Seuil d’ionisation par impact : fion 5 eV(mesurée) OXe/fion

  23. T : M ou M Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) T E0 (eV)

  24. T : M ou M Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) Coefficient de multiplication dans le métal Multiplication par Ionisation par impact

  25. T : M ou M Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) 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)

  26. T : M ou M Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) 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)

  27. T : M ou M Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) 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)

  28. T : M ou M Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0)

  29. Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) Extraction de l’énergie moyenne M (résolution graphique)

  30. Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) Extraction de l’énergie moyenne M (résolution graphique) SC = 10-4 SC = 0.7 eV B = 0.7 eV OX = 0.5 OX = 4.5 eV E0 = 80 eV OX = 0.5 ion = 5 eV Energie E0 (eV)

  31. Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) Comment expliquer en terme de transport la loi de variation M(E0) ?

  32. Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) Calcul théorique de l’énergie moyenne 2 régimes de transport : • Régime balistique k : k0 kF  : E0 Eball parcours : zball • Régime diffusif k aléatoire < kF parcours : zdiff  : EballM d = zball + zdiff M

  33. Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) Les équations de transport dans la base métallique 1) Régime balistique avec

  34. Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) Les équations de transport dans la base métallique 1) Régime balistique avec 2) Régime diffusif (équation de diffusion) eM tel que d = zdiff + zball

  35. Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) Les équations de transport dans la base métallique 1) Régime balistique avec () ? 2) Régime diffusif (équation de diffusion) eM tel que d = zdiff + zball

  36. Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0) Détermination de () pour retrouver la loi M(E0)

  37. zball zdiff M Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P0 = 0)

  38. Partie III Modélisation du transport Interprétation des 3 régimes de transmission 1er régime : T  TSC et M  cst T Energie E0 (eV)

  39. Partie III Modélisation du transport Interprétation des 3 régimes de transmission 1er régime : T  TSC et M  cst 2ème régime : T  TSC et M T T plus vite que linéairement Energie E0 (eV)

  40. Partie III Modélisation du transport Interprétation des 3 régimes de transmission 1er régime : T  TSC et M  cst 2ème régime : T  TSC et M T T plus vite que linéairement 3ème régime : T  TOX Energie E0 (eV)

  41. Partie III Modélisation du transport Expression de la transmission dépendante du spin T Multiplication dépendante du spin Effet de filtre à spin

  42. Partie III Modélisation du transport Expression de la transmission dépendante du spin T Multiplication dépendante du spin Effet de filtre à spin

  43. E0 fp E0/2 F=fP + Mfs E0/3 Partie III Modélisation du transport Expression de la transmission dépendante du spin T 

  44. Partie III Modélisation du transport Interprétation des 3 régimes de T

  45. Partie III Modélisation du transport Expression de l’asymétrie de spin AC pour une barrière (,) et Lorsque S  1 et

  46. Partie III Modélisation du transport Expression de l’asymétrie de spin AC pour une barrière (,) et Lorsque S  1 et Energie d’analyse Indépendant de  Energie d’injection

  47. AC augmente dans le rapport Partie III Modélisation du transport Interprétation du saut de AC

  48. Partie III Modélisation du transport Récapitulatif Fe/Ox/GaAs Relaxation de E et k dans la base M (E0) Transport dans le filtre à spin 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

  49. Plan I) Introduction II) Problématique III) Modélisation du transport dépendant du spin dans les jonctions MF/SC IV) Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection V) Conclusions et perspectives

  50. Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection Conditions d’injection : mise en évidence de l'ionisation par impact

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