1 / 67

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.

nitara
Download Presentation

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

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  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

More Related