Effets de filtre à spin dans les jonctions métal ferromagnétique/semiconducteur : transport et effets dinterface Encadrement : Yves Lassailly (directeur.

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

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

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

4 E E Courant de charge non polarisé de spin Courant de charge polarisé de spin e-e- e-e- e-e- Electronique classiqueElectronique de spin Charge : grandeur conservativeSpin : grandeur non conservative Partie I Introduction

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

6 T : transmission S : sélectivité en spin P C : polarisation de spin du courant transmis Concept de Filtre à spin Système à trois terminaux : injection (E 0 ), filtrage en spin (L), collection (filtrage en énergie, ) I C = T P 0 = 0 I 0 = 1 E P C = S L qq d d MF M M E0E0 Partie I Introduction

7 T : transmission S : sélectivité en spin P C : polarisation de spin du courant transmis Concept de Filtre à spin Système à trois terminaux : injection (E 0 ), filtrage en spin (L), collection (filtrage en énergie, ) I C = T P 0 = 0 I 0 = 1 E P C = S L qq d d MF M M E0E0 Partie I Introduction Transport balistique : E 0 =

8 E 0 Volt 0.8 eV Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003) I C + = TI 0 (1+A C ) H (Oe) I C (nA) A C = 65% 300 K IC+IC+ IC-IC- > Transport balistique Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur Partie I Introduction Transistor à Vanne de spin à basse énergie dinjection

9 Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003) Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur H (Oe) I C (nA) A C = 65% 300 K IC+IC+ IC-IC- I C - = TI 0 (1-A C ) Transport balistique Partie I Introduction E 0 Volt 0.8 eV > Transistor à Vanne de spin à basse énergie dinjection

10 Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003) Qualités : Fonctionne à basse tension Fonctionne à 300 K Forte asymétrie de spin A C = 65 % 300 K A C = 95 % 77 K Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur Partie I Introduction Transistor à Vanne de spin à basse énergie dinjection Transport balistique E 0 Volt 0.8 eV >

11 Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003) Qualités : Fonctionne à basse tension Fonctionne à 300 K Forte asymétrie de spin A C = 65 % 300 K A C = 95 % 77 K Faiblesses : Faible efficacité de collection dans le SC T 10 -4 - 10 -3 Partie I Introduction Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur Transistor à Vanne de spin à basse énergie dinjection Transport balistique E 0 Volt 0.8 eV >

12 Pd/Fe/Ox/GaAs Nicolas Rougemaille (Thèse, 2003) Gain = 1 Transistor à Vanne de spin à haute énergie dinjection Partie I Introduction Energie E 0 (eV) 10 -4 10 -2 1 10 -6 10 -3 10 -2 10 -1 10 -4 T T A C = T/2T

13 Partie II Problématique Quelle est lorigine de lévolution T et A C avec lénergie dinjection ? Comment décrire le transport à haute énergie dinjection dans le filtre à spin ? Le transport est il toujours sélectif en spin à haute énergie dinjection ? Quel est la contribution de la barrière dinterface MF/SC ? Objectifs :

14 Stratégie : Filtre à spin = Emetteur+BaseCollecteur+ Paramètres : Énergie dinjection Paramètres : épaisseurs Paramètres : Barrière dinterface, SC Partie II Problématique

15 Approche expérimentale Partie II Problématique Expérience de transport Emetteur : source délectrons polarisés de spin en GaAs Base : couche ferromagnétique Collecteur : semi-conducteur Fabrication et caractérisations des jonctions I-VM

16 Principe de la mesure Mesure : - Transmission : - Dépendance en spin de T - Asymétrie en spin de T Conditions dinjection : - Energie d'injection E 0 (variable) - Polarisation incidente P 0 = 25 % - Courant incident : I 0 = I B + I C +P 0 -P 0 T T I C /I 0 t Partie II Problématique

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

18 Relaxation de lénergie et de la vitesse (longitudinale) : cascade délectrons secondaires Après chaque collision, 2 électrons avec en moyenne : E f = E i /2 et v f = v i /2 Hypothèses du modèle : mécanismes de collisions Partie III Modélisation du transport Multiplication par électrons secondaires : M = E 0 / Proportion délectrons primaires : /E 0

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

20 3 distributions à linterface MF/SC La distribution des primaires de spin majoritaire f P + La distribution des primaires de spin minoritaire f p - La distribution délectrons secondaires f S non polarisés. 3 largeurs de distribution : P +, P -, M Partie III Modélisation du transport Hypothèses du modèle : distributions électroniques à l'interface base/collecteur

21 Hypothèses du modèle : Propriétés de linterface base/collecteur Partie III Modélisation du transport BV EFEF BC ion Deux barrières dinterface : Barrière de Schottky : SC = 0.7 eV (mesurée) Gap de loxyde : OX = 4.5 eV (mesurée) Seuil dionisation par impact : ion 5 eV (mesurée) OX ion

22 ( ) SC OX SC OX ion 10 -4 0.5 Tunnel Ionisation par impact Partie III Modélisation du transport Hypothèses du modèle : Propriétés de linterface base/collecteur Deux barrières dinterface : Barrière de Schottky : SC = 0.7 eV (mesurée) Gap de loxyde : OX = 4.5 eV (mesurée) Seuil dionisation par impact : ion 5 eV (mesurée) OX ion

23 Etude de la transmission (P 0 = 0) Partie III Modélisation du transport T : M ou M E 0 (eV) T

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

25 Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P 0 = 0) T : M ou M T SC : transmission au dessus de la barrière Φ SC (Schottky) T OX : transmission au dessus de la barrière Φ OX (Oxyde) T ion : transmission au dessus de la barrière Φ ion (ionisation par impact)

26 Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P 0 = 0) T : M ou M T SC : transmission au dessus de la barrière Φ SC (Schottky) T OX : transmission au dessus de la barrière Φ OX (Oxyde) T ion : transmission au dessus de la barrière Φ ion (ionisation par impact)

27 Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P 0 = 0) T : M ou M T SC : transmission au dessus de la barrière Φ SC (Schottky) T OX : transmission au dessus de la barrière Φ OX (Oxyde) T ion : transmission au dessus de la barrière Φ ion (ionisation par impact)

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

29 Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P 0 = 0) Extraction de lénergie moyenne M (résolution graphique)

30 SC = 10 -4 SC = 0.7 eV OX = 0.5 OX = 4.5 eV ion = 5 eV OX = 0.5 Energie E 0 (eV) B = 0.7 eV Extraction de lénergie moyenne M (résolution graphique) E 0 = 80 eV Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P 0 = 0)

31 Comment expliquer en terme de transport la loi de variation M (E 0 ) ? Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P 0 = 0)

32 Calcul théorique de lénergie moyenne Régime balistique k : k 0 k F : E 0 E ball parcours : z ball Régime diffusif k aléatoire < k F parcours : z diff : E ball M 2 régimes de transport : d = z ball + z diff M Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P 0 = 0)

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

34 Les équations de transport dans la base métallique 1) Régime balistique 2) Régime diffusif (équation de diffusion) avec Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P 0 = 0) M tel que d = z diff + z ball

35 1) Régime balistique 2) Régime diffusif (équation de diffusion) ( ) ? Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P 0 = 0) Les équations de transport dans la base métallique avec M tel que d = z diff + z ball

36 Détermination de ( ) pour retrouver la loi M (E 0 ) Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P 0 = 0)

37 Partie III Modélisation du transport Etude de la transmission (P 0 = 0) z ball z diff M

38 Interprétation des 3 régimes de transmission 1 er régime : T T SC et M cst T Energie E 0 (eV) Partie III Modélisation du transport

39 T plus vite que linéairement T Energie E 0 (eV) Partie III Modélisation du transport Interprétation des 3 régimes de transmission 1 er régime : T T SC et M cst 2 ème régime : T T SC et M

40 Energie E 0 (eV) 3 ème régime : T T OX T Partie III Modélisation du transport Interprétation des 3 régimes de transmission T plus vite que linéairement 1 er régime : T T SC et M cst 2 ème régime : T T SC et M

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

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

43 E 0 /3 E 0 /2 E0E0 F=f P + Mf s fpfp Partie III Modélisation du transport

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

45 Expression de lasymétrie de spin A C pour une barrière (, ) Lorsque S 1 et Partie III Modélisation du transport

46 Indépendant de Energie danalyse Energie dinjection Lorsque S 1 et Partie III Modélisation du transport Expression de lasymétrie de spin A C pour une barrière (, )

47 Interprétation du saut de A C A C augmente dans le rapport Partie III Modélisation du transport

48 Récapitulatif Fe/Ox/GaAs Transport dans le filtre à spin Relaxation de E et k dans la base M (E 0 ) Transport à linterface base/collecteur 2 barrières Transport sélectif en spin jusqu'à 1000 eV dinjection Energie moyenne des électrons collectés : quelques eV Partie III Modélisation du transport

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

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

51 T Energie E 0 (eV) Conditions dinjection : mise en évidence de l'ionisation par impact Partie IV Influence des paramètres dinjection, de transport et de collection

52 T Energie E 0 (eV) Conditions dinjection : mise en évidence de l'ionisation par impact Partie IV Influence des paramètres dinjection, de transport et de collection

53 Extraction du paramètre dinterface OX A haute énergie dinjection : M ion T OX E 0 / ion OX / ion = 0.13 OX = 0.65 T Energie E 0 (eV) Partie IV Influence des paramètres dinjection, de transport et de collection Conditions dinjection : mise en évidence de l'ionisation par impact

54 T Energie E 0 (eV) T maximum pour E 0 = 1500 eV T max = 28% pour P 0 = 100 % Conditions dinjection : mise en évidence de l'ionisation par impact Partie IV Influence des paramètres dinjection, de transport et de collection

55 Influence des épaisseurs : effet sur la transmission T Partie IV Influence des paramètres dinjection, de transport et de collection d z diff M

56 Influence des épaisseurs : effet sur la transmission T d= 45 Å d= 70 Å T Energie E 0 (eV) Epaisseurs (Å) E* (eV) E* = 520 eV E* = 760 eV Possibilité de varier E* avec lépaisseur du filtre à spin E* énergie pour laquelle le gain = 1 Partie IV Influence des paramètres dinjection, de transport et de collection

57 A C /P 0 Energie E 0 (eV) E E* = 520 eV E E* = 760 eV d= 45 Å (d Fe = 25 Å) d= 70 Å (d Fe = 40 Å) Lasymétrie passe par un maximum A Cmax à E 0 E* E* dépend de lépaisseur totale de la base métallique. A Cmax dépend peu de lépaisseur de Fer. S > 80 % Influence des épaisseurs : effet sur l'asymétrie A C Partie IV Influence des paramètres dinjection, de transport et de collection

58 Barrière(s) dinterface Choix du collecteur GaAs Pd/Fe/I/GaAs Si Au/Co/Au/Si Prodhomme 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 lhydrazine Pd/Fe/N-GaAs Berkovits V.L, APL 80, 3739 (2002) 2 barrières Surface oxydée Pd/Fe/Ox/GaAs (procédé UVOCS) Caractéristiques du collecteur : Partie IV Influence des paramètres dinjection, de transport et de collection

59 J(A/cm 2 Tension (V) T recuit = 150°C B = 0.70 0.05 eV n = 1.1 0.1 Emission thermoionique Caractéristiques du collecteur : fabrication et caractérisation Partie IV Influence des paramètres dinjection, de transport et de collection H (Oe) m/m s Aimantation rémanente 100 % Champ coercitif 40 Oe

60 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 Energie E 0 (eV) Caractéristiques du collecteur : fabrication et caractérisation Partie IV Influence des paramètres dinjection, de transport et de collection

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

62 Conclusions Loi M (E 0 ) + Profil de linterface ( ) = 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 dinjection et distribution des électrons transmis Détermination des condtions de fonctionnement combinant T > 1 et S 1 : énergie dinjection épaisseurs des couches propriétés de la jonction base/collecteur

63 Perspectives 1) Inversion du problème pour remonter à ( ) à partir de T Loi M (E 0 ) + Profil de linterface ( ) = Filtre à spin T T Spectroscopie de la transmission à linterface métal/SC sur la gamme dénergie 0.2 eV – 10 eV. Partie V Conclusions et perspectives

64 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 E 0 (eV) Ce terme est beaucoup plus grand que leffet de filtre à spin …mais difficile à mettre en évidence Pd/Fe/Ox/GaAs Perspectives Partie V Conclusions et perspectives

65 3) Problématique de lélectronique de spin Réalisation dune vanne de spin tout solide fonctionnant autour de lannulation E* Figure de mérite très élevée Perspectives Partie V Conclusions et perspectives ICIC IBIB I B = 0 E*

66 3) Problématique de lélectronique de spin Réalisation dune vanne de spin tout solide fonctionnant autour de lannulation E* Figure de mérite très élevée Perspectives Partie V Conclusions et perspectives IB+IB+ IB-IB- I B I B = 0 E = E* temps (ms) IBIB

67 3) Problématique de lélectronique de spin Réalisation dune vanne de spin tout solide fonctionnant autour de lannulation E* Figure de mérite très élevée Perspectives Partie V Conclusions et perspectives ABAB E 0 (eV)