Interplay between ferroelectricity and spin texture in GeTe

This thesis deals with the characterization of the interplay between ferroelectric and spin properties of Germanium Telluride thin films. GeTe is a well-known phase-change material but also the father compound of the novel class of multifunctional materials called FErroelectric Rashba SemiConductors (FERSCs), recently discovered by S. Picozzi et al. by Density Functional Theory calculations. In GeTe the breaking of inversion symmetry is given by the ferroelectric polarization, which in turns can be used to control the spin texture of the electronic bands. The fundamental milestones achieved during this thesis are: (i) a detailed characterization of ferroelectricity in GeTe as a function of thickness and capping layer, (ii) the writing of ferroelectric domains stable over days; (iii) the direct observation and quantitative investigation of Rashba-type bulk bands in high quality epitaxial films of GeTe. The stability of ferroelectricity versus film thickness has been investigated by writing and monitoring the temporal evolution of ferroelectric domains, by means of Piezoresponse Force Microscopy (PFM). The measurement of local ferroelectric hysteresis loops by PFM allowed to estimate the coercivity of the films, which is about 2 V for thickness below 100 nm. Due to the high conductivity of GeTe, a huge effort has been devoted to disentangle true piezoelectric signals from artefacts. Furthermore we have demonstrated the capability of writing ferroelectric domains with opposite polarities stables over more than 24 hours. Finally, the Rashba spin texture of the valence band in GeTe films has been mapped by means of Spin and Angle Resolved Photoemission Spectroscopy (SARPES). Two opposite senses of circulation of spins were measured in two differente GeTe samples with opposite ferroelectric polarizations, thus providing experimental evidence for the link between ferroelectric polarization and Rashba. The characterization of FERSCs properties presented in this thesis represents a fundamental step towards the development of Spintronic devices, in which the interplay between ferroelectricity and spin-orbit coupling plays a key role.  

Il presente lavoro di tesi si concentra sulla caratterizzazione delle proprietà ferroelettriche e di trasporto di spin di film sottili di Germanio Tellurio (GeTe), capostipite di una nuova classe di semiconduttori, FErroelectric Rashba SemiConductors (FERSCs), recentemente scoperta da S. Picozzi et al. grazie a simulazioni con l’approccio della Teoria del Funzionale Densità (DFT). In GeTe la rottura di simmetria è causata dalla polarizzazione ferroelettrica, la quale a sua volta può essere sfruttata per il controllo dell’assetto circolare delle bande di spin. E’ proprio la caratterizzazione dettagliata della ferroelettricità e della sua stabilità temporale, unitamente all’osservazione diretta e quantitativa del carattere di spin delle bande Rashba in film di GeTe a costituire il fondamentale traguardo raggiunto in questo progetto di tesi, la quale contiene la prova sperimentale delle predizioni teoriche su GeTe e, più in generale, sui FERSCs . La tecnica di microscopia a risposta piezoelettrica (PFM) ha consentito di dimostrare la stabilità del comportamento ferroelettrico di film sottili di GeTe in funzione del loro spessore, in virtù della possibilità di stabilizzare e rilevare nel tempo domini ferroelettrici e di misurare cicli di isteresi da cui poter estrarre la loro coercitività, dimostratasi di circa 2V per spessori inferiori a 100 nm. A tale scopo è stato necessario ottimizzare la tecnica per superare le difficoltà derivanti dalla conducibilità del GeTe, dalla sua modesta risposta piezoelettrica, nonché dalle intense interazioni elettrostatiche. Ciò ha condotto allo sviluppo di metodi di correzione e di filtraggio del segnale misurato che consentono di massimizzare la sensibilità del PFM. Inoltre, la chiralità degli spin delle bande di valenza del GeTe è stata ricostruita per mezzo di tecniche di fotoemissione risolta in angolo e in spin, attraverso le quali è stato possibile misurare due circolazioni opposte degli stati elettronici di due campioni con polarizzazione ferroelettrica opposta, dando prova sperimentale del legame tra ferroelettricità e proprietà Rashba dello spin. L’importanza dei risultati ottenuti in questa tesi è legata alla dimostrazione sperimentale delle proprietà fondamentali dei FERSCs, nonché allo sviluppo di tecniche essenziali per la fabbricazione e caratterizzazione di nuovi dispositivi per l’elettronica di spin in cui l’interrelazione tra ferroelettricità e trasporto di spin gioca un ruolo fondamentale.