Spin-to-charge conversion in Bi2Se3/Ge(111)

This thesis work is focused on spin-to-charge conversion phenomena occurring in Bi2Se3/Ge(111). Bulk Bi2Se3 is a topological insulator so that its surface states are spin-spit and show a linear dispersion relation which could increase the efficiency of the conversion of an injected spin current into a charge current. By optically injecting a spin-oriented electron population in the conduction band of the Ge substrate, which acts as spin injector, employing circularly polarized light, the generated spin current can diffuse toward the Bi2Se3 layer, used as spin detector. At the Bi2Se3/Ge interface, spin-polarized electrons enter the spin-split surface states, giving rise to a detected two-dimensional interface charge current. The 2D conversion efficiency of the process is addressed and related to the 3D one of a reference Pt/Ge(111) sample. The spin transport from the semiconductor toward the Bi2Se3 and the Pt detectors is also investigated by a spin drift-diffusion model to evaluate the spin diffusion length.

Questa tesi vuole analizzare i meccanismi di conversione spin-carica che avvengono nel Bi2Se3/Ge(111). Il Bi2Se3 è un isolante topologico: i suoi stati di superficie sono separati in base allo spin e mostrano una relazione di dispersione lineare che potrebbe aumentare l’efficienza di conversione di una corrente di spin iniettata in una corrente di carica. Iniettando otticamente una popolazione di elettroni spin-polarizzati nella banda di conduzione del substrato di Ge, usato come iniettore di spin, tramite luce circolarmente polarizzata, la risultante corrente di spin diffonde ovunque, anche nel Bi2Se3, usato come rivelatore di spin. All’interfaccia tra Bi2Se3 e Ge, gli elettroni, i quali possiedono uno spin ben definito, si dispongono negli stati spin-polarizzati di superficie, dando così origine alla corrente bidimensionale di superficie misurata. L’efficienza di conversione 2D del processo viene stimata e paragonata a quella 3D di un campione di riferimento di Pt/Ge(111). Il trasporto di spin dal semiconduttore verso i detector di Bi2Se3 e di Pt può essere studiato tramite un modello di diffusione e deriva dello spin per stimare la lunghezza di diffusione di spin.