Growth of twin-free bismuth antimonide thin films and study of the associated spin-orbit torques

Digital transformation affects many aspects of today’s society and is a crucial challenge for our future. In order to be sustainable, the adoption of digital technology requires more energy-efficient computer memories. One way to achieve it rests on the adoption of non-volatile magnetic memories, where the bits are stored in terms of spin up and spin down states without be ing continuously powered. An efficient writing mechanism for such memories is based on spin-orbit torques (SOTs), magnetic torques that rely on the con version of charge and spin currents. SOTs were first studied at the interface of heavy metal (HM) and ferromagnet (FM), but more recently topological insulators (TIs) gained considerable interest from the scientific community due to their exotic properties. TIs do not conduct current in the bulk but possess conductive states on their surface. There, the spin of the electrons is bound to their momentum, in a phenomenon called spin-momentum locking. This allows TIs to conduct fully spin-polarized electrons, generating a the oretical 100% charge to spin conversion, which can, in principle, lead to the generation of highly efficient SOTs. Among different topological insulators, Bismuth Antimonide (BixSb1-x) is one of the most promising for spintronic applications: it was one of the first TI to be reported experimentally and then extensively characterized, and has shown very high SOT efficiencies. However, the challenges to overcome to fully characterize this material and exploit the SOTs it generates are many. Firstly, the relation between SOT efficiency and crystallographic orientations of BixSb1-x was never addressed; then thermal effects are proven to create artifacts in the SOTs measure ments and are complex to disentangle; and finally the origin of SOTs in this material is still under debate. This project aims to perfect the growth of epitaxial Bi0.9Sb0.1 thin films on a substrate of BaF2 (111) using Molecular Beam Epitaxy (MBE), and ex tensively characterize it. Then, the heterostructure BaF2(111)/Bi0.9Sb0.1(10 nm)/FeCo(1.7 nm)/AlOx(3.5 nm) is used to perform high-precision SOT measurements to disentangle pure spin effects from the thermal effect, and to study the charge-spin conversion efficiency as a function of the current di rection relative to the crystallographic orientation. We were able to develop a growth method for the deposition of Bi0.9Sb0.1, obtaining epitaxial and twin-free thin films. In the full heterostructure, we subsequently studied the SOTs successfully disentangling the SOT signal from the strong thermal effects and finding high efficiencies. Moreover, no significant dependence of SOTs generation on the crystallographic orientations of Bi0.9Sb0.1 was observed. For comparison, also an amorphous sample of Bi0.9Sb0.1 in the heterostructure MgO(001)/FeCo(1.7 nm)/Bi0.9Sb0.1(10 nm)/AlOx(3.5 nm) was grown with MBE: in this case, we found that the second harmonic Hall signal is dominated by the thermal effects and the efficiencies of the torques are much lower than in the twin-free case. Finally, the magnetotransport measurements of both samples show behaviors that can be associated with large spin accumulation for the twin-free sample and low spin accumulation for the amorphous sample, in agreement with the SOT analysis.

La trasformazione digitale è una sfida cruciale per il nostro futuro, e riguarda molti aspetti della società di oggi. Per essere sostenibile, l’adozione di nuove tecnologie richiede memorie per computer più efficienti dal punto di vista energetico. Una possibile soluzione è l’utilizzo di memorie magnetiche non volatili, dove i bit sono memorizzati in termini di spin up e spin down senza essere continuamente alimentati. Un meccanismo di scrittura molto efficiente per queste memorie è basato sulle spin-orbit torques (SOTs), torques magnetiche che si basano sulla conversione tra carica a spin. Le SOTs sono state inizialmente studiate all’interfaccia tra metalli pesanti (HM) e ferromagneti (FM), ma più recentemente gli isolanti topologici (TI) hanno guadagnato un notevole interesse da parte della comunità scientifica a causa delle loro proprietà esotiche. I TI non conducono corrente nel bulk ma possiedono stati conduttivi sulla loro superficie. In questi stati, lo spin degli elettroni è legato al loro momento, in un fenomeno chiamato spin-momentum locking. Questo permette ai TI di condurre elettroni completamente polarizzati in spin, generando una conversione teorica del 100% di carica in spin, che può in linea di principio portare alla generazione di SOT con elevata efficienza. Tra diversi isolanti topologici, Bismuth Antimonide (BixSb1-x) è uno dei più promettenti per applicazioni in spintronica: è stato uno dei primi TI ad essere riportato sperimentalmente e ampiamente caratterizzato, e ha mostrato efficienze delle SOT molto elevate. Tuttavia, le sfide da superare per caratterizzare completamente questo materiale e sfruttare le SOT che genera sono diverse. In primo luogo, la relazione tra efficienza delle SOT e orientazioni cristallografiche del BixSb1-x non è mai stata affrontata; inoltre è dimostrato che gli effetti termici creano artefatti nelle misure di SOTs e sono complessi da isolare; infine, l’origine delle SOT in questo materiale è ancora oggetto di dibattito. Questo progetto mira a perfezionare la crescita di film sottili epitassiali di Bi0.9Sb0.1 su un substrato di BaF2 (111) usando Molec ular Beam Epitaxy (MBE) e caratterizzarlo ampiamente. Successivamente, l'eterostruttura BaF2(111)/Bi0.9Sb0.1(10 nm)/FeCo(1.7 nm)/AlOx(3.5 nm) è usata per misurare con molta precisione le SOT, distinguendo gli effetti ter mici da quelli puramente di spin, e per studiare l’efficienza della conversione tra carica e spin in funzione della direzione della corrente in relazione alle orientazioni cristallografiche. In questo progetto è stato possibile sviluppare un metodo di crescita per la deposizione di Bi0.9Sb0.1, ottenendo film sottili epitassiali e twin-free. Nell’eterostruttura completa, le SOTs sono state successivamente studiate con successo, isolando il segnale corrispondente alle SOTs dai forti effetti termici e trovando alte efficienze. Inoltre, non è stata osservata alcuna dipendenza significativa della generazione di SOTs sulle orientazioni cristallografiche del Bi0.9Sb0.1. Per avere un confronto, è stato deposi tato con MBE anche un campione amorfo di Bi0.9Sb0.1 nell’eterostruttura MgO(001)/FeCo(1,7 nm)/Bi0.9Sb0.1(10 nm)/AlOx(3.5 nm): in questo caso, è stato trovato che il segnale trasversale della seconda armonica `e dominato dagli effetti termici e le efficienze delle torques sono molto più basse che nel caso senza twins. Infine, le misure di magnetotrasporto di entrambi i campioni mostrano comportamenti che possono essere associati a una grande spin accumulazione per il campione senza twins e ad una piccola spin accumulazione per il campione amorfo, in accordo con l’analisi delle torques.