Electrical and optical characterization of spin polarized electron diffusion in graphene/Ge heterostructures

Since its discovery in 2004, graphene turned out to be a novel material in many electronics applications, where it can be used as a 2D transparent electrode with very high mobility and large current capability. Among its applications, recent works have investigated the possibility of using graphene also in spintronics , where, thanks to the low spin-orbit interaction, it can be used as a spin transport channel with a large spin diffusion length ( several micrometres at room temperature). In this thesis work, I have investigated the injection and transport of spin current in graphene, coupled to a low n-doped Ge substrate, forming a graphene/Ge Schottky junction. The spin current is generated in Ge by means of illumination with circularly polarized light, exploiting the phenomenon of optical orientation: thanks to the optical selection rules for direct transitions in semiconductors, the angular momentum of the photon is coupled to the spin degree of freedom of the photoexcited carriers. The electrons promoted in the conduction band of Ge present a net spin polarization and generate a spin current. The latter eventually diffuses from Ge to graphene and then in graphene itself, and finally reaching a thin Pt pad, where it can be detected thanks to inverse spin-Hall effect. The sample used for the experiments presented in this thesis has been fabricated at the L-Ness laboratories in Como, using electron beam lithography and a wet transfer technique for the transfer of graphene. The quality of the graphene/Ge Schottky junction has been tested by means of an electrical characterization, which has shown the correct rectifying behaviour as predicted from the thermionic emission theory. From the characterization of the ISHE signal, The transfer of a spin current from a semiconductor (Ge) and graphene through a Schottky contact has been demonstrated as well as the transport of spin polarized carriers in graphene has been achieved.

Sin dalla sua scoperta nel 2004, il grafene si è dimostrato essere un materiale rivoluzionario in molte applicazioni elettroniche, dove viene usato come elettrodo 2D trasparente con un’elevata mobilità dei portatori. Tra le sue molte applicazioni, recenti studi hanno evidenziato la possibilità di utilizzare il grafene nella spintronica, dove, grazie alla piccola interazione di spin orbita, può essere utilizzato come canale per il transporto di spin con un’elevata lunghezza di diffusione dello spin. In questo lavoro, ho studiato l’iniezione e il trasporto di spin nel grafene, accoppiandolo con un substrato di Ge leggermente drogato n, a formare una giunzione Schottky grafene/Ge. La corrente di spin viene generata nel Ge illuminandolo con luce polarizzata circolarmente. Grazie alle regole di selezione per transizioni ottiche di dipoli elettrico nei semiconduttori, il momento angolare dei fotoni viene accoppiato con lo spin dei portatori fotoeccitati. In questo modo, gli elettroni promossi nella banda di conduzione del Ge presentano una polarizzazione di spin netta e, diffondendo, generano una corrente di spin. Quest‘ultima può a questo punto diffondere nel grafene. In tal caso, la corrente di spin raggiunge un sottile film di Pt dove, tramite effetto spin-Hall inverso, genera una differenza di potenziale ai capi del Pt. Misurando questa differenza di potenziale, siamo in grado di determinare se l’iniezione e il trasporto di spin nel grafene ha avuto successo. Il campione utilizzato per gli esperimenti è stato fabbricato presso i laboratori L-Ness di Como, usando litografia elettronica, mentre il grafene è stato traferito sulla struttura usando una tecnica di wet transfer. La qualità della giunzione Schottky grafene/Ge è stata testata facendo una caratterizzazione elettrica, che ha mostrato il corretto andamento rettificante, come predetto dalla teoria di emissione termoionica. Dalla caratterizzazione del segnale ISHE è stata sperimentalmente dimostrato il trasferimento di una corrente di spin da un semiconduttore (Ge) al grafene attravero una giunzione Schottky grafene/Ge, così come il trasporto all’interno del grafene medesimo fino al film di Pt è stato ottenuto.