Spintronics attention in the last two decades was devoted to look for methods to manipulate the magnetisation of ferromagnets alternative to external magnetic fields. The idea to integrate spin functionalities in electronic devices was lead by dimensions scaling and elimination of magnetic stray fields which magnetic writing heads impose severe limitations for. Moreover, with an all-electric system, it is possible to guarantee high energy efficiency. This was initially achieved by spin-transfer torque, i.e., exploiting spin-polarised currents to transfer momentum to orient the magnetisation of ferromagnetic films in magnetic memories. Recently, a new way to control magnetism emerged. It is called spin-orbit torque which, instead, exploits non magnetic materials with large spin-orbit coupling to generate spin currents to be injected in the ferromagnetic layer. A great effort in terms of research in material science was done to identify new appropriate classes of materials for such a scope. This process involved wider areas of fundamental physics and gave the possibility to develop new measurement techniques. Among all, in 2013, ferroelectric Rashba semiconductors (FERSC) were discovered to possess very intriguing spin properties which can be tuned by means of the ferroelectric polarisation and could represent a valid candidate for spintronic devices. The father compound of this class is germanium telluride, already well-known as phase-change material. In the last years, its properties were widely studied and the interplay between spin transport and ferroelectricity was very recently demonstrated, also at room temperature. This represents an important goal in order to make this material interesting for applications. In general, group-IV tellurides are eligible members for such a class, but the experimental research on other compounds different from GeTe is still unexplored. This thesis presents two case studies: SnTe and GeTe. Indeed, also SnTe was very well-known to belong to another class of materials, namely topological crystalline insulators. This work tries to shed a new light on this material and to investigate its physics looking for properties which make it a FERSC materials, exploiting the possibility of doping this compound with germanium. This study was conducted from a fundamental point of view, optimising the growth and doping process and performing spectroscopic experiments. The results obtained showed the possibility to observe at room temperature bulk Rashba bands and, indirectly, ferroelectricity. Moreover, opportunely tuning the Ge concentration, it was demonstrated the possibility to continuously modulate such properties. While SnTe needed still a fundamental characterisation as a FERSC, previous studies on GeTe allow to exploit it into devices and study its spin transport properties. GeTe films are studied in this work, unveiling the signature of a rich spin texture and showing the presence of non-reciprocal charge transport, validating the glimpsed opportunity to exploit them into devices. Since the fundamental investigation of such materials passes for a spectroscopic analysis which is unequivocally the most direct way to retrieve their band structure, spin and angle-resolved photoemission spectroscopy was the main technique exploited in this work. Even if the state-of-art of technology in this kind of measurements made a lot of progresses in last years in what regards spin detection, it remains a very time-consuming technique because of the low sensitivity in measuring the spin degree of freedom and the pointwise nature of the current set-ups. In this thesis, a new conception of spin detection is proposed and realised through a prototype device based on a matrix of magnetic free-standing membranes grown on graphene. The deposition process of magnetic materials on ultra-thin graphene monolayers was optimised together with an investigation on the mechanical reliability of such a system. Then, these membranes were characterised both mechanically and from the magnetic point of view. This could represent a new way to reconstruct the spin dependence of electronic band structure and, thanks to the intrinsic bidimensionality of such a device, a way to drastically speed up this spectroscopic technique and increase its performances. The study of FERSC and other new classes of materials which sustain complex spin textures could benefit from this device which would guarantee an increased resolution of the measurements and a much smaller duration of the experiments under similar conditions of signal-to-noise ratio.
Nell'ultimo ventennio la spintronica ha cercato delle metodologie per manipolare la magnetizzazione di materiali ferromagnetici che potessero essere alternative a campi magnetici esterni. L'idea di integrare funzionalità legate al grado di libertà di spin in dispositivi elettronici è stata guidata dalla necessità di scalabilità nelle dimensioni dei componenti e l'eliminazione dei campi di demagnetizzazione, difficoltà che affliggono le comuni teste magnetiche usate per la scrittura. Inoltre, un sistema completamente elettrico può garantire maggiore efficienza energetica. Questo fu inizialmente raggiunto tramite spin-transfer torque, ovvero lo sfruttamento di correnti spin polarizzate che permettono di trasferire momento al ferromagnete in modo da poterne orientare la magnetizzazione, in memorie magnetiche. Recentemente, un nuovo modo di controllare questo processo è emerso. Questo fenomeno è chiamato spin-orbit torque e sfrutta materiali non magnetici che presentato un forte accoppiamento spin-orbita per generare correnti di spin che vengono iniettate nello strato magnetico adiacente. Un grande sforzo in termini di scienza dei materiali viene fatto per identificare nuove classi di materiali che permettono l'utilizzo di tale meccanismo. Questo processo coinvolge ampie aree della fisica fondamentale e ha dato la possibilità di sviluppare nuove tecniche di misura. Fra gli innumerevoli materiali proposti negli anni, nel 2013 nei semiconduttori Rashba ferroelettrici (FERSC) furono scoperte proprietà di spin molto peculiari che posso essere controllate per mezzo della ferroelettricità e si sono presto candidati come materiali emergenti per dispositivi spintronici. Il capostipite di questa classe di materiale è il germanio tellurio, già precedentemente noto per le sue proprietà di materiale a cambiamento di fase. Negli ultimi anni, le sue proprietà sono state ampiamente studiate e la connessione fra il trasporto di spin e la ferroelettricità è stata recentemente dimostrata, anche a temperatura ambiente. Questo rappresenta un risultato importante che permette di pensare a questo materiale come eleggibile per applicazioni in spintronica. In generale, i composti di tellurio del gruppo IV della tavola periodica sono componenti di questa classe, ma la ricerca sperimentale su composti diversi dal germanio tellurio non è stata ancora esplorata. Questa tesi presenta due casi studio: SnTe e GeTe. Infatti, anche lo stagno tellurio è un materiale noto per appartenere ad un'altra classe, ossia gli isolanti topologici cristallini. Questo lavoro cerca di gettare una nuova luce su questo composto e di investigare la sua fisica cercando di evidenziare le proprietà che fanno dello stagno tellurio un FERSC, sfruttando la possibilità di drogare questo composto con germanio. Questo studio è stato condotto da un punto di vista fondamentale, ottimizzando la crescita del materiale e del processo di drogaggio e facendo esperimenti di spettroscopia. I risultati ottenuti mostrano la possibilità di osservare a temperatura ambiente delle bande di volume Rashba e dunque, indirettamente, la ferroelettricità. Inoltre, modificando opportunamente la concentrazione di germanio è stato dimostrato di poter modulare queste proprietà in maniera continua. Mentre per SnTe è stato necessario una caratterizzazione di base come materiale FERSC, precedenti studi sul germanio tellurio hanno permesso il suo utilizzo in dispositivi che hanno permesso lo studio delle sue proprietà di trasporto magnetoelettrico. Film di GeTe sono stati studiati rivelando una complessa disposizione dello spin nelle sue bande e mostrando la presenza di un trasporto di carica non reciproco. L'investigazione di tali materiali passa per una analisi spettroscopica. Questa è infatti il modo più diretto per accedere alla struttura a banda di questi composti. La spettroscopia risolta in angolo e in spin è stata la tecnica maggiormente sfruttata in questo lavoro. Nonostante, negli ultimi anni lo stato dell'arte di questa tecnologia ha fatto numerosi progressi per quanto riguarda la misurazione del grado di libertà di spin, questa tecnica rimane tuttora molto dispendiosa in termini di tempo a causa della bassa sensibilità nel misurare lo spin e nella natura puntuale dell'attuale strumentazione. In questa tesi, una nuova concezione di spin detector è stata proposta e realizzata attraverso un prototipo basato su una matrice di membrane magnetiche ultrasottili, depositate su grafene. Il processo di crescita su tale substrato è stato ottimizzato insieme alla caratterizzazione meccanica e magnetica di tale dispositivo. Questo potrebbe rappresentare un nuovo metodo per ricostruire la dipendenza della struttura a bande dallo spin e, grazie all'intrinseca bidimensionalità di questo dispositivo, un modo per ridurre drasticamente le tempistiche di misura di questa tecnica spettroscopica, nonché per aumentarne le prestazioni. Lo studio dei FERSC e di altre classi di materiali che sostengono una struttura di spin complessa potrà beneficiare da questo dispositivo che potrebbe garantire una migliore risoluzione durante le misure e una durata minore degli esperimenti con condizioni di rapporto segnale-rumore simili all'attuale stato dell'arte.
Group-IV tellurides as a playground for enhanced performances in spin and angle-resolved photoemission spectroscopy
NESSI, LUCA
2021/2022
Abstract
Spintronics attention in the last two decades was devoted to look for methods to manipulate the magnetisation of ferromagnets alternative to external magnetic fields. The idea to integrate spin functionalities in electronic devices was lead by dimensions scaling and elimination of magnetic stray fields which magnetic writing heads impose severe limitations for. Moreover, with an all-electric system, it is possible to guarantee high energy efficiency. This was initially achieved by spin-transfer torque, i.e., exploiting spin-polarised currents to transfer momentum to orient the magnetisation of ferromagnetic films in magnetic memories. Recently, a new way to control magnetism emerged. It is called spin-orbit torque which, instead, exploits non magnetic materials with large spin-orbit coupling to generate spin currents to be injected in the ferromagnetic layer. A great effort in terms of research in material science was done to identify new appropriate classes of materials for such a scope. This process involved wider areas of fundamental physics and gave the possibility to develop new measurement techniques. Among all, in 2013, ferroelectric Rashba semiconductors (FERSC) were discovered to possess very intriguing spin properties which can be tuned by means of the ferroelectric polarisation and could represent a valid candidate for spintronic devices. The father compound of this class is germanium telluride, already well-known as phase-change material. In the last years, its properties were widely studied and the interplay between spin transport and ferroelectricity was very recently demonstrated, also at room temperature. This represents an important goal in order to make this material interesting for applications. In general, group-IV tellurides are eligible members for such a class, but the experimental research on other compounds different from GeTe is still unexplored. This thesis presents two case studies: SnTe and GeTe. Indeed, also SnTe was very well-known to belong to another class of materials, namely topological crystalline insulators. This work tries to shed a new light on this material and to investigate its physics looking for properties which make it a FERSC materials, exploiting the possibility of doping this compound with germanium. This study was conducted from a fundamental point of view, optimising the growth and doping process and performing spectroscopic experiments. The results obtained showed the possibility to observe at room temperature bulk Rashba bands and, indirectly, ferroelectricity. Moreover, opportunely tuning the Ge concentration, it was demonstrated the possibility to continuously modulate such properties. While SnTe needed still a fundamental characterisation as a FERSC, previous studies on GeTe allow to exploit it into devices and study its spin transport properties. GeTe films are studied in this work, unveiling the signature of a rich spin texture and showing the presence of non-reciprocal charge transport, validating the glimpsed opportunity to exploit them into devices. Since the fundamental investigation of such materials passes for a spectroscopic analysis which is unequivocally the most direct way to retrieve their band structure, spin and angle-resolved photoemission spectroscopy was the main technique exploited in this work. Even if the state-of-art of technology in this kind of measurements made a lot of progresses in last years in what regards spin detection, it remains a very time-consuming technique because of the low sensitivity in measuring the spin degree of freedom and the pointwise nature of the current set-ups. In this thesis, a new conception of spin detection is proposed and realised through a prototype device based on a matrix of magnetic free-standing membranes grown on graphene. The deposition process of magnetic materials on ultra-thin graphene monolayers was optimised together with an investigation on the mechanical reliability of such a system. Then, these membranes were characterised both mechanically and from the magnetic point of view. This could represent a new way to reconstruct the spin dependence of electronic band structure and, thanks to the intrinsic bidimensionality of such a device, a way to drastically speed up this spectroscopic technique and increase its performances. The study of FERSC and other new classes of materials which sustain complex spin textures could benefit from this device which would guarantee an increased resolution of the measurements and a much smaller duration of the experiments under similar conditions of signal-to-noise ratio.| File | Dimensione | Formato | |
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