Spin-orbit ferroelectric technology : introduction, modellization and preliminary realization by means of SrTiO2-based two-dimensional electron gas

Spintronics devices are considered as some of the most promising candidates to face the challenge of post-CMOS technology. In particular, recent developments have seen the spin-orbit coupling as a reliable mechanism to obtain an efficient conversion between a spin current and a charge current, thus allowing an easy integration with current electronics. In the present work, a new kind of spintronic-based technology is proposed, the Spin-Orbit Ferroelectric (SOF) device. SOF is a collective state device, relying on ferroelectricity for the non-volatile encoding of the state, and on spin-to-charge conversion for the read-out. The objective of this thesis is to present this device from both a theoretical and an experimental point of view. The first chapter presents an introduction on the main concepts and results of spintronics. The second includes a description of the main spin-to-charge conversion mechanisms and, after providing a general introduction of the state of the art and illustrating the Magneto Electric Spin Orbit device from Intel, presentsand illustrates the working principle of the SOF device. The third chapter consists in an experimental work, a preliminary study in the long-term perspective of the realization of the device. It investigates the properties of ch{SrTiO3}-based two-dimensional electron gas, that has been observed to feature an efficient spin-charge interconversion via Rashba-Edelstein effect. We succesfully obtained 2DEGs, with gate-tunable mobility and spin-charge interconversion, at the interface of STO with Ta, and for three different STO crystallographic orientations: (001), (110) and (111). It is the first time that a conducting STO/metal interface is reported for STO orientations different from (001). In the fourth chapter, a modellization of the behaviour of the SOF device is discussed. It makes use of Valet-Fert model to derive the equations, that are subsequently tested via Finite Elements Method simulations. The good agreement found is very promising for a further and more detailed description of the properties of the device, and to orientate the research until its ultimate goal, that is attoJoule computing.

La spintronica è oggi considerata uno dei candidati più promettenti nello sviluppo di dispositivi che superino la tecnologia CMOS. In particolare, recenti sviluppi hanno visto nell'accoppiamento spin-orbita un efficace meccanismo per ottenere una conversione tra correnti di spin e di carica, così da garantire un'agevole integrazione con l'elettronica attuale. Nel presente lavoro, viene presentato un nuovo tipo di tecnologia basata sulla psintronica: il dispositivo SOF (Spin-Orbit Ferroelectric). Esso è un dispositivo a stato collettivo, che affida alla ferroelettricità la codifica non volatile dello stato, e alla conversione spin-carica la lettura di tale stato. L'obiettivo di questa tesi è di presentare il dispositivo da un punto di vista teorico e sperimentale. Il primo capitolo contiene un'introduzione ai principali concetti e risultati della spintronica. Il secondo presenta una descrizione dei principali fenomeni di conversione spin-carica e, dopo aver fornito un'introduzione generale allo stato dell'arte e dopo aver illustrato il dispositivo MESO (Magneto Electric Spin-Orbit) proposto da Intel, illustra il funzionamento del dispositivo SOF. Il terzo capitolo consiste in un lavoro sperimentale: uno studio preliminare nella prospettiva di lungo termine di realizzazione del dispositivo. Si investigano, in questo capitolo, le proprietà del gas di elettroni bidimensionale (2DEG) all'interfaccia con ch{SrTiO2}, nel quale è stata osservata una conversione spin-carica molto efficiente tramite effetto Rashba-Edelstein. Siamo riusciti ad ottenere un 2DEG all'interfaccia tra STO e Tantalio, con tre diverse orientazioni cristallografiche della superficie di STO: (001), (111), (110). Tale gas di elettroni presenta inoltre la possibilità di modulare la mobilità e l'efficienza di conversione spin-carica tramite l'applicazione di una tensione di gate. Si sottolinea che è la prima volta che viene osservata un'interfaccia conduttiva tra STO ed un metallo per orientazioni cristallografiche diverse da (001). Nel quarto capitolo, viene presentato un modello finalizzato alla descrizione del comportamento del dispositivo SOF. Nello sviluppo di tale modello, viene utilizzato il modello di Valet-Fert per la derivazione delle equazioni, e simulazioni con il Metodo degli Elementi Finiti per testarle. Le equazioni sviluppate mostrano un ottimo accordo con le simulazioni. Ciò rende il modello molto promettente, aprendo alla possibilità di descrivere in ancor maggiore dettaglio le proprietà del dispositivo, e consentendo di orientare la ricerca verso il suo obiettivo finale, ovvero la computazione ad attoJoule.