Engineering of Rashba spin textures in chalcogenide alloys

Spintronics focuses on the integration of the spin degree of freedom in conventional electronics, pushed by the increased demand for computational power density. In order to do so, materials with new functionalities have been investigated to find energy-efficient conversion processes (e.g. spin to charge conversion and spin-orbit torque) and multifunctional devices (e.g. in-memory computing architecture). The research for new materials brought to the discovery of the FERSC class, whose father compound is GeTe, which shows an intrinsic multi-functionality. The interplay of ferroelectricity (non-volatility) and Rashba bands (spin-transport) was recently proved to take place in GeTe at room temperature, making the material suitable for spintronic devices. In general, other group-IV tellurides are eligible members of this class and among them, SnTe, which has been predicted to belong to this class, under appropriate constraints, while also belonging to the topological crystalline insulators class. In this thesis, we present the studies conducted on the ternary alloy Ge(x)Sn(1-x)Te (GST): exploiting the structural similarity of SnTe with GeTe, we tried to engineer the electronic properties of the first by doping it with Ge atoms. The work consisted of the growth of the GeSnTe samples by molecular beam epitaxy and the characterization of them by means of spectroscopic techniques, either to investigate their chemical and crystalline structure or to study their electronic bands with spin-resolved techniques (S-ARPES). The studies show how the presence of Ge atoms stabilizes the ferroelectric phase of the alloy up to room temperature, much higher with respect to the pure SnTe (Curie temperature of 100 K). We found that GST presents an increasing Rashba band splitting with the increase of Ge doping, thus allowing for modulation of transport properties by doping. These results are supported by independent density functional theory (DFT) modelling reporting analogous results. The opportunity to characterize spin-to-charge conversion performances by means of direct in-situ spin-injection pushed us to improve the already existing experimental setup for the generation of a spin-polarized electron beam. The aim is to obtain a highly stable beam with a smaller spot size in order to make it compatible with patterned structures on the scale of 100 um. The results of this part are also presented in the thesis work.

La spintronica si concentra sull'integrazione del grado di libertà di spin nell'elettronica convenzionale, spinta dalla rinnovata richiesta di maggiore densità di calcolo. Per fare ciò, sono stati studiati nuovi materiali con nuove funzionalità, per trovare processi di conversione efficienti (e.g. conversione spin-carica e spin-orbit torque) e dispositivi multifunzionali (e.g. architettura di computazione in-memory). Nel contesto di ricerca di nuovi materiali, la classe dei FERSC, di cui il componente padre è GeTe, si è mostrata avere una intrinseca multifunzionalità. L'interazione tra ferroelettricità (non-volatile) e bande Rashba (legate al trasporto di spin) è stato recentemente dimostrato in GeTe a temperatura ambiente, rendendolo adatto per dispositivi spintronici. In generale, altri telluridi del gruppo IV sono plausibili membri di questa classe e tra questi SnTe. SnTe appartiene già alla classe di isolanti topologici cristallini e, in opportune condizioni, è stato predetto essere anche FERSC. In questa tesi, presentiamo gli studi fatti sulla lega ternaria Ge(x)Sn(1-x)Te (GST): sfruttando la somiglianza strutturale di SnTe e GeTe, abbiamo provato ad ingegnerizzare le proprietà elettroniche del primo tramite drogaggio con Ge. Il lavoro è consistito nella crescita dei campioni tramite epitassia da fascio molecolare e nella loro caratterizzazione per mezzo di tecniche spettroscopiche, sia per investigarne la struttura chimica e cristallina che per studiarne le bande elettroniche con tecniche risolte in spin (S-ARPES). Gli studi mostrano come la presenza di atomi di Ge stabilizzino la fase ferroelettrica della lega fino a temperatura ambiente, ben superiore rispetto al puro SnTe (temperatura di Curie pari a 100 K). Abbiamo dimostrato che GST presenta una crescente separazione delle bande Rashba con il drogaggio di Ge, quindi permettendo in questo modo di modularne le proprietà di trasporto. Questi risultati sono supportati da modelli di calcolo di densità funzionale (DFT) che hanno portato indipendentemente a risultati analoghi. La possibilità di caratterizzare le performance di conversione spin-carica tramite una iniezione diretta di spin in vuoto ci ha spinti ad apportare miglioramenti al setup sperimentale già esistente per la generazione di un fascio elettronico polarizzato in spin. L'obbiettivo è ottenere un fascio di elettroni che sia altamente stabile ed abbia una dimensione inferiore a quella attuale, cosi da renderlo compatibile con strutture patternate nell'ordine dei 100 um. I risultati preliminari di questa sezione sono presentati anch'essi all'interno della tesi.