Effect of graphene in Ge-based non-local architecture for spin transport

This work focuses on the integration of polycrystalline graphene in a Ge-based non-local architecture for spin-polarized carriers injection, transport, and detection. Semiconductors spintronics is a growing research field that aims to develop spin-based devices for computing and data storage; these would exploit the advantages in terms of power consumption associated with the exploitation of pure spin currents which are not affected by Joule heating. In the performed experiments, a net spin population is optically injected into a Ge substrate. The choice of Ge is motivated by several factors. Among these, the small lattice mismatch with Si and the direct bandgap value tuned at the first telecommunication window are characteristics key to the integration of a spintronics device with nowadays technologies. Once injected, the spin-polarized carriers enter the graphene layer and diffuse towards a thin layer of Pt, a metal with large spin-orbit coupling that converts the spin current into a detectable charge current via the inverse spin-Hall effect. Our results demonstrate that spin-polarized carriers can be transferred from the Ge substrate to the graphene layer and that the transport properties of the latter produce spin diffusion lengths significantly larger than the corresponding quantities obtained in structures without graphene. Starting from these results, further measurements can be performed employing external electric and magnetic fields, and the development of spin-interconnects based on graphene can be investigated.

Questa tesi è incentrata sull'integrazione di grafene policristallino in una architettura non-locale a base di Ge per l'iniezione, il trasporto e il rilevamento di portatori spin-polarizzati. La spintronica nei semiconduttori è un campo di studi in forte crescita che mira allo sviluppo di dispositivi basati sullo spin per il computing e la memorizzazione di dati; questi sfrutterebbero i vantaggi in termini di consumo energetico associati all'utilizzo di correnti di spin, che non sono affette dall'effetto Joule. Negli esperimenti condotti, una popolazione di spin viene iniettata otticamente nel substrato di germanio. La scelta è ricaduta su questo materiale per diverse ragioni. Tra queste, il piccolo lattice mismatch con il silicio e il valore del direct bandgap centrato nella prima finestra di telecommunicazioni sono caratteristiche fondamentali per l'integrazione di un dispositivo spintronico con le tecnologie odierne. Una volta iniettati, i portatori spin-polarizzati entrano nello strato di grafene, dove diffondono verso un sottile film di platino, un metallo con un elevato accoppiamento spin-orbita che converte la corrente di spin in una corrente di carica rilevabile attraverso lo inverse spin-Hall effect. I nostri risultati dimostrano che elettroni spin-polarizzati vengono trasferiti dal substrato di Ge al film di grafene e che le proprietà di trasporto di quest'ultimo producono lunghezze di diffusione dello spin nettamente più grandi di quelle ottenute nelle strutture senza grafene. A partire da questi risultati si possono effettuare ulteriori misure applicando campi elettrici e magnetici esterni e, inoltre, può essere approfondito lo sviluppo di spin-interconnects basati sul grafene.