encadrement : yves lassailly (directeur de thèse), jacques peretti
Post on 03-Jan-2016
36 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Effets de filtre à spin dans les jonctions métal ferromagnétique/semiconducteur : transport et effets d’interface
Encadrement : Yves Lassailly (directeur de thèse), Jacques Peretti
Driss Lamine
Plan
I) Introduction
IV) Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
V) Conclusions et perspectives
III) Modélisation du transport dépendant du spin dans les jonctions MF/SC
II) Problématique
E E
II
IIPCourant de charge
non polarisé de spin
II
Courant de charge polarisé de spin
e- e-
e-
Electronique classique Electronique de spin
Partie I Introduction
I
E E
II
IIPCourant de charge
non polarisé de spin
II
Courant de charge polarisé de spin
e- e-
e-
Electronique classique Electronique de spin
Charge : grandeur conservative Spin : grandeur non conservative
Partie I Introduction
I
Le transport électronique dans les métaux ferromagnétiques
Transport électronique à E > EF (électrons chauds) :EF
)(ED )(ED
E
Métal non ferromagnétique
FEDFED
Transport dépendant du spin à E = EF:
GMR
D. P. Pappas et al., PRL 66, 504 (1991)
111
: libre parcours moyen inélastique
, ≈ nm : longueur de discrimination de spin
FF EE DD
+ effets d’interface
A. Fert, P. Grünberg : Prix nobel de physique 2007
Partie I Introduction
T : transmission
S : sélectivité en spin
PC : polarisation de spin du courant transmis
Concept de Filtre à spin
Système à trois terminaux :
injection (E0) , filtrage en spin (L), collection (filtrage en énergie, )
IC = T
P0 = 0I0 = 1
E
PC = S
L ≈ qq
d
d ≈
MFM M
E0
Partie I Introduction
T : transmission
S : sélectivité en spin
PC : polarisation de spin du courant transmis
Concept de Filtre à spin
Système à trois terminaux :
injection (E0) , filtrage en spin (L), collection (filtrage en énergie, )
IC = T
P0 = 0I0 = 1
E
PC = S
L ≈ qq
d
d ≈
MFM M
E0
Partie I Introduction
Transport balistique : E0 =
)exp(L
T
)tanh(d
S
E0 Volt 0.8 eV
Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003)
IC+ = TI0(1+AC)
H (Oe)
IC(nA)
AC = 65%300 K
IC+
IC-
>Transport balistique
Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur
CC
CCC
II
IIA
02I
IIT CC
Partie I Introduction
Transistor à Vanne de spin à basse énergie d’injection
Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003)
Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur
H (Oe)
IC(nA)
AC = 65%300 K
IC+
IC-
IC- = TI0(1-AC)
Transport balistique
CC
CCC
II
IIA
02I
IIT CC
Partie I Introduction
E0 Volt 0.8 eV>
Transistor à Vanne de spin à basse énergie d’injection
Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003)
Qualités :
Fonctionne à basse tension
Fonctionne à 300 K
Forte asymétrie de spin
AC = 65 % 300 K AC = 95 % 77 K
Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur
CC
CCC
II
IIA
02I
IIT CC
Partie I Introduction
Transistor à Vanne de spin à basse énergie d’injection
Transport balistique
E0 Volt 0.8 eV>
Van Dijken S., APL 83, 951, (IBM) (2003)
Qualités :
Fonctionne à basse tension
Fonctionne à 300 K
Forte asymétrie de spin
AC = 65 % 300 K AC = 95 % 77 K
Faiblesses :
Faible efficacité de collection
dans le SC T ≈ 10-4 - 10-3
Partie I Introduction
Transistor tunnel magnétique (MTT) : Polariseur + analyseur
Transistor à Vanne de spin à basse énergie d’injection
CC
CCC
II
IIA
02I
IIT CC
Transport balistique
E0 Volt 0.8 eV>
Pd/Fe/Ox/GaAs
Nicolas Rougemaille (Thèse, 2003)
Gain = 1
Transistor à Vanne de spin à haute énergie d’injection
Partie I Introduction
Energie E0 (eV)
10-4
10-2
1
10-6
10-3
10-2
10-1
10-4
T
T
AC = T/2T
Partie II Problématique
Quelle est l’origine de l’évolution T et AC avec l’énergie d’injection ?
Comment décrire le transport à haute énergie d’injection dans le filtre à spin ?
Le transport est il toujours sélectif en spin à haute énergie d’injection ?
Quel est la contribution de la barrière d’interface MF/SC ?
Objectifs :
Stratégie :
Filtre à spin
=
Emetteur + Base Collecteur+
Paramètres :
Énergie d’injection
Paramètres :
épaisseurs
Paramètres :
Barrière d’interface, SC
Partie II Problématique
Approche expérimentale
Partie II Problématique
Expérience de transport
Emetteur : source d’électrons polarisés de spin en GaAs
Base : couche ferromagnétique
Collecteur : semi-conducteur
Fabrication et caractérisations des jonctions
I-V M
Principe de la mesure
02I
IIT CC
0I
IIT CC
Mesure :
- Transmission :
- Dépendance en spin de T
- Asymétrie en spin de T
Conditions d’injection :
- Energie d'injection E0 (variable)
- Polarisation incidente P0 = 25 %
- Courant incident : I0 = IB + IC
CC
CCC
II
IIA+P0
+P0 +P0
-P0-P0
T
T
IC/I0
t
Partie II Problématique
Plan
I) Introduction
IV) Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
V) Conclusions et perspectives
III) Modélisation du transport dépendant du spin dans les jonctions MF/SC
II) Problématique
Relaxation de l’énergie et de la vitesse (longitudinale) : cascade d’électrons secondaires
Après chaque collision, 2 électrons avec en moyenne : Ef = Ei/2 et vf = vi/2
Hypothèses du modèle : mécanismes de collisions
Partie III Modélisation du transport
Multiplication par électrons secondaires :
M = E0/
Proportion d’électrons primaires : /E0
) exp(1
)(MM
f
)()( MfF
M
EM
0
Hypothèses du modèle : distributions électroniques à l'interface base/collecteur
Partie III Modélisation du transport
EV
EF
E0
E
Pd Fe
Zball Zdiff
Eball
Interface
Z
B
S
B
S
F(E)
E
n-GaAs
Régime balistique
Régime diffusif
F
M
0 d
EV
EF
E0
E
Pd Fe
Zball Zdiff
Eball
Interface
Z
B
S
B
S
F(E)
E
n-GaAs
Régime balistique
Régime diffusif
F
M
0 d
3 distributions à l’interface MF/SC
La distribution des primaires de spin majoritaire fP
+
La distribution des primaires de spin minoritaire fp
-
La distribution d’électrons secondaires fS “non polarisés”.
3 largeurs de distribution :
P+ , P
- , M
) exp(1
)(MM
f
)()( MfF
M
EM
0
Partie III Modélisation du transport
Hypothèses du modèle : distributions électroniques à l'interface base/collecteur
Hypothèses du modèle : Propriétés de l’interface base/collecteur
Partie III Modélisation du transport
BV
EF
BC
ion
EV
EF
E0
Pd Fe Oxyde
Z
SC
OX
SC
OX
GaAs
ion
OX/ ion
EV
EF
E0
Pd Fe Oxyde
Z
SC
OX
SC
OX
GaAs
ion
OX/ ion
Deux barrières d’interface : Barrière de Schottky : SC = 0.7 eV (mesurée)
Gap de l’oxyde : OX = 4.5 eV (mesurée)
Seuil d’ionisation par impact : ion 5 eV (mesurée)
OX ion
()
SC
OX
SC OX ion
10-4
0.5
Tunnel
Ionisation par impact
Partie III Modélisation du transport
EV
EF
E0
Pd Fe Oxyde
Z
SC
OX
SC
OX
GaAs
ion
OX/ ion
EV
EF
E0
Pd Fe Oxyde
Z
SC
OX
SC
OX
GaAs
ion
OX/ ion
Hypothèses du modèle : Propriétés de l’interface base/collecteur
Deux barrières d’interface : Barrière de Schottky : SC = 0.7 eV (mesurée)
Gap de l’oxyde : OX = 4.5 eV (mesurée)
Seuil d’ionisation par impact : ion 5 eV (mesurée)
OX ion
Etude de la transmission (P0 = 0)
dfMT M ),()(0
Partie III Modélisation du transport
T : M ou M
10 100 1000
10-2
10-4
10-6
1
E0 (eV)
T
Coefficient de multiplication dans le métal
Multiplication par Ionisation par impact
dfMT M ),()(0
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
T : M ou M
ionOXSCM
ion
ion
MOX
M
OXOX
M
SCSC
MTTT
EET
)exp()exp()exp()( 0
0
ionOXSCM
ion
ion
MOX
M
OXOX
M
SCSC
MTTT
EET
)exp()exp()exp()( 0
0
dfMT M ),()(0
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
T : M ou M
TSC : transmission au dessus de la barrière ΦSC (Schottky)
TOX : transmission au dessus de la barrière ΦOX (Oxyde)
Tion : transmission au dessus de la barrière Φion (ionisation par impact)
ionOXSCM
ion
ion
MOX
M
OXOX
M
SCSC
MTTT
EET
)exp()exp()exp()( 0
0
dfMT M ),()(0
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
T : M ou M
TSC : transmission au dessus de la barrière ΦSC (Schottky)
TOX : transmission au dessus de la barrière ΦOX (Oxyde)
Tion : transmission au dessus de la barrière Φion (ionisation par impact)
ionOXSCM
ion
ion
MOX
M
OXOX
M
SCSC
MTTT
EET
)exp()exp()exp()( 0
0
dfMT M ),()(0
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
T : M ou M
TSC : transmission au dessus de la barrière ΦSC (Schottky)
TOX : transmission au dessus de la barrière ΦOX (Oxyde)
Tion : transmission au dessus de la barrière Φion (ionisation par impact)
?M
dfMT M ),()(0
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
T : M ou M
ionOXSCM
ion
ion
MOX
M
OXOX
M
SCSC
MTTT
EET
)exp()exp()exp()( 0
0
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
Extraction de l’énergie moyenne M (résolution graphique)
01
0
0
)exp()exp()exp(
E
)E(T
M
ion
ion
MOX
M
OXOX
M
SCSC
M
exp
SC = 10-4
SC = 0.7 eVSCT
OX = 0.5
OX = 4.5 eVOXT
ion = 5 eV
OX = 0.5ionT
)(eVM
Energie E0 (eV)
B = 0.7 eV
Extraction de l’énergie moyenne M (résolution graphique)
01
0
0
)exp()exp()exp(
E
)E(T
M
ion
ion
MOX
M
OXOX
M
SCSC
M
exp
E0 = 80 eV
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
Comment expliquer en terme de transport la loi de variation M(E0) ?
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
Calcul théorique de l’énergie moyenne
Régime balistique
k : k0 kF
: E0 Eball
parcours : zball
Régime diffusif
k aléatoire < kF
parcours : zdiff
: Eball M
2 régimes de transport :
d = zball + zdiff M
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
ll v
dt
dvdt
d
2ln
2ln
1) Régime balistique
2ln
1lv
d
dt
dt
dz
d
dz
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
0
0
0)(2ln
1 E
E F
Fball
ballE
d
E
EEz
Les équations de transport dans la base métallique
F
Fball EE
EEE
00avec
ll v
dt
dvdt
d
2ln
2ln
)(2
Ddt
dz
)()(3
1)( 2 vD
Les équations de transport dans la base métallique
1) Régime balistique
2ln
1lv
d
dt
dt
dz
d
dz
ball
M
E
diffd
z
)(2ln3
1 2
2) Régime diffusif (équation de diffusion)
0
0
0)(2ln
1 E
E F
Fball
ballE
d
E
EEz
F
Fball EE
EEE
00avec
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
M tel que d = zdiff + zball
ll v
dt
dvdt
d
2ln
2ln
)(2
Ddt
dz
)()(3
1)( 2 vD
1) Régime balistique
2ln
1lv
d
dt
dt
dz
d
dz
ball
M
E
diffd
z
)(2ln3
1 2
2) Régime diffusif (équation de diffusion)
0
0
0)(2ln
1 E
E F
Fball
ballE
d
E
EEz
() ?
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
Les équations de transport dans la base métallique
F
Fball EE
EEE
00avec
M tel que d = zdiff + zball
Détermination de () pour retrouver la loi M(E0)
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
Partie III Modélisation du transport
Etude de la transmission (P0 = 0)
zball zdiff M
ball
M
E
diffd
z
)(2ln3
1 2
Interprétation des 3 régimes de transmission
1er régime : T TSC et M cst
T
ME
TM
SCSC
M
)exp(0
Energie E0 (eV)
Partie III Modélisation du transport
T plus vite que linéairementT
ME
TM
SCSC
M
)exp(0
Energie E0 (eV)
Partie III Modélisation du transport
Interprétation des 3 régimes de transmission
1er régime : T TSC et M cst
2ème régime : T TSC et M
Energie E0 (eV)
3ème régime : T TOX
)exp(0
M
OXOX
M
ET
T
Partie III Modélisation du transport
Interprétation des 3 régimes de transmission
T plus vite que linéairement
ME
TM
SCSC
M
)exp(0
1er régime : T TSC et M cst
2ème régime : T TSC et M
Effet de filtre à spin
Multiplication dépendante du spin
dfMAfSPT SMp
00 )()()().(2
Partie III Modélisation du transport
Expression de la transmission dépendante du spin T
Effet de filtre à spin
Multiplication dépendante du spin
dfMAfSPT SMp
00 )()()().(2
Partie III Modélisation du transport
Expression de la transmission dépendante du spin T
Expression de la transmission dépendante du spin T
E0/3
E0/2
E0
F=fP + Mfs
fp
dfSPT p )()()(20
0
2
)()()(
pp
pff
f
)()(
)()()(
pp
pp
ff
ffS
)exp(1
)()(0 MMM
p FE
f
Partie III Modélisation du transport
Interprétation des 3 régimes de T
SCTT OXTT
Partie III Modélisation du transport
Expression de l’asymétrie de spin AC pour une barrière (,)
dfSPTM
)()()(20
0
)exp(2 0MM
PT
Lorsque S 1
dfMT )()(0
)exp(0
MM
ET
et
et
Partie III Modélisation du transport
002 E
PT
TAC
Indépendant de
Energie d’analyse
Energie d’injection
dfSPTM
)()()(20
0
)exp(2 0MM
PT
Lorsque S 1
dfMT )()(0
)exp(0
MM
ET
et
et
Partie III Modélisation du transport
Expression de l’asymétrie de spin AC pour une barrière (,)
Interprétation du saut de AC
AC augmente dans le rapport SC
OX
00 E
PA SCC
00 E
PA OXC
Partie III Modélisation du transport
Récapitulatif Fe/Ox/GaAs
Transport dans le filtre à spin
Relaxation de E et k dans la base
M (E0)
Transport à l’interface base/collecteur
2 barrières
Transport sélectif en spin jusqu'à 1000 eV d’injection
Energie moyenne des électrons collectés : quelques eV
Partie III Modélisation du transport
Plan
I) Introduction
IV) Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
V) Conclusions et perspectives
III) Modélisation du transport dépendant du spin dans les jonctions MF/SC
II) Problématique
Conditions d’injection : mise en évidence de l'ionisation par impact
Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
ionOXSCM
ion
ion
MOX
M
OXOX
M
SCSC
MTTT
EET
)exp()exp()exp()( 0
0
T
)exp(0
M
OXOX
MOX
ET
Energie E0 (eV)
Conditions d’injection : mise en évidence de l'ionisation par impact
Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
ionOXSCM
ion
ion
MOX
M
OXOX
M
SCSC
MTTT
EET
)exp()exp()exp()( 0
0
)exp(E
TM
ionOX
ionion
0
T
)exp(0
M
OXOX
MOX
ET
Energie E0 (eV)
Conditions d’injection : mise en évidence de l'ionisation par impact
Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
)exp(E
TM
ionOX
ionion
0
Extraction du paramètre d’interface OX
A haute énergie d’injection :
M ion T OX E0 /ion
OX/ ion = 0.13
OX = 0.65
)exp(0
M
ionOX
ionion
ETT
T
Energie E0 (eV)
Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
Conditions d’injection : mise en évidence de l'ionisation par impact
T
Energie E0 (eV)
dSPT
MM
020 )exp()().(2
∆T maximum pour E0 = 1500 eV
∆Tmax = 28% pour P0 = 100 %
Conditions d’injection : mise en évidence de l'ionisation par impact
Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
Influence des épaisseurs : effet sur la transmission T
Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
d zdiff M
Influence des épaisseurs : effet sur la transmission T
d= 45 Åd= 70 Å
T
Energie E0 (eV) Epaisseurs (Å)E
* (e
V)
E* = 520 eV
E* = 760 eV
Possibilité de varier E* avec l’épaisseur du filtre à spin
E* énergie pour laquelle le gain = 1
Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
AC /P0
Energie E0 (eV)
E E* = 520 eV
E E* = 760 eV
d= 45 Å (dFe = 25 Å)d= 70 Å (dFe = 40 Å) L’asymétrie passe par un
maximum ACmax à E0 E*
E* dépend de l’épaisseur totale de la base métallique.
ACmax dépend peu de l’épaisseur de Fer.
2*0 10/
EPA OX
C
000 2
/ETP
TPAC
S > 80 %
Influence des épaisseurs : effet sur l'asymétrie AC
Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
Barrière(s) d’interface
Choix du collecteur
GaAs
Pd/Fe/I/GaAs
Si
Au/Co/Au/Si Prod’homme P, JMMM 315 (1), 26 (2007)
1 seule barrière
Surface propre Pd/Fe/GaAs (traitement HCl en solution) Tereshchenko O., JVST. A, 17, 2655 (1999)
Surface passivée à l’hydrazine Pd/Fe/N-GaAs Berkovits V.L, APL 80, 3739 (2002)
2 barrières Surface oxydée Pd/Fe/Ox/GaAs (procédé UVOCS)
Caractéristiques du collecteur :
Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
J(A
/cm
2
Tension (V)
Trecuit = 150°C
B = 0.70 0.05 eV
n = 1.1 0.1
k
eV
nk
e
SAT eeJJB
1
Emission thermoionique
Caractéristiques du collecteur : fabrication et caractérisation
Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
H (Oe)
m/m
s
Aimantation rémanente ≈ 100 %
Champ coercitif ≈ 40 Oe
00 E
PA
0
0
P
AE
Contrôle de la deuxième barrière par le traitement de surface et le choix du SC
ox = 4.5 eV
º Pd/Fe/Uvocs/GaAs
Pd/Fe/GaAs (HCl)
Au/Co/Au/Si
0
0
P
AE
Energie E0 (eV)
Caractéristiques du collecteur : fabrication et caractérisation
Partie IV Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
Plan
I) Introduction
IV) Influence des paramètres d’injection, de transport et de collection
V) Conclusions et perspectives
III) Modélisation du transport dépendant du spin dans les jonctions MF/SC
II) Problématique
Conclusions
Loi M(E0) + Profil de l’interface () = Filtre à spin∆T
T
Partie V Conclusions et perspectives
Modèle de transport dépendant du spin dans les jonctions métal/SC de 5 à 3000 eV :
Lien entre énergie d’injection et distribution des électrons transmis
Détermination des condtions de fonctionnement combinant T > 1 et S 1 :
énergie d’injection
épaisseurs des couches
propriétés de la jonction base/collecteur
Perspectives
1) Inversion du problème pour remonter à () à partir de T
Loi M(E0) + Profil de l’interface () = Filtre à spin∆T
T
Spectroscopie de la transmission à l’interface métal/SC sur la gamme d’énergie 0.2 eV – 10 eV.
Partie V Conclusions et perspectives
dfMAfSPT MSMPpP
0
0 ),(),()().(2)(
2) Etude spectroscopique de la transmission dépendante du spin sur des feuilles autosupportées
Validation plus approfondie du modèle de transport (mesure de F et S)
Mise en évidence du terme de multiplication dépendant du spin
T
Energie E0 (eV)
Ce terme est beaucoup plus grand que l’effet de filtre à spin
…mais difficile à mettre en évidence
Pd/Fe/Ox/GaAs
Perspectives
Partie V Conclusions et perspectives
3) Problématique de l’électronique de spin
Réalisation d’une vanne de spin tout solide fonctionnant autour de l’annulation E*
Figure de mérite très élevée
Perspectives
Partie V Conclusions et perspectives
0 200 400 600 800 1000-1000
-500
0
500
1000
I 0 ,
I B ,
IC
(n
A)
E0 (eV)
I0
IB
IC
+
IC
IBIB = 0
E*
3) Problématique de l’électronique de spin
Réalisation d’une vanne de spin tout solide fonctionnant autour de l’annulation E*
Figure de mérite très élevée
Perspectives
Partie V Conclusions et perspectives
IB+
IB-
IBIB = 0
E = E*
temps (ms)
IB
3) Problématique de l’électronique de spin
Réalisation d’une vanne de spin tout solide fonctionnant autour de l’annulation E*
Figure de mérite très élevée
Perspectives
Partie V Conclusions et perspectives
0 200 400 600 800 1000
AB =
(I B
+ -
IB
- ) /
(IB
+ +
IB
- )
E0 (eV)
10-6
10-4
10-2
1
102
AB
E0 (eV)
top related