%0 Thesis
%T Quantum spin Hall effet in III-V materials
%T Effet Hall Quantiques de spin dans les matériaux III-V
%+ Laboratoire Charles Coulomb (L2C)
%A Avogadri, Colin
%N 2023UMONS004
%I Université de Montpellier
%Y Benoît Jouault
%Y Frédéric Teppe
%Y Benoît Jouault
%Z Eric Tournié [Président]
%Z Michel Goiran [Rapporteur]
%Z Wilfrid Poirier [Rapporteur]
%Z Isabelle Sagnes
%Z Fabian Hartman
%Z Sébastien Nanot
%8 2023-04-13
%D 2023
%K Magnetotransport
%K Quantum Spin Hall effect
%K Quantum wells
%K Topological Insulators
%K THz spectroscopy
%K III-V materials
%K Magneto-Transport
%K Effet Hall quantique de spin
%K Puits quantiques
%K Isolants topologiques
%K Spectrocopie THZ
%K Matériaux III-V
%Z Physics [physics]/Astrophysics [astro-ph]Theses
%X The spin-orbit interaction is a relativistic effect that couples the electron's displacement to its spin. This coupling is of great interest in solid state physics. Indeed, this coupling allows the propagation of information via the electron spin and not only via its charge, as it is the case in traditional microelectronics. This new approach, more than a simple improvement of the performances, is thus a change of the basic support of the information. Many practical applications have been envisaged. The mastery of spin-orbit coupling would allow the development of new spin-electronic systems (hence the word 'spintronics'), responding to the challenges of reducing energy consumption, for example. In the longer term, the control of the electronic spin would also allow the coding of information via a superposition of states, which would open the way to the realization of quantum bits (by analogy to the binary bit of a "classical" computer) realized in condensed matter.From this interest in spin-orbit coupling has emerged in recent years the subject of two-dimensional topological insulators, or spin quantum Hall effect insulators. These remarkable insulators are realized from materials with strong spin-orbit coupling.The first realizations of such insulators were obtained with semiconductors of the II-VI family. These insulators only survive at very low temperatures, of the order of Kelvin, because of particularities of the II-VI band structure. This motivated our search for new candidate materials for the observation of the spin quantum Hall effect at higher temperatures. During my thesis, I was interested in InAs/GaSb based structures, because in addition to the theoretical predictions and first demonstrations of the validity of these structures for the observation of the spin quantum Hall effect, the growth and fabrication of devices based on these III-V semiconductors is more widespread than for II-VI.In the first chapter, we present a review of recent work around topological insulators, from the emergence of this topic with graphene to the beginning of this work. We also develop the theoretical concepts at the basis of the experiments presented in this thesis.In chapter 2, we develop the experimental details and present the different InAs/GaSb based growths studied. We also detail the fabrication processes of the devices made from these same growths.Chapter 3 is dedicated to the magneto-transport measurements for the different devices. We demonstrate the validity of the theoretical calculations of band structure showing a clear increase of the gap size for the InAs/GaSb based structures, as well as the existence of an edge conduction whose properties are compatible with the topological character expected for these structures.
%X L’interaction spin-orbite est un effet relativiste qui couple le déplacement de l’électron à son spin. Ce couplage suscite de grands intérêts dans la physique du solide. En effet, ce couplage permet une propagation de l’information via le spin des électrons et non plus seulement par leur charge, comme c'est le cas en microélectronique traditionnelle. Cette nouvelle approche, plus qu’une simple amélioration des performances, est donc un changement même du support de base de l’information. De nombreuses applications pratiques ont été envisagées. La maîtrise du couplage spin-orbite permettrait le développement de nouveaux systèmes spin-électroniques, ou 'spintroniques', répondant aux enjeux de réduction de consommation d’énergie, par exemple. A plus long terme encore, le contrôle du spin électronique permettrait aussi le codage l’information via une superposition d’état, ce qui ouvrirait la voie à la réalisation de bits quantiques (par analogie au bit binaire d’un ordinateur “classique”) réalisés en matière condensée.De cet intérêt pour le couplage spin-orbite a émergé ces dernières années le sujet des isolants topologiques bidimensionnels, où isolants à effet Hall quantique de spin. Ces isolants particuliers ont été réalisés à partir de matériaux à fort couplage spin-orbite.Les premières réalisations de tels isolants ont été obtenues avec des semi-conducteurs de la famille II-VI. Ces isolants ne survivent alors qu'à très basse température, de l’ordre du Kelvin, à cause de particularités de la structure de bande des II-VI. Cela a motivé notre recherche de nouveaux matériaux candidats pour l’observation de l’effet Hall quantique de spin à plus haute température. Je me suis intéressé lors de ma thèse à des structures à base d’InAs/GaSb, car en plus des prédictions théoriques et premières démonstrations de la validité de ces structures pour l’observation de l’effet Hall quantique de spin, la croissance et la fabrication de dispositifs à base de ces semi-conducteurs III-V est plus répandue que pour les II-VI.Dans le premier chapitre, je présente une revue des travaux récents autour des isolants topologiques, depuis l'émergence de ce sujet avec le graphène jusqu'au début de ce travail. Je développe également les concepts théoriques à la base des expériences présentées dans cette thèse.Dans le chapitre 2, je développe les détails expérimentaux et présente les différentes croissances à base d'InAs/GaSb étudiées. Je détaille également les procédés de fabrication des dispositifs réalisés à partir de ces mêmes croissances.Le chapitre 3 est consacré aux mesures de magnéto-transport pour les différents dispositifs. Je démontre la validité des calculs théoriques de la structure de bande en montrant une nette augmentation de la taille de la bande interdite pour les structures à base d'InAs/GaSb, ainsi que l'existence d'une conduction de bord dont les propriétés sont compatibles avec le caractère topologique attendu pour ces structures.
%G French
%2 https://theses.hal.science/tel-04486230/document
%2 https://theses.hal.science/tel-04486230/file/AVOGADRI_2023_archivage.pdf
%L tel-04486230
%U https://theses.hal.science/tel-04486230
%~ CNRS
%~ STAR
%~ L2C
%~ UNIV-MONTPELLIER
%~ UM-2015-2021
%~ UM-EPE