Strained HgTe/CdTe topological insulators, toward spintronic applications - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2016

Strained HgTe/CdTe topological insulators, toward spintronic applications

Réalisation d'isolants topologiques HgTe/CdTe, application à la spintronique.

Résumé

Topological Insulators (TI) are a new class of materials that recently attracts a large interest both theoretically and experimentally thanks to the unique electronic and spin properties that arise on their interfaces. Indeed, with graphene-like transport properties carried by massless Dirac fermions and a topological protection preventing from backscattering phenomena, TI surfaces are full of promise for the design of future quantum electronics. However, so far, only few material systems fulfill the requirements to make strong TIs. With an inverted band structure, the semi-metal HgTe is one of them assuming the opening of a bandgap by tensile strain. This PhD thesis aims at experimentally demonstrating the topological nature of strained HgTe as well as its eligibility for applications, especially for spintronics. To do so, strong efforts have been dedicated to the improvement of the growth process by molecular beam epitaxy. Chemical composition, strain, defect density and sharpness of the HgTe interfaces have been identified as the major parameters of study and improvement to ensure HgTe inverted band structure, bulk gap opening and to emphasize the resulting topological surface state electronic properties. Verification of the topological nature of this system has then been performed using low temperature magneto-transport measurements of Hall bars designed with various HgTe thicknesses. It is worth noting that the high desorption rate of Hg has made the nanofabrication process more complex and required the development of a low temperature process adapted to this constraint. While the thicker samples have evidenced very complex transport signatures that need to be further investigated and understood, the thickness reduction has led to the suppression of any additional contributions, such as bulk or even side surfaces, and the first demonstration of quantum Hall effect with vanishing resistance. Consequently, we have managed to demonstrate direct evidences of Dirac fermions and their transport mechanism by temperature dependent analysis of the quantum Hall effect. The next step has been to use the topological properties and especially the locking predicted between momentum and spin to test the HgTe potential for spintronics. Spin pumping experiments have demonstrated the potential of these topological structures for spin injection and detection. Moreover, the implementation of HgTe into simple p-n junction has also been investigated to realize a first spin-based logic element.
Les isolants topologiques constituent une nouvelle classe de matériaux suscitant un intérêt grandissant grâce à l’association de propriétés électroniques et de spin uniques à leurs interfaces. En effet, avec un transport régit par des particules à énergie de dispersion linéaire couramment appelées fermions de Dirac ainsi qu’une protection topologique empêchant tout phénomène de rétrodiffusion, les surfaces des isolants topologiques apparaissent comme une plateforme prometteuse pour l’électronique de demain. Cependant, à ce jour, seulement quelques systèmes possèdent les caractéristiques requises pour former un isolant topologique. Avec une structure de bande inversée, le semi-métal HgTe est l’un d’entre eux à condition de croître sous tension ce qui permet l’ouverture d’un gap de volume. L’objectif de cette thèse a été de démontrer expérimentalement le potentiel de l’isolant topologique HgTe pour des applications notamment dans le domaine de la l’électronique de spin ou spintronique. Pour ce faire, d’importants efforts ont été mis en oeuvre pour améliorer le procédé de croissance par épitaxie par jets moléculaires. La composition chimique, la contrainte ainsi que la qualité des interfaces de la couche de HgTe ont été identifiées comme des axes majeurs de travail et d’optimisation afin d’obtenir une structure de bande inversée, l’ouverture d’un gap de volume, ainsi que pour protéger les propriétés électroniques des états de surface topologiques. Fort de ces caractéristiques, notre matériau possède à priori toutes les qualités nécessaires pour permettre de sonder les propriétés topologiques. Accéder à ces propriétés particulières est possible par des mesures d’effet Hall quantique sur des structures de type barres de Hall. La fabrication de ces dispositifs a néanmoins requis une attention particulière à cause de la forte volatilité du mercure et a nécessité le développement d’un procédé de nanofabrication à basses températures. Des mesures d’effet Hall quantique à très basses températures ont ensuite été réalisées dans un cryostat à dilution. Tout d’abord des couches épaisses de HgTe ont été mesurées et ont démontré des mécanismes de transport très complexes mêlant les états de surface topologiques à d’autres contributions attribuées au volume et aux états de surface latéraux. La réduction de l’épaisseur des couches de HgTe a permis de limiter l’impact de ces contributions en les rendant négligeables pour les couches les plus fines. Dans ces conditions, ces structures ont affiché pour la première fois les propriétés attendues de l’effet Hall quantique avec notamment une annulation de résistance. L’analyse en température de l’effet Hall quantique a permis de démontrer la nature des porteurs circulant sur les états de surface topologiques et de les identifier à des fermions de Dirac. Avec la mise en évidence de la nature topologique de notre système, l’étape suivante a été d’utiliser les propriétés topologiques et plus particulièrement le blocage entre le moment et le spin d’un électron pour tester le potentiel du système 3D HgTe/CdTe pour la spintronique. Premièrement, des mesures de spin pumping ont été réalisées et ont mis en exergue la puissance de ces structures pour l’injection et la détection de spin. Deuxièmement, ces structures ont été implémentées sous la forme de jonction p-n dans l’idée de réaliser un premier dispositif de spintronique.
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Dates et versions

tel-01555288 , version 1 (03-07-2017)
tel-01555288 , version 2 (26-01-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01555288 , version 1

Citer

Candice Thomas. Strained HgTe/CdTe topological insulators, toward spintronic applications. Physics [physics]. Université Grenoble Alpes, 2016. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01555288v1⟩
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