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.