Spin-charge interconversion in oxide-based 2D electron gases for low-energy consumption nanodevices
Place : IRIG/SPINTEC, CEA Building 10.05, auditorium 445 (access needs authorization, request it before October 11th to admin.spintec@cea.fr)
video conference : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/3241920232
Abstract : Spinorbitronics exploits the spin-orbit coupling in materials, allowing the manipulation of magnetic information with currents rather than magnetic fields. This approach drastically reduces energy consumption and paves the way for the development of low energy-consumption devices, that could complement CMOS both for memories and logic circuits. Recently, two spin-orbit devices have been proposed, the magneto-electric spin-orbit (MESO) device and the ferroelectric spin-orbit (FESO) device. Both rely on the spin-charge interconversion for the read operation and use different switching mechanisms for the write operation. In order to develop such spinorbitronic devices, the spin-charge interconversion output signal needs to be optimised. For this, recently discovered materials are at the core of research, in particular topological insulators, ferroelectric Rashba semiconductors and Rashba interfaces, thanks to their interesting surface or interface properties. This thesis focuses on the spin-charge interconversion in bidimensional electron gases (2DEGs) at the surface of perovskite oxides. Beyond a wide range of intriguing properties, from magnetism to superconductivity, the 2DEG allows a large spin-charge interconversion, which can be modulated both in sign and amplitude by an electric-control. This offers new perspectives for low energy-consumption applications. To gain more insights into the non-volatile behavior of the 2DEG at some metal/SrTiO3 (STO) interfaces, the first part of this thesis is dedicated to the exploration of the 2DEG transport properties. In this system, we demonstrate that the non-volatile electric-control is induced by charge trapping. In addition, we used a scanning transmission electron microscopy to investigate the atomic structure of the metal/STO interface and complementary measurements suggest a strong localisation of electrons in the structure. This work enables the development of a 2DEG-based Flash memory, with an on/off ratio of 105, a retention time exceeding 5×105 s and an endurance over 106 cycles. In a second part, based on the charge-trapping-induced non-volatile behavior of the 2DEG conductivity, we demonstrate the non-volatile electric-control of the spin-orbit torques generated by the charge-to-spin conversion in a ferromagnet/metal/STO system. It shows a modulation in amplitude and in sign of the damping-like torque with the applied electric-field. This is an important milestone for the development of reconfigurable SOT-MRAMs. A complementary study of the spin-orbit torques is performed using the spin-torque ferromagnetic resonance, showing an optimised charge-to-spin conversion for 1 nm of Ta, reactive metal deposited to create the 2DEG. Finally, we successfully develop a spin-orbit read-out device with a large spin-charge interconversion output signal of 2 Ω. This demonstrates the potential of the 2DEG at the metal/STO for the development of the read-out of the MESO and FESO devices.
titre : Interconversion spin-charge dans des gaz bidimensionnels d’électrons à la surface d’oxydes pour des nanodispositifs à faible consommation d’énergie
Résumé : La spinorbitronique exploite le couplage spin-orbite de certains matériaux, ce qui permet de manipuler des informations magnétiques avec des courants plutôt qu’avec des champs magnétiques. Cette approche réduit considérablement la consommation d’énergie et ouvre la voie au développement de dispositifs à faible consommation d’énergie, qui pourraient complémenter le CMOS dans les mémoires et les circuits logiques. Récemment, deux dispositifs à spin-orbite ont été proposés, le dispositif spin-orbite magnéto-électrique (MESO) et le dispositif spin-orbite ferroélectrique (FESO). Tous deux reposent sur l’interconversion spin-charge pour l’opération de lecture mais utilisent des mécanismes de commutation différents pour l’opération d’écriture. Afin de développer de tels dispositifs spinorbitroniques, le signal de sortie de l’interconversion spin-charge doit être optimisé. Pour cela, de nouveaux matériaux sont au cœur de la recherche, en particulier les isolants topologiques, les semi-conducteurs ferroélectriques Rashba et les interfaces Rashba, grâce à leurs propriétés de surface ou d’interface intéressantes. Cette thèse se concentre sur l’interconversion spin-charge dans les gaz d’électrons bidimensionnels (2DEGs) à la surface des oxydes pérovskite. En plus d’un large éventail de propriétés intrigantes, du magnétisme à la supraconductivité, le 2DEG permet une grande interconversion spin-charge, dont on peut moduler le signe et l’amplitude électriquement. Ces propriétés ouvrent de nouvelles perspectives pour des applications à faible consommation d’énergie. Afin de mieux comprendre le comportement non-volatile du 2DEG aux interfaces métal/SrTiO3 (STO), la première partie de cette thèse est consacrée à l’exploration des propriétés de transport du 2DEG. Dans ce système, nous démontrons que le contrôle électrique non-volatile est induit par piégeage de charges. De plus, nous avons utilisé la microscopie électronique de transmission à balayage pour étudier la structure atomique de l’interface métal/STO et des mesures complémentaires suggèrent une forte localisation des électrons dans la structure. Ce travail permet le développement d’une mémoire Flash à base de 2DEG, avec un rapport on/off de 105, un temps de rétention supérieur à 5×105 s et une endurance de plus de 106 cycles. Dans une deuxième partie, basée sur la non-volatilité de la conductivité du 2DEG induite par piégeage de charges, nous démontrons le contrôle électrique non-volatile des torques spin-orbite générés par la conversion charge vers spin dans un système ferromagnétique/métal/STO. Cette étude montre une modulation en amplitude et en signe du torque anti-damping avec le champ électrique appliqué. Le contrôle non-volatile est un élément important pour le développement d’une SOT-MRAM reconfigurable. Une étude complémentaire des torques spin-orbite est réalisée en utilisant la technique de résonance ferromagnétique spin-torque, montrant une conversion charge vers spin optimisée pour 1 nm de Ta, métal réactif déposé pour créer le 2DEG. Enfin, nous avons développé avec succès un dispositif de lecture spin-orbite avec un important signal de sortie d’interconversion spin-charge de 2 Ω. Cela démontre le potentiel du 2DEG à l’interface métal/STO pour le dévelopement du bloc de lecture des dispositifs MESO et FESO.
Jury :
- Michel Viret, Directeur de recherche, CEA Saclay, Rapporteur
- Agnès Barthélémy, Professeure des universités, Université Paris-Saclay, Rapporteure
- Liliana Buda-Prejbeanu, Professeure des universités, Grenoble INP-UGA, Examinatrice
- YoshiChika Otani, Professeur, Université de Tokyo, Examinateur
- Fabien Cheynis, Maître de conférences, Aix-Marseille Université, Examinateur
Thesis supervisors :
- Jean-Philippe Attané, Directeur de thèse
- Laurent Vila, Co-directeur de thèse