On October 02th, at 14:30, Salvatore TERESI (SPINTEC) will defend his PhD thesis entitled : Spin-charge interconversion nanodevices based on telluride materials for low power computing
Place : IRIG/SPINTEC, CEA Building 10.05, auditorium 445 (access needs authorization request it before september 20th to admin.spintec@cea.fr)
visio conference : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/3241920232
Abstract : With the recent proposals of the Magneto-Electric Spin-Orbit coupling device (MESO) by Intel and the Ferro-Electric Spin-Orbit coupling device (FESO) by our group, spin logic had gained a primal role in spintronics aiming to compete with CMOS technology. The study of the spin-charge interconversion phenomena became an important topic and finding the best material for such application is crucial. Heavy metals show efficiency limits and new materials possessing large interconversion are needed in order to fulfill the requirements of the new spin logic circuits. In this context, the study of the interconversion properties in topological insulators and alternative materials is required. The high resistivity typical of semiconductors and insulators combined with large interconversion efficiencies might help closing the gap between research and technological requirements. In the first chapter, we introduce the discovery of the spin-charge interconversion and the relevant physics necessary to understand those phenomena. The second chapter focus the attention in the measurement of the spin-charge interconversion in sputtered antimony telluride (Sb2Te3), a topological insulator. The results show a sizeable interconversion at low temperature in nanodevices and the role of nanofabrication in altering the crystal structure. The third chapter presents spin-charge interconversion in another relevant class of material with a large momentum in spintronics: ferroelectric Rashba semiconductors (FERSC). Germanium telluride (GeTe) is part of this class of materials, which are capable of controlling the sign and the amplitude of the spin-charge interconversion by the ferroelectric state of the material. The ferroelectricity adds a new degree of freedom for spin-charge interconversion; also, this chapter stress the role of the interfacial layer and the deposition condition for the optimization of the generated signal. A small part is dedicated to the proposal of a new design for nanodevices for better signal detection. The last chapter is devoted to the state of the art of magnetic random access memories (MRAM), a technology proposed in the 90’s harnessing the non-volatility properties of ferromagnetic materials which has evolved and was able to be commercialized as memories in only 20 years. We propose a deeper analysis of the in-plane field required in perpendicularly magnetized magnetic tunnel junctions (p-MTJs), the most recent solutions for MRAM, to switch deterministically their state by using torques generated by a spin-orbit coupling layer (pSOT-MRAM). This part consists in the proposition of a novel measurement technique for the estimation of the in-plane field and novel analytical models predicting the critical current density and pulse duration required to switch pSOT-MRAM.
titre : Nanodispositifs basés sur l’interconversion spin-charge dans des tellurures pour une électronique à faible consommation d’énergie
Résumé : Avec les récentes propositions de dispositifs de couplage magnéto-électrique spin-orbite (MESO) par Intel ou de couplage ferro-électrique spin-orbite (FESO) par notre groupe, la logique de spin prend un rôle primordial en spintronique en vue de suppléer la technologie CMOS. L’étude des phénomènes d’interconversion spin-charge faisant recours au couplage spin orbite est un sujet important et il est crucial de trouver des matériaux présentant la meilleure efficacité. Les métaux lourds présentent des efficacités limitées et de nouveaux matériaux possédant une forte interconversion sont nécessaires pour répondre aux exigences des nouveaux circuits logiques de spin. Dans ce contexte, l’étude des propriétés d’interconversion dans les isolants topologiques et les matériaux alternatifs est nécessaire. La résistivité élevée typique des semi-conducteurs et des isolants combinés à de grandes efficacités d’interconversion pourrait aider à combler le fossé entre la recherche et les exigences technologiques. Dans le premier chapitre de cette thèse, nous présentons la découverte de l’interconversion spin-charge et la physique nécessaire à la compréhension de ces phénomènes. Le deuxième chapitre se concentre sur la mesure de l’interconversion spin-charge dans le tellurure d’antimoine (Sb2Te3), un isolant topologique, déposé par pulvérisation cathodique. Les résultats obtenus dans des nanodispositifs montrent une interconversion importante à basse température et le rôle de la nanofabrication dans l’altération de la structure cristalline. Le troisième chapitre présente l’interconversion spin-charge dans une autre classe pertinente de matériaux pour la spintronique : les semi-conducteurs ferroélectriques de Rashba (FERSC). Le tellurure de germanium (GeTe) fait partie de cette classe de matériaux, qui sont capables de contrôler le signe et l’amplitude de l’interconversion spin-charge par l’état ferroélectrique du matériau. La ferroélectricité ajoute un nouveau degré de liberté pour l’interconversion spin-charge ; ce chapitre souligne également le rôle de la couche interfaciale et des conditions de dépôt pour l’optimisation du signal généré. Une partie est consacrée à la proposition d’une nouvelle conception de nanodispositifs pour une meilleure détection du signal. Le dernier chapitre est consacré à l’état de l’art des mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM), une technologie proposée dans les années 90 exploitant les propriétés de non-volatilité des matériaux ferromagnétiques, qui a évolué et a pu être commercialisée en tant que mémoires en seulement 20 ans. Nous proposons une analyse plus approfondie par du champ dans le plan dans les jonctions tunnel magnétiques à aimantation perpendiculaire (p-MTJ), solutions la plus récente pour les MRAM, afin de commuter de manière déterministe leur état en utilisant les couples générés par une couche de couplage spin-orbite (pSOT-MRAM). Cette partie consiste en la proposition d’une nouvelle technique de mesure pour l’estimation du champ dans le plan et de nouveaux modèles analytiques prédisant la densité de courant critique et la durée d’impulsion nécessaires pour commuter la pSOT-MRAM.
Jury :
- Jean-Marie George (directeur de recherche, CNRS Délégation Paris Ile de France Gif sur Yvette) Examinateur
- Juan-Carlos Rojas-Sanchez (charge de recherche HDR, CNRS Délégation Centre Est) Rapporteur
- Florent Tournus (charge de recherche HDR, CNRS Rhône Auvergne) Rapporteur
- Mairbek Chshiev (professeur des universites, Université Grenoble Alpes) Examinateur
- Ursula Ebels (directrice de recherche, CEA Grenoble) Examinatrice
Thesis supervisors :
- Jean-Philippe Attané (professeur des universites, Université Grenoble Alpes)
- Laurent Vila (Chercheur HDR, CEA)