Spin transport in graphene-hBN heterostructures in inverted non-local spin valve devices

Drögeler, Marc; Stampfer, Christoph; Schäpers, Thomas

doi:HT019428988

Spin transport in graphene-hBN heterostructures in inverted non-local spin valve devices = Spin transport in graphen-hBN Heterostrukturen in invertierten nicht-lokalen Spinventil-Proben

Drögeler, Marc

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marc Drögeler, M.Sc.

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (VII, 141 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Stampfer, Christoph (Thesis advisor) ; Schäpers, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-06-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-07557
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/698201/files/698201.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/698201/files/698201.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
graphene (frei) ; boron nitride (frei) ; heterostructure (frei) ; van der Waals (frei) ; spin (frei) ; spin transport (frei) ; spin valve (frei) ; 2D materials (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Doktorarbeit zeigt eine neue Fabrikationsmethode für nicht lokale Graphen Spinventile. Die Methode ermöglicht Ladungsträgermobilitäten von 20,000 cm²/(Vs), Spindiffusionslängen von 30 µm und Spinlebensdauern von mehr als 12 ns bei Raumtemperatur. Im Vergleich zu früheren Studien ist die Spinlebensdauer um einen Faktor sechs größer. In dieser Arbeit werden die Co/MgO Elektroden zuerst auf einem Si++/SiO2 Substrat gewachsen und anschließend wird exfoliertes Graphen mit Hilfe von hexagonalem Bornitrid (hBN) auf die Elektroden transferiert. Im Vergleich zu früheren Fabrikationsmethoden, bei denen die Elektroden auf die inerte Graphen Oberfläche gewachsen werden, sollte dies zu einer homogeneren Grenzfläche führen.Zunächst untersuchen wir die Homogenität der MgO Schicht vor der Graphen Deposition mit Hilfe von leitfähiger Rasterkraftmikroskopie. Es zeigt sich, dass die Lage homogen ist aber kleine, leitfähige Kanäle besitzt, die die Spin Injektions- und Detektionseffizienz verringern. Außerdem untersuchen wir die räumliche Verteilung der Dotierung und von Verspannungen des Graphens mit Hilfe von konfokaler Raman Spektroskopie. In einigen Regionen ist das Graphene quasi freihängend zwischen zwei Elektroden wohingegen es in anderen Regionen das Substrat berührt, was zu einer Dotierung und zu Verspannungen führt. Diese Inhomogenitäten haben allerdings keine Auswirkungen auf die gemessenen Spintransporteigenschaften.Wir konnten aber feststellen, dass sich diese verschlechtern wenn kleine hBN Flocken verwendet werden und Lösungsmittel und gelöste Polymere in Kontakt mit dem Graphen kommen. Zudem beobachten wir, dass sich die Spinlebensdauer in Abhängigkeit der Ladungsträgerdichte für ein- und zweilagiges Graphen bei tiefen Temperaturen unterscheidet. Für einlagiges Graphen ändert sich die Abhängigkeit im Vergleich zu Messungen bei Raumtemperatur nicht, wohingegen bei zweilagigem Graphen eine erhöhte Spindephasierung im Bereich des Ladungsneutralitätspunktes bei tiefen Temperaturen zu beobachten ist. Diese wirft ein anderes Licht auf die Diskussion über den zugrundeliegenden Spindephasierungsmechanismus in Graphen.Zusätzlich haben wir diese neue Fabrikationsmethode auch auf chemisch synthetisiertes Graphen angewendet. Abgesehen von einigen Schwierigkeiten bei der Fabrikation zeigt diese Art von Graphen aber vergleichbare Eigenschaften zu exfoliertem Graphen. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung der technologischen Anwendung und der Massenfabrikation. Schließlich untersuchen wir mit Hilfe von Simulationen der verwendeten Elektrodenstrukturen die Auswirkungen von Inhomogenitäten der Spintransporteigenschaften innerhalb einer Probe. Es zeigt sich, dass Regionen mit erhöhter Spindephasierung auch die Messungen in benachbarten Regionen beeinflussen. Dies ist eine wichtige Erkenntnis für das zukünftige Probendesign und die verwendeten Materialien.

In this thesis a novel fabrication technique for graphene non-local spin valves is presented. This technique allows high charge carrier mobilities of 20,000 cm²/(Vs), spin diffusion length of more than 30 µm and spin lifetimes of more than 12 ns at room temperature. In contrast to previous studies the spin lifetime is a factor of six larger. Here, the Co/MgO electrodes are fabricated first on a Si++/SiO2 substrate and subsequently an exfoliated graphene flake is transferred on top of the electrodes using hexagonal boron nitride (hBN). This may lead to a more homogeneous interface compared to old fabrication methods where electrodes were grown on the inert graphene surface.First, we investigate the homogeneity of the MgO layer by conductive scanning force microscopy prior to the graphene deposition. We find that the layer is homogeneous but exhibits conducting pinholes which lower the spin injection and detection efficiency. Moreover, we investigate the spatial variation of doping and strain of the graphene flake by confocal Raman spectroscopy. We find that some regions of the device are quasi suspended between the electrodes and some are in contact to the substrate which dopes the graphene and induces uniaxial strain in the graphene flake. However, the spin transport properties are not influenced by these variations.On the other hand, we observe that the spin transport properties are deteriorated if small hBN flakes are used as solvents and dissolved polymers can get in contact to the graphene flake. Additionally, we find that the charge carrier density dependence of the spin lifetime behaves differently at low temperatures for single and bilayer graphene. While there is no change for single layer in comparison to room temperature there is an enhanced spin dephasing near the charge neutrality point for bilayer graphene. This observation shines new light on the underlying spin dephasing mechanism in graphene.Additionally, the new fabrication technique was applied to chemically synthesized graphene. Despite some difficulties in the fabrication process it shows similar spin transport properties as exfoliated graphene which is important for technological applications and mass fabrication.Finally, simulations of the device structures demonstrate the effects of sample inhomogeneities on the spin transport properties. We show that regions with an enhanced spin dephasing always influence the measurements even if these regions are only adjacent to the actually measured one. This is important for future electrode design and employed materials.

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