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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-17-0372

DOMAINE DE RECHERCHE
Physique du solide, surfaces et interfaces / Physique de l'état condensé, chimie et nanosciences
INTITULÉ DU SUJET Français English

Utilisation du couplage spin-orbite dans le silicium et le germanium pour la génération, détection et manipulation du spin

RÉSUMÉ DU SUJET

L’objectif de la spintronique dans les semiconducteurs est l’utilisation du spin de l’électron en plus de sa charge dans les dispositifs de la microélectronique. Le degré de liberté de spin permet d’ajouter de nouvelles fonctionnalités aux dispositifs existants et de réduire la consommation d’énergie. Les trois étapes clés pour le développement de cette nouvelle technologie sont la génération, la détection et la manipulation d’électrons polarisés en spin dans le silicium et le germanium, les matériaux de la microélectronique actuelle. Un nouveau paradigme est récemment apparu dans la communauté de la spintronique qui consiste à utiliser le couplage spin-orbite pour réaliser ces trois opérations. Le couplage spin-orbite couple le moment et le spin de l’électron. Il permet donc de manipuler le spin à l’aide d’un champ électrique mais aussi de réaliser l’inter-conversion courant de charge-courant de spin par effet Hall de spin dans les matériaux massifs et par effet Rashba aux interfaces.

Malheureusement, le couplage spin-orbite est trop faible dans le Si et le Ge et c’est l’objectif de la thèse d’étudier des méthodes pour l’exalter. Nous nous concentrerons tout d’abord sur les interfaces métal/Si(111) et métal/Ge(111) dans lesquelles un très fort couplage spin-orbite de type Rashba a été prédit. Ensuite, deux autres systèmes prometteurs seront abordés : des films de Si et Ge dopés avec des atomes lourds pour augmenter le couplage spin-orbite dans le massif et des isolants topologiques épitaxiés sur Si(111) ou Ge(111) dans lesquels l’inter-conversion courant de charge-courant de spin est très efficace. Le candidat bénéficiera de la longue expérience de notre équipe en spintronique des semi-conducteurs de d’une collaboration forte avec le CEA LETI.

Pour la réalisation finale d'un transistor à spin, l'étudiant réalisera les tâches suivantes:

1) La croissance par épitaxie par jets moléculaires des jonctions tunnel magnétiques sur Si et Ge qui serviront d'électrodes d'injection et détection de spin.

2) La croissance des états Rashba métal/Si et métal/Ge par épitaxie par jets moléculaires.

3) La nanofabrication des dispositifs en salle blanche par lithographie électronique et optique

4) Les mesures de magnétotransport sur les dispositifs obtenus à l'aide d'un cryostat dédié (2-300K, 0-7 Tesla)

5) L'interprétation de signaux électriques dans le cadre des modèles déjà existants. Développement de nouveaux modèles. Des simulations par éléments finis seront aussi envisagées pour visualiser les courants de spin dans le système.

FORMATION NIVEAU MASTER RECOMMANDÉ

Physique de la matière condensée, croissance épitaxiale, spintronique, semiconducteurs

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut nanosciences et cryogénie
Spintronique et technologie des composants
Laboratoire Spintec
Centre : Grenoble
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2017
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Alain MARTY  

CEA
DRF/INAC/SPINTEC/SPINTEC
CEA/Grenoble, INAC/SPINTEC, 17 rue de Martyrs, 38054 Grenoble Cedex 09

Téléphone : +33 4 38 78 33 66

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Université Grenoble Alpes
Ecole Doctorale de Physique de Grenoble
DIRECTEUR DE THÈSE

Matthieu JAMET

CEA
DRF/INAC/SPINTEC/SPINTEC
CEA/Grenoble
17, rue des Martyrs
38054 Grenoble cedex 9