Grafeen omvormen tot een spin actief materiaal: Gebruik maken van de grootte-specifieke interactie met metaalclusters

Het succes van de halfgeleiderindustrie berust op de voortdurende verbetering van de prestaties van geïntegreerde schakelingen (IC's). Tot dusver werd dit bereikt door de basisbouwsteen van deze schakelingen, de metaaloxidehalfgeleider-veldeffecttransistor (MOSFET), kleiner te maken. De verkleining van MOSFET's is gerealiseerd door nieuwe materialen te introduceren, zoals diëlektrische/metalen gate-stacks met een hoge k-waarde en zeer mobiele halfgeleiders (Ge, III-V-verbindingen). Aangezien deze schaalverkleining haar grenzen nadert, kan de voortdurende toename van de prestaties van geïntegreerde schakelingen alleen in stand worden gehouden door de toepassing van radicaal nieuwe benaderingen. Spintronica, waarbij men naast de lading ook de spin van elektronen manipuleert, zou de noodzakelijke aanvulling kunnen zijn om de uitdagingen te overwinnen waarmee de conventionele elektronica wordt geconfronteerd. In de afgelopen decennia heeft de wetenschappelijke gemeenschap met succes de injectie, het transport en de manipulatie van spins aangetoond in silicium, metalen, grafeen en meer. Ondanks deze belangrijke verwezenlijkingen heeft een spingebaseerd alternatief voor logische elementen, zoals de MOSFET, nog niet het prestatieniveau bereikt om te kunnen concurreren met de op lading gebaseerde alternatieven. 

Meer dan 10 jaar geleden bracht de ontdekking van de eigenschappen van grafeen het onderzoek naar tweedimensionale (2D) materialen op gang, waardoor nieuwe en opwindende mogelijkheden ontstonden in zowel de fundamentele als de toegepaste wetenschappen. Het 2D-materiaal is een nul-bandkloof halfgeleider: zijn valentie- en geleidingsband raken elkaar in het zogenaamde Dirac-punt, waaromheen de dispersierelatie lineair is. De ultieme opsluiting in één dimensie maakt gate control van de transporteigenschappen van grafeen mogelijk. Het gebruik van een apparaat met een back-gate structuur maakt het mogelijk het type (elektronen/gaten) en het aantal ladingsdragers op een continue wijze te regelen, i.e. het (ambipolaire) elektrische veldeffect. Bovendien vertoont grafeen een aantal buitengewone eigenschappen, waaronder uitstekende thermische en elektrische geleiding, extreme flexibiliteit, hoge mechanische sterkte, en uitgesproken kwantummechanische verschijnselen zoals het gekwantiseerde Hall-effect. Bovendien heeft grafeen bewezen een uitstekend uitgangsmateriaal voor spintronica te zijn. Intrinsiek grafeen heeft lage spin-orbitaal en hyperfine interacties, wat resulteert in weinig spinrelaxatiemechanismen en dus een lange spin-diffusielengte, waardoor het een geschikt spintransportkanaal is. Dit impliceert echter dat ongerept grafeen overwegend een passief spintronisch element is: het biedt zeer beperkte actieve spin manipulatie. 

In de halfgeleiderindustrie speelt doping een cruciale rol: Het maakt het halfgeleidende materiaal op maat zodat het de gewenste eigenschappen heeft. In het geval van grafeen gaan de dopingeffecten verder dan het toevoegen of verwijderen van een elektron uit de geleidingsband. Zo kunnen metaalatomen en nanodeeltjes geadsorbeerd op grafeen de spin-orbitaalkoppeling (plaatselijk) afstellen. Verhoogde spin-orbitaal koppeling zal naar verwachting leiden tot een vergroot en/of afstembaar spin Hall effect, robuuste quantum spin Hall toestanden, een verandering in de spin levensduur anisotropie, en spin-splitsing in de grafeen dichtheid van toestanden. Zo wordt verwacht dat grafeen gedecoreerd met metaaladatomen het spintronisch potentieel van grafeen zal activeren. Door de extreme gevoeligheid van grafeen apparaten, wil men een hoog niveau van controle in het adsorberen van metalen addeeltjes aan grafeen. Dergelijke controle wordt geboden door state-of-the-art cluster fabricage en depositie technieken, die het mogelijk maakt om de grootte en samenstelling van clusters te selecteren met atomaire resolutie. Met behulp van deze technieken vertoonden gasfase clusters een duidelijke atoom-per-atoom grootte afhankelijkheid, gedomineerd door kwantum opsluitingseffecten, in de elektronische en structurele eigenschappen. Dit leidt tot unieke fysisch-chemische eigenschappen, zoals magnetisme van atomen die niet-magnetische bulkmetalen vormen, katalytische activiteit van goudclusters in tegenstelling tot hun inerte bulkfase, en metaal-diëlektrische overgangen die optreden bij toevoeging van een enkel atoom . Clusters kunnen worden beschouwd als uitbreidingen van het periodiek systeem der elementen in de derde dimensie, of, in het kader van dit project, als superdopanten.

In dit proefschrift wordt voor het eerst, voor zover wij weten, een experimentele studie gedemonstreerd van spin-transport in grootte-geselecteerde cluster-gedecoreerde grafeen devices. Grafeen spin valves werden gefabriceerd en gekarakteriseerd in-situ met behulp van vacuüm meetfaciliteiten gebouwd in het kader van dit proefschrift. Deze spin valves zijn gedecoreerd met Au3 en Au6 clusters, die gemaakt zijn in een DC magnetron sputter bron, geselecteerd op grootte, en vervolgens gedeponeerd op de spin valves. Naarmate de dichtheid van de clusters op het grafeen toeneemt, worden de spintransportparameters van het grafeenkanaal nauwkeurig gecontroleerd met behulp van Hanle spin precessie metingen. Het blijkt dat beide goudclusters spins verstrooien via het Elliot-Yafet mechanisme. De geïnduceerde spin-orbitaal koppelingssterkte is een paar meV voor beide clusters, waarbij de waarde voor Au3 ruwweg twee keer zo groot is als die van Au6. Een geleidelijke toename van de gedeponeerde clusterdichtheid (tot 1e14 clusters/cm^2) vermindert de spin- en impulslevensduur van het grafeenkanaal, waarbij de Au6 clusters zowel de spin- als de impulslevensduur sterker beïnvloeden dan de Au3 clusters. Density functional theory berekeningen geven inzicht in het spinrelaxatiemechanisme. De afhankelijkheid van de elektronische en spintronische eigenschappen van grafeen van de dichtheid en de precieze clustergrootte geeft het belang aan van de microscopische details voor de functionalisering van grafeen voor spintronische toepassingen.

Op een gelijkaardige manier worden Ni4 clusters gedecoreerd op een grafeen spin valve. Gevoed door het debat in de literatuur, deze studie bestudeert de spin verstrooiing mechanismen in grafeen door het evalueren van de Elliot-Yafet en de D'yakonov-Perel spin verstrooiing mechanismen in het cluster versierde device.

Deze dissertatie draagt bij aan het begrip van spinverstrooiing in grafeen door de gecontroleerde modificatie aan de hand van cluster depositie. Het levert experimentele gegevens voor de discussie over de rol van het D'yankonov-Perel mechanisme en het Elliot-Yafet mechanisme die spinrelaxatie in grafeen veroorzaken. Deze thesis zal een startpunt zijn voor nieuwe experimenten die kunnen leiden tot het ontdekken van unieke spin transport fenomenen dewelke nuttig zijn voor spintronica toepassingen, zoals het (omgekeerde) spin Hall effect of een sterke gate-afhankelijkheid van de spinstroom, waardoor de Datta-Das spin transistor mogelijk wordt.