Electronic spin transport and thermoelectric effects in graphene

Resumen

La espintrónica y la espín caloritronica en grafeno son campos de investigación muy activos, y esta tesis es una contribución a ambos campos. El tema principal es el estudio de la corriente de espín a través de métodos de inyección y detección eléctrica en válvulas de espín no locales de grafeno. Preliminarmente, estudiamos analíticamente el efecto túnel de electrones de conducción entre materiales ferromagnéticos y no magnéticos. En la parte experimental, se investiga la precesión de espín en las válvulas de espín de grafeno en suspensión. En este contexto, hemos desarrollado un nuevo método para la fabricación de dispositivos de grafeno suspendido que, además, proporciona una inyección y detección de espín más eficiente. Con el fin de investigar estas corrientes de espín más eficientes, hemos realizado medidas en función de la corriente inyectada. Estos experimentos han dado lugar a la demonstración experimental de un termopar de espín en grafeno. La predicción teórica de distancias de relajación de espín de varias decenas de micrómetros en grafeno nos ha motivado a estudiar las propiedades intrínsecas de grafeno. Para ello el grafeno es suspendido libremente, eliminando así las influencia de substrato y permitiendo a posteriori emplear métodos de limpieza. Con el fin de lograr este objetivo, hemos desarrollado un método de fabricación de válvulas de espín no locales de grafeno suspendido libremente, que implica la utilización en el proceso de un número mínimo de pasos y productos químicos. Dado que en este método no se emplean ácidos, el rendimiento de estos dispositivos de alta calidad se mejora notablemente comparado con dispositivos elaborados con un proceso de fabricación estándar. Por lo tanto, nuestros dispositivos presentan una excelente movilidad, alcanzando valores de 20.000cm^2/(Vs) a temperatura ambiente. La detección eléctrica de la precesión de espín nos permite extraer la longitud de relajación en estos dispositivos, encontrando valores de pocos micrómetros. Hemos observado además una alta eficiencia tanto de inyección como en la detección de espín en nuestros dispositivos. Esta mejora es atribuida a la formación de una barrera de carbono amorfo inducida por haz de electrones en la interfaz grafeno/electrodo ferromagnético. Estas interfaces son estables incluso a altas densidades de corriente. Obtenemos una mejora 10000x de la señal de espín con respecto a los contactos óhmicos. La resistencia de contacto y acumulación de espín aumentada sugiere que la interfaz es una combinación de contacto óhmico y barrera túnel. La simplicidad y capacidad de transferencia del proceso de fabricación contrasta con la complejidad de obtener barreras aislantes convencionales utilizadas hoy en día en dispositivos espintrónicos. Por tanto, esperamos que las barreras de carbono amorfo sean una alternativa viable para mejorar tanto la eficiencia en la inyección como en la detección de corrientes de espín en otros materiales distintos a grafeno. Por último, hemos realizado medidas en estos dispositivos en función de la corriente inyectada, observando un fenómeno nuevo gracias a las propiedades particulares de grafeno como su movilidad dependiente de la energía. Se demuestra que un aumento anómalo de la acumulación de espín en el punto Dirac, que es causado por calentamiento en los inyectores. Debido a este contribución de grados mayores para la acumulación de espín , los potenciales electroquímicos de los sub bandas de espín presentan un comportamiento supra lineal en función de la corriente de bias. El desdoblamiento de espín se hace tan grande que en el punto Dirac se observa una gran cantidad de portadores de espín y carga opuestos. Demuestramos que este constituye un termopar de espín, donde el voltaje termoeléctrico entre el espín hacia arriba y hacia abajo aumenta la acumulación total de espín