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Theses

Advanced k.p multiband methods for semiconductor-based spinorbitronics

Résumé : Ce travail de thèse est essentiellement consacré au développement de la théorie de transport tunnel k.p 14, 30 et 40 bandes pour une application à la spinorbitronique avec semiconducteur. La spinorbitronique associe les effets de spin et d’orbite, qui par l’intermédiaire du couplage spin-orbite, introduit des propriétés de transport nouvelles comme les effets Hall de spin et tunnel Hall anormal. Ce dernier se caractérise par une déflection de la trajectoire des porteurs polarisés selon la direction transverse de leur flux. D’autres effets caractéristiques concernent i) les mécanismes de transfert de spin permettant de commuter une aimantation par transfert de moment angulaire, généralisant ainsi le transfert de spin ainsi que ii) la conversion spin-charge médiés par les termes Rashba ou Dresselhaus. Dans ce cadre, notre théorie de transport tunnel est adaptable aux hétérostructures semiconductrices, magnétiques ou non, traitant d’une simple interface ou de jonctions tunnel. Elle permet de tenir compte de façon fine des interactions spin-orbite de cœur et d’interface. Elle utilise de façon générale l’introduction de bandes hautes supplémentaires, dites fantômes, pour traiter les états spurious inhérents à la théorie k.p multibandes. Outre l’introduction des états ‘fantômes’ ne déformant ni la structure électronique, ni le transport polarisé, notre approche utilise la continuité des composantes des fonctions d’onde à chaque interface ainsi que le raccordement des composantes du courant d’onde selon la symétrie des interfaces soit par 1) la continuité des composantes du courant d’onde (extension de la théorie Ben Daniel Duke), 2) les conditions de raccordement obéissant à une symétrie C2v par mélange cd trous lourds/légers dans la bande de valence (conditions d’Ivchenko) ou 3) discontinuité des bandes p ‘hautes’. Nous démontrons, en outre, l’équivalence des conditions de continuité pour le cas de puits quantiques III-V de type AlAs/GaAs/AlAs ce qui représente ainsi une généralisation de résultats précédents développés en 14 bandes.L’ensemble de ce travail de thèse analytique et numérique, comportent plusieurs démonstrations importantes. Nous montrons que notre théorie permet de décrire le transport de spin d’états couplés spin-orbite dans les hétérostructures semiconductrices d’axe de croissance (100) ou (110). Ces résultats sont notamment matérialisés par les calculs les trois composantes du courant de spin dans les barrières III-V (GaAs, AlAs) jouant le rôle de déphaseur de spin. Les calculs que nous développons montrent en effet, comme le prévoit la théorie analytique, une rotation vectorielle de la matrice densité de spin dans l’épaisseur de la barrière et comme prévue par l’application d’un champ e spin-orbite effectif de Dresselhaus parallèle au plan de la barrière.Notre théorie est également comparée avec succès aux calculs de perturbation multibandes utilisant les fonctions de Green pour le transport pour traiter les mécanismes de l’effet tunnel Hall anormal dans la bande conduction et dans la bande de valence. Les résultats sont remarquables de fidélité ce qui montre la puissance de la technique utilisée. Nous calculons également les propriétés de courant de spin dans les jonctions tunnel ferromagnétiques à base de GaMnAs pour en déduire le couple de transfert de spin responsable de la commutation de l’élément ferromagnétique fin. Nous montrons par exemple, comment les composantes de spin transverses du courant sont pertinents pour commuter une aimantation. Enfin, nous avons adapté notre théorie de transport aux structures III-V pour calculer les états confinés de puits quantiques dans la bande de conduction et bande de valence. Nous comparons avec succès, nos résultats multibandes à l’état de l’art 6 bandes et 14 bandes, sur l’anisotropie optique de l’absorption entre les directions (110 et (1-10) du champ électrique lorsque la symétrie de l’hétérostructure est réduite à une symétrie C2v.
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Contributor : Abes Star :  Contact
Submitted on : Thursday, June 4, 2020 - 6:38:48 PM
Last modification on : Sunday, August 2, 2020 - 5:26:12 AM

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86810_TO_2019_archivage.pdf
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  • HAL Id : tel-02682441, version 2

Citation

Duy-Quang To. Advanced k.p multiband methods for semiconductor-based spinorbitronics. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Institut Polytechnique de Paris, 2019. English. ⟨NNT : 2019IPPAX001⟩. ⟨tel-02682441v2⟩

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