Einfluss der Oxid-Barriere auf den Spin- und Ladungstransport in Graphen/MgO/Co-Strukturen

Volmer, Frank; Stampfer, Christoph; Güntherodt, Gernot

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-015878

Einfluss der Oxid-Barriere auf den Spin- und Ladungstransport in Graphen/MgO/Co-Strukturen = Role of MgO barriers for spin and charge transport in Co/MgO/graphene devices

Volmer, Frank^RWTH*

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Frank Volmer

2015

UmfangV, 183 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Güntherodt, Gernot (Thesis advisor) ; Stampfer, Christoph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-02-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-015878
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/464854/files/464854.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/464854/files/464854.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Graphen (frei) ; Spin (frei) ; Dephasierung (frei) ; Kontakt (frei) ; Barriere (frei) ; MgO (frei) ; Ladungstransport (frei) ; Spintransport (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Ladungs- und Spin-Transport in nicht-lokalen Graphen-Spin-Valve-Strukturen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist der Einfluss einer MgO-Barriere zwischen Co-Elektroden und Graphen auf die Transport-Eigenschaften der Graphen-Struktur. Es wird dargelegt werden, dass die Graphen/MgO/Co-Grenzschicht einen signifikanten, extrinsischen Faktor bezüglich der Spin-Dephasierung darstellt, wobei die Spin-Lebensdauer desto höher ausfällt, je mehr die MgO-Barriere Tunnelcharakteristik zeigt. Nach einer allgemeinen Einführung im ersten Kapitel, wird im zweiten Kapitel zunächst auf die wichtigsten theoretischen Grundlagen eingegangen. Danach behandelt das dritte Kapitel den Produktionsprozess mit all seinen Herausforderungen. Hierzu zählen vor allem die Hindernisse bezüglich der Fabrikation von qualitativ hochwertigen Tunnelkontakten auf Graphen. Im vierten Kapitel wird dann schließlich der Einfluss der MgO-Schicht in den Graphen/MgO/Co-Strukturen untersucht. Umfassende systematische Messreihen demonstrieren eine enge Korrelation zwischen den Messungen des Ladungs- und denen des Spin-Transports. Besonders hervorzuheben ist hierbei die erstmalige systematische Untersuchung eines kontakt-induzierten, zweiten Dirac-Peaks in den elektrischen Transportmessungen und dessen Einfluss auf die Spin-Lebensdauer. Die Ergebnisse deuten auf einen signifikanten Unterschied in den Transporteigenschaften hin, der zwischen dem vom Kontakt bedeckten Graphen und dem freiliegenden Bereich zwischen den Kontakten besteht. Dieser Unterschied ist am ausgeprägtesten für niederohmige, transparente Kontakte und verschwindet graduell mit steigender Dicke der Oxid-Schicht zwischen Graphen und Metall. Durch eine Sauerstoffnachbehandlung von fertig hergestellten Proben, wird ein gradueller Übergang von niederohmigen zu hochohmigen Graphen/MgO/Co-Kontakten erreicht. Damit einhergehend wird eine signifikante Verbesserung der Spin-Transport-Eigenschaften beobachtet. Hierdurch werden mangelhafte Tunnelkontakte als limitierender Faktor des Spin-Transports identifiziert. Die Änderungen im Ladungs- und Spin-Transport werden dabei über eine graduelle Unterdrückung einer Co-Graphen-Hybridisierung mit ansteigender Oxid-Dicke erklärt werden. Zusätzlich werden neue Messmethoden vorgestellt, die nach der Fabrikation der nicht-lokalen Spin-Valve-Strukturen Einsicht in die Qualität der Kontakte geben könnten. Durch die Vermeidung von mangelhaften Tunnelkontakten als limitierenden Faktor, werden dann Spin-Präzessionsmessungen vorgestellt, die Spin-Lebensdauern von über 2 ns bei Raumtemperatur liefern.

In this thesis the spin and charge transport in non-local graphene spin-valve structures is investigated. The work will focus on the impact of an MgO oxide barrier, which separates the Co electrodes from the graphene flake, on the transport properties of graphene. It will be demonstrated that the graphene/MgO/Co-interface can be a significant, extrinsic bottleneck for spin dephasing in graphene. The spin lifetime increases in case of a more tunnel-like characteristic of the contacts. After a general introduction in the first chapter, the second chapter covers the most important theoretical aspects. The third chapter describes the fabrication process with all of its challenges, like the fabrication of high-quality tunnel contacts on top of graphene. Finally, the fourth chapter investigates the impact of the MgO-barrier in the graphene/MgO/Co-devices. A systematic study reveals a connection between the measurements of charge and spin transport. Especially noteworthy is the first systematic study of a contact-induced second charge neutrality point seen in electrical transport measurements and its impact on the spin lifetime. It will be shown that the transport properties significantly differ between the contact-covered part of the graphene flake and the free part of graphene between the contacts. This difference is most distinct in case of low-ohmic, transparent contacts and gradually vanishes with increasing thicknesses of the oxide layer between graphene and metal. By an oxygen treatment a gradual transition from low- to high-ohmic graphene/MgO/Co-contacts is achieved, which is accompanied by a significant improvement of the spin transport properties. This demonstrates that low-quality tunnel barriers are a limiting factor in respect to spin transport. The changes both in charge and spin transport are explained by a gradual suppression of a Co-graphene-hybridization with increasing thickness of the oxide barrier. Additionally, new measurement techniques are presented, which may serve as a fingerprint to characterize the quality of the oxide barriers after device fabrication. By avoiding the limiting effects of imperfect tunnel barriers, spin precession measurements are shown which yield spin lifetimes of 2 ns at room temperature.

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