Spintronique dans le silicium et le germanium – SiGeSPIN

L’objectif du projet SiGeSPIN est de développer la spintronique dans le silicium et le germanium. La première étape consiste à injecter de façon efficace une population d’électrons polarisés en spin dans ces matériaux. Pour cela, une grosse partie de ce projet sera consacrée à l’étude détaillée des mécanismes microscopiques impliqués dans l’injection électrique de spins d’un matériau ferromagnétique dans un canal de silicium ou de germanium. Cette étude représente un véritable enjeu en science et ingénierie des surfaces puisque le transport de spins est entièrement déterminé par la présence ou non d’états d’interface, par la rugosité de surface et l’alignement des bandes électroniques entre le matériau ferromagnétique et le semi-conducteur. Seule une connaissance approfondie de ces paramètres nous permettra de contrôler l’injection de spins dans le silicium et le germanium et de proposer de nouveaux modèles de transport. Dans cette partie, nous utiliserons différentes techniques de croissance comme la pulvérisation cathodique et l’épitaxie par jets moléculaires ainsi que différentes barrières tunnel et matériaux ferromagnétiques (métaux et films de germanium dopés manganèse). Les différents paramètres d’interface seront déduits de mesures électriques et spectroscopiques de résonance paramagnétique électronique. Toutes les mesures électriques d’injection, détection et manipulation de spins seront effectuées sur des vannes de spin latérales fabriquées par lithographie optique et électronique. Un feedback constant entre croissance et caractérisation doit nous permettre de sélectionner le meilleur injecteur de spins dans Si, Ge. La deuxième partie de ce projet consiste à manipuler le signal de spin à température ambiante en modifiant la géométrie du canal, en appliquant un champ électrique ou des pulses radio-fréquences. Tout d’abord, en réduisant la taille du canal de conduction à des dimensions comparables à la longueur de diffusion de spin, nous chercherons à maximiser le signal électrique d'accumulation de spin. En particulier, nous étudierons le transport de spin unidimensionnel dans des nanofils de Si et Ge fabriqués par des méthodes "top-down" utilisant la lithographie électronique associée à une gravure réactive ou bien une implantation masquée de dopants, mais aussi par des méthodes "bottom-up" comme la croissance catalysée de type Vapor-Liquid-Solid (VLS). Grâce à l’utilisation de substrats de SOI (resp. GOI) nous appliquerons une tension de grille au canal de Si (resp. Ge) pour modifier le profil de bandes dans le semi-conducteur mais aussi induire la précession de spin par effet Rashba. Enfin, pour des temps de vie de spin suffisamment longs, le spin des électrons dans le canal de Si ou Ge pourra être manipulé à l'aide de pulses radio-fréquences.