Depuis la découverte de la magnétorésistance (MR) géante en 1988 par le groupe d'Albert Fert (prix Nobel de physique en 2007), le domaine de l'électronique de spin a connu un essor sans précédent, justifié par toutes les applications qu'elle permet d'envisager en électronique.Depuis une vingtaine d'années, il est question d'utiliser le degré de liberté de spin directement dans les matériaux semi-conducteurs avec le gros avantage par rapport aux métaux de pouvoir manipuler électriquement le spin des porteurs. L'électronique de spin dans les matériaux semi-conducteurs utilise pour coder l'information non seulement la charge des porteurs (électrons et trous), mais aussi leur spin. En associant charge et spin, on ajoute de nouvelles fonctionnalités aux dispositifs de micro-électronique traditionnels.Le premier challenge consiste à contrôler l’injection et la détection d’une population de porteurs polarisés en spin dans les semi-conducteurs traditionnels (Si, Ge).Pour cela, nous avons étudié des dispositifs hybrides de type MIS: Métal ferromagnétique/Isolant/Semi-conducteur qui nous permettent d'injecter et de détecter électriquement un courant de spin. La première partie de cette thèse concerne les dispositifs à 3 terminaux sur différents substrats qui utilisent une unique électrode ferromagnétique pour injecter et détecter par effet Hanle l’accumulation de spin dans les semi-conducteurs. Une amplification des signaux de spin extraits expérimentalement par rapport aux valeurs théoriques du modèle diffusif est à l’origine d’une controverse importante. Nous avons alors démontré que l’origine du signal de MR ou de l’amplification ne peut être expliquée par la présence de défauts dans la barrière tunnel. A l’inverse, nous prouvons la présence d’états d’interface qui peuvent expliquer l’amplification du signal de spin. De plus, la réduction de la densité d’états d’interface par une préparation de surface montre des changements significatifs comme la diminution du signal de spin.La deuxième partie de ces travaux concerne la transition vers les vannes de spin latérales sur semi-conducteurs. Dans ces dispositifs utilisant deux électrodes FM, le découplage entre l’injection et la détection de spin permet de s’affranchir des effets de magnétorésistance parasites car seul un pur courant de spin est détecté dans le semi-conducteur. Par une croissance d’une jonction tunnel ferromagnétique épitaxiée, nous avons démontré l’injection de spin dans des substrats de silicium et germanium sur isolant. En particulier nous observons un fort signal de spin jusqu’à température ambiante dans le germanium.Finalement, les prémices de la manipulation de spin par l’étude du couplage spin-orbite ont été étudiées dans les substrats d’arséniure de gallium et de germanium. En effet, nous avons induit par effet Hall de spin (une conséquence du couplage spin-orbite) une accumulation de spin qui a été sondée en utilisant la spectroscopie de muon. On démontre alors, à basse température, la présence de l’accumulation grâce au couplage entre les spins électroniques accumulés et les noyaux de l’arséniure de gallium. / Since the discovery of the giant magnetoresistance in 1988 by the group of Albert Fert (Nobel Prize in 2007), the field of spintronics has been growing very fast due to its potential applications in micro-electronics.For almost 20 years, it has been proposed to introduce the spin degree of freedom directly in the semiconducting materials. Spintronics aims at using not only the charge of carriers (electrons and holes) but also their intrinsic spin degree of freedom. In that case, spins might be manipulated with electric fields. By using both charge and spin, one might add new functionalities to traditional micro-electronic devices.Indeed, the first challenge of semiconductor spintronics is to create and detect a spin polarized carrier population in traditional semiconductors like Si and Ge to further manipulate them.For this purpose, we have used hybrid ferromagnetic metal/insulator/semiconductor devices which allow us to perform electrical spin injection and detection. The first part of this thesis deals with 3 terminal devices grown on different substrates and in which a single ferromagnetic electrode is used to inject and detect spin polarized electrons using the Hanle effect. A spin signal amplification is measured experimentally as compared to the value from the theoretical diffusive model, this raised a controversy concerning 3 terminal measurements. We demonstrate that localized defects in the tunnel barrier cannot be at the origin of the measured MR signal and spin signal amplification. Instead, we show that the presence of interface states is the origin of the spin signal amplification in all the substrates. By using a proper surface preparation and the MBE growth of the magnetic tunnel junctions, we reduce the density of interface states and show a significant modification of the spin signals.In a second part, we present the transition from 3 terminal measurements to lateral spin valves on semiconductors. In the last configuration by using two ferromagnetic electrodes, charge and spin currents are decoupled in order to avoid any spurious magnetoresistance artefacts. Using epitaxially grown magnetic tunnel junctions we can prove the spin injection in silicon and germanium. Especially, we are able to measure non local spin signals in germanium up to room temperature.Finally, we study the spin Hall effect in gallium arsenide and germanium substrates. For this propose we induce spin accumulation using the spin Hall effect (i.e spin-orbit coupling) and probe it using muon spectroscopy. We demonstrate, at low temperature the presence of spin accumulation by the coupling between nuclear spins and the electron spin accumulation.

Submitted by Daniella Sodre (daniella.sodre@ufpe.br) on 2015-04-08T12:40:55Z No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO Gabriel Fonseca.pdf: 3837074 bytes, checksum: e2c9b20882785e374170658d648ee389 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-04-08T12:40:55Z (GMT). No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO Gabriel Fonseca.pdf: 3837074 bytes, checksum: e2c9b20882785e374170658d648ee389 (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2014-03-10 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científi co e Tecnol ógico; Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Ní vel Superior; Financiadora de Estudos e Projetos; Fundação de Amparo a Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco. / In this master thesis we study experimentally the longitudinal spin Seebeck effect (LSSE) in bilayers made of a ferromagnetic insulator (FMI) and a metallic layer (M). We also present a theoretical model based on the spin current density ⃗ Js carried by a non-equilibrium magnon distribution, generated by a thermal gradient ∇T across the thickness of the FMI. When ⃗ Js reach the FMI/M interface it is pumped towards the M layer due to conservation of the angular momentum, so, the M layer is essential for the LSSE existence. Here the FMI consists of a Yttrium Iron Garnet (YIG) lm, grown over a Gadolinium Gallium Garnet (GGG) substrate. Different metallic materials were used as the M layer i.e. Pt and Ta that have normal behavior and Py that is a ferromagnetic metal (FMM). The experimental procedure consists of systematic measurements of the electric voltage VISHE, produced by ⃗ Js through the Inverse Spin Hall Effect (ISHE) in the normal metal or (FMM) layer. In YIG/Pt measurements were done in the temperature range from 20 to 300 K. The experimental data are tted to the proposed model for the LSSE and good agreement is obtained. The results shows that the Py and Ta can be used to detect the LSSE with the ISHE. The results of this master thesis have strong interest in the area of spin caloritronics helping to the development of the eld and to raise possibilities of new spintronic devices. ----- Nesta diserta ção e estudado experimentalmente o Efeito Seebeck de Spin Longi- tudinal (LSSE), em bicamadas formadas por um isolante ferromagn etico (FMI) e um lme metalico (M). Tamb em foi desenvolvido um modelo te orico baseado na den- sidade de corrente de spin ⃗ Js que existe quando uma distribui c~ao de m agnons fora do equil brio e gerada por um gradiente t ermico ∇T aplicado na sec ção transversal do FMI. Quando ⃗ Js chega na interface FMI/M e bombeada para a camada M satis- fazendo a conserva ção do momentum angular, assim que a camada NM e essencial para ter um LSSE. Como camada FMI foi utilizada a granada de trio e ferro (YIG) crescida num substrato de (GGG). Diferentes materiais metalicos foram utilizados como camada M, sendo Pt e Ta paramagn eticos e o Py ferromagnetico. O proced- imento experimental consiste na medi c~ao sistem atica da voltagem el etrica VISHE, que e produzida por ⃗ Js por meio do efeito Hall de spin inverso (ISHE) que ocorre na camada M. As medidas em YIG/Pt foram feitas numa faixa ampla de temperatura de 20 a 300 K. Os dados experimentais são fi tados com a teoria proposta para o LSSE encontrando-se boa concordância. Nossos resultados mostram que o Py e o Ta s~ao bons candidatos para detec ção do LSSE. Esta disserta ção e de grande interesse na area da caloritrônica de spin, ajudando no desenvolvimento deste campo e na concep ção de novos dispositivos tecnol ogicos baseados na spintrônica.

This thesis experimentally demonstrates four approaches of frequency control of magnetic auto-oscillations in spin Hall nano-oscillators (SHNOs). The frequency can be changed in the GHZ-range by external magnetic fields as shown in this work. This approach uses large electromagnets, which is inconvenient for future applications. The nonlinear coupling between oscillator power and frequency can be used to control the latter one by changing the applied direct current to the SHNO. The frequency can be controlled over a range of several 100 MHz as demonstrated in this thesis. The first part of the experimental chapter demonstrates the synchronization (injection-locking) between magnetic auto-oscillations and an external microwave excitation. The additionally applied microwave current generates a modulation of the effective magnetic field, which causes the interaction with the auto-oscillation. Both synchronize over a range of several 100 MHz. In this range, the auto-oscillation frequency can be controlled by the external stimulus. An increase of power and a decrease of line width is achieved in the synchronization range. This is explained by the increased coherence of the auto-oscillations. A second approach is the synchronization of auto-oscillations to an alternating magnetic field. This field is generated by a freestanding antenna, which is positioned above the SHNO. The second part of the experimental chapter introduces a bipolar concept of SHNOs and its experimental demonstration. In contrast to conventional SHNOs, bipolar SHNOs generate auto-oscillations for both direct current polarities and both directions of the external magnetic field. This is achieved by combining two ferromagnetic layers in an SHNO. The combination of two different ferromagnetic materials is used to switch between two frequency ranges in dependence of the direct current polarity since it defines the layer showing auto-oscillations. This approach can be used to change the frequency in the GHz-range by switching the direct current polarity. / Diese Arbeit demonstriert experimentell vier verschiedene Methoden der Frequenzkontrolle magnetischer Auto-Oszillationen in Spin Hall Nano-Oszillatoren (SHNOs). Durch externe magnetische Felder kann die Frequenz im GHz-Bereich geändert werden, wie es in dieser Arbeit gezeigt wird. Dies erfordert jedoch große Elektromagneten, deren Nutzung für zukünftige Anwendungen der SHNOs nicht geeignet sind. Aufgrund der nichtlinearen Kopplung zwischen Oszillatorleistung und Oszillatorfrequenz, lässt sich letztere durch den Versorgungsstrom beeinflussen. Dies ist typischerweise in einem Bereich von mehreren 100 MHz möglich, wie es an mehreren Stellen dieser Arbeit gezeigt wird. Im ersten Abschnitt des Ergebnisteils wird die Synchronisation der magnetischen Auto-Oszillationen zu einer externen Mikrowellenanregung demonstriert. Der zusätzlich eingespeiste Mikrowellenstrom erzeugt eine Modulation des effektiven Magnetfelds, was zur Wechselwirkung mit den Auto-Oszillationen führt. Diese synchronisieren über eine Frequenzdifferenz von mehreren 100 MHz. In diesem Bereich lässt sich die Frequenz der Auto-Oszillation mit der äußeren Frequenz steuern. Innerhalb des Synchronisationsbereichs wird außerdem eine Erhöhung der Leistung und eine Verringerung der Linienbreite der Auto-Oszillationen festgestellt. Dies wird mit einer Erhöhung der Kohärenz der Auto-Oszillationen erklärt. Neben der zusätzlichen Einspeisung eines Mikrowellenstroms können die Auto-Oszillationen auch zu einem magnetischen Wechselfeld synchronisieren, welches von einer frei beweglichen Antenne erzeugt wird, die über dem SHNO positioniert wird. Im zweiten Abschnitt des Ergebnisteils wird ein bipolares Konzept eines SHNO vorgestellt und seine Funktionsfähigkeit experimentell nachgewiesen. Im Vergleich zu konventionellen SHNOs erzeugen bipolare SHNOs Auto-Oszillationen für beide Polaritäten des elektrischen Versorgungsstroms und beide Richtungen des externen Magnetfelds. Dies wird durch die Kombination zweier ferromagnetischer Lagen in einem SHNO erreicht. Die Kombination unterschiedlicher ferromagnetischer Materialien kann genutzt werden, um die Mikrowellenfrequenz in Abhängigkeit der Stromrichtung zu ändern, da diese bestimmt in welcher Lage die Auto-Oszillationen erzeugt werden können. Durch eine geeignete Materialkombination kann die Frequenz im GHz-Bereich geändert werden, wenn die Strompolarität umgekehrt wird.