La découverte du graphène a récemment ouvert de nouvelles opportunités en termes de fonctionnalités et de performances pour les dispositifs de spintronique. Ce travail comporte deux études sur l’utilisation du graphène en spintronique.C’est en premier lieu pour ses propriétés de transport de spin que le graphène a suscité un fort intérêt en spintronique. En effet, de par sa forte mobilité et son faible couplage spin-orbite, il est rapidement apparu comme ayant un fort potentiel pour le transport de l’information de spin avec des longueurs de diffusion de spin attendues de l’ordre de la centaine de microns.Dans une première étude, je m'intéresse au graphène en tant que plateforme pour propager un courant polarisé en spin. Je décris tout d'abord les principales techniques de mesure de vannes de spin latérales, en insistant sur l'importance de la barrière tunnel pour se placer dans les conditions appropriées à la mesure des propriétés intrinsèques au graphène. Je présente ensuite les résultats que j’ai obtenus. Je commence par ceux sur graphène épitaxié sur SiC dans lequel nous avons réussi à injecter, propager et détecter un courant polarisé en spin créé soit grâce à un injecteur ferromagnétique (Co/Al2O3), soit par effet Hall de spin (à partir du platine). Je présente ensuite les résultats obtenus sur un autre type de graphène grande surface, le graphène CVD monocouche, pour lequel j'ai pu expérimenter une nouvelle barrière tunnel: le nitrure de bore hexagonal.Par-delà ses propriétés de transport latéral, le graphène pourrait avoir un autre intérêt pour la spintronique, par exemple dans le cadre de la passivation des couches ferromagnétiques dans les jonctions tunnel magnétiques.Dans une seconde étude, je m'intéresse au graphène comme membrane pour protéger une électrode ferromagnétique de l'oxydation tout en autorisant l’extraction d’un courant polarisé en spin. Aujourd’hui, dû à la propension naturelle des matériaux ferromagnétiques à s’oxyder, les procédés humides/oxydants sont souvent exclus de la fabrication de dispositifs de spintronique. Après avoir introduit les enjeux, je présente mes résultats expérimentaux. Je montre tout d'abord qu’une monocouche de graphène suffit à empêcher l'oxydation d'une électrode de nickel et qu’un filtrage de spin intéressant apparaît à l'interface Ni/Graphène. Je valide ensuite l'ensemble de ce potentiel en montrant qu'on peut utiliser une technique oxydative de dépôt tel que l'Atomic Layer Deposition (ALD) sans endommager les propriétés de l'électrode ferromagnétique Ni+Graphène. Le procédé d’ALD, bien qu'utilisé partout en électronique (cette technique sert aujourd’hui à réaliser les grilles des transistors d’Intel), était jusqu’ici proscrit car il met en jeu des molécules telles que l'ozone ou l'eau et est donc par nature oxydant. Enfin, je montre que le filtrage de spin à l’interface Ni/Graphène aboutit alors à une inversion quasi-totale de la polarisation en spin du Ni.Ce travail de thèse montre que le graphène peut être utilisé comme canal de transport d’un courant polarisé en spin, comme membrane protectrice imperméable à l’oxydation ou encore comme filtre à spin. L’ensemble de ces travaux illustre la richesse des applications du graphène pour la spintronique. / Graphene discovery has opened new opportunities in terms of functionality and performance for spintronics devices. This work presents two examples of what graphene can bring to the spintronics field.Graphene first aroused interest amongst the community because of its excellent properties for transporting spin information. Indeed, thanks to its high reported mobilities and its weak spin-orbit coupling, graphene quickly became a high-potential candidate to transport spin information with expected spin diffusion length in the hundreds of microns range.In the first part of this thesis, I study graphene as a platform to propagate a spin polarized current. I first describe the main techniques to measure lateral spin valves, emphasizing the importance of the tunnel barrier being under the right conditions to permit measurement of the intrinsic properties of graphene. I then present my results. I begin with the results obtained on epitaxial graphene on SiC, in which I was able to inject, propagate and detect a spin current created either by a ferromagnetic injector (Co/Al2O3), or through the spin Hall effect (from Pt). Then, I present the results obtained on another large-area graphene, a single layer of graphene grown by CVD on which I tested a new unnel barrier : hexagonal boron-nitrideBeyond its potential as a platform to transport spin information, other opportunities for graphene in spintronics exist, for example its use in the passivation of ferromagnetic layers in magnetic tunnel junctions.In the second part of this thesis, I am interested in graphene’s potential as a membrane that could protect ferromagnets from oxidation while simultaneously allowing the extraction of a spin current. Indeed, because of the natural propensity of the ferromagnetic material to be oxidized, humid and oxidative processes are excluded from the fabrication of spintronic devices. After introducing the background motivation, I present my experimental results. I first show that a single layer of grapheneis enough to prevent the oxidation of a Ni electrode and that an interesting spin filtering effect happens at the interface Ni/Graphene. I then confirm this by showing that it is possible to use an oxidative technique like Atomic Layer Deposition (ALD) without damaging the properties of the ferromagnetic electrode Ni+Graphene. ALD is widely used in electronics (Intel uses it to make its transistor gates) but was up to now prohibited in spintronics because it involves oxidative molecules like water or ozone. Finally, I show that the spin-filtering effect at the interface Ni/Graphene leads to a quasi-total reversal of the spin polarisation of the Ni.This thesis shows that graphene can be used as a channel to transport spin information, as a protective membrane to protect against oxidation, or as a spin filter. All this work illustrates the richness of graphene applications for spintronics.

Magnetický tunelový spoj (MTJ) je spintronická součástka komerčně používaná ve vysoce citlivých čtecích hlavách pevných disků. Počínaje rokem 2007 přispěla k udržení exponenciálního nárůstu hustoty magnetického zápisu. Kromě toho se také stala stavebním kamenem rychlé, odolné, úsporné a nevolatilní magnetické paměti s přímým přístupem (MRAM). Tento nový typ polovodičové paměti, stejně jako je tomu u čtecích hlav disků, využívá tunelové spoje založené na krystalickém oxidu hořečnatém (MgO) spolu s 3d kovovými magnetickými prvky (Fe a Co). Pro zmenšení MTJ a současné udržení dlouhodobé stability paměti proti tepelným fluktuacím je zapotřebí silná magnetická anizotropie ve směru kolmém na rozhraní kov|MgO. V této práci proto nejdříve provedeme analýzu magnetokrystalické anizotropie (MCA) kubického prostorově centrovaného Fe, Co a Ni na MgO pomocí ab initio simulací. Dále bude vyvinut program pro výpočet tvarové anizotropie, která je kromě MCA velmi podstatná, neboť v součtu dávají efektivní anizotropii. Na závěr implementujeme program pro výpočet MCA na základě poruchové teorie druhého řádu. To nám umožní dát pozorované anizotropní vlastnosti do souvislosti přímo s elektronickou strukturou systému (pásovou strukturou a hustotou stavů).

Dans la réalisation de nouveaux composants innovants de la spintronique, de grands espoirs sont placés sur les semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS). L’enjeu technologique est de développer des matériaux ayant à la fois des propriétés semi-conductrices et ferromagnétiques. Le but de ce travail est de réaliser une étude nanostructurale et magnétique détaillée du système Fe :SiC candidat prometteur pour devenir un semi-conducteur magnétique dilué à température ambiante. Cependant les propriétés magnétiques du matériau (6H-SiC) implanté avec des métaux de transitions (MT) dépendent fortement de sa microstructure (concentration et nature du dopant, précipitation du dopant…). Afin d’appréhender l’ensemble des propriétés nanostructurales et magnétiques, nous avons étudié le système Fe :SiC à l’échelle de l’atome en utilisant la sonde atomique tomographique (SAT) couplée à la spectrométrie Mössbauer 57Fe. Des monocristaux 6H-SiC (0001) de type p et n (~10+18/cm3) ont été multi-implantés en 56Fe et 57Fe à différentes énergies et différentes fluences conduisant à une concentration atomique de (6% et 4%) de 20 à 120 nm de la surface. Dans le cadre de ce travail, nous avons pu suivre l’effet de la nanostructure du système Fe :SiC en fonction de la concentration de fer et des températures d’implantation et de recuit. Nous avons établi de nouveaux résultats : nature et dimension des nanoparticules, évaluation précise du nombre d’atomes de fer dilué dans la matrice SiC. Les différentes contributions ferromagnétiques et paramagnétiques sont identifiées et clairement expliquées grâce au couplage de techniques expérimentales comme la SAT, la spectrométrie Mössbauer, la magnétométrie SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Nous avons réussi à déterminer des conditions optimales pour l’obtention d’un DMS à température ambiante. En effet dans les échantillons implantés 4% Fe à 380°C, plus de 90% des atomes de Fe sont dilués. Ces atomes de Fe dilués contribuent majoritairement aux propriétés ferromagnétiques mesurées par SQUID et par spectrométrie Mössbauer à 300 K. Ces différents résultats expérimentaux mettent en lumière la possibilité de réalisation d’un nouveau (DMS) à température ambiante / Great hopes are placed on diluted magnetic semiconductors (DMS) for new components of spintronics. The challenge is to develop materials with both semiconducting and ferromagnetic properties. The aim of this work is to carry out a detailed nanostructural and magnetic study of the Fe: SiC candidate promising system to become a magnetic semiconductor diluted at room temperature. However, the magnetic properties observed in (6H-SiC) implanted with transition metals (TM) depend strongly on the material microstructure (content and nature of the dopant, precipitation of the dopant, etc.). In order to understand all the nanostructural and magnetic mechanisms, we studied the Fe: SiC system at the atomic scale using atom probe tomography (APT) and Mössbauer spectrometry. p and n single crystalline 6H-SiC near (0001)-oriented samples were submitted to multi-step implantations with 56Fe and 57Fe ions at different energies and fluences leading to an iron concentration (Cat =6 and 4%) at a depth between 20 nm and 120 nm from the sample surface. In this work, we were able to follow the effect of the nanostructure of the Fe: SiC system as a function of the iron concentration and the temperatures of implantations and annealing. We have established new results: nature and size of the nanoparticles, precise evaluation of the number of iron atoms diluted in the SiC matrix. The ferromagnetic and paramagnetic contributions are identified and clearly explained by the coupling of experimental techniques such as APT, Mössbauer spectrometry, SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) magnetometry. We were able to put the material in optimal conditions for obtaining a DMS at room temperature. Indeed, the implanted samples (4% Fe) at 380°C more than 90% Fe atoms were distributed homogeneously. These Fe atoms are the main source of the ferromagnetic properties measured by SQUID and Mössbauer spectrometry at 300 K. These experimental results highlight the possibility of obtaining a new (DMS) at room temperature.

Le développement de la technologie CMOS a déclenché une révolution dans la production IC. Chaque nouvelle génération technologique, par la mise à l’échelle des dimensions, a entraîné une accélération de son fonctionnement et une réduction de sa consommation. Cependant, la miniaturisation sera contrainte par les limites physiques fondamentales régissant la commutation des dispositifs CMOS dès lors que la technologie atteint des dimensions inférieures à 10 nm. Les chercheurs veulent trouver d'autres moyens de dépasser ces limites physiques. La spintronique est l’un des concepts les plus prometteurs pour de nouvelles applications de circuits intégrés sans courant de charge. La STT-MRAM est l’une des technologies de mémoires fondée sur la spintronique qui entre avec succès en phase de production de masse. Les opérateurs logiques à base de spin, associés aux métiers, doivent être maintenant étudiés. Notre recherche porte sur le domaine des transistors à effet de champ de spin (spin-FET), l'un des dispositifs logiques fondamentaux à base de spin. Le mécanisme principal pour réaliser un spin-FET consiste à contrôler le spin des électrons, ce qui permet d'atteindre l'objectif de réduction de puissance. De plus, en tant que dispositifs à spin, les spin-FET peuvent facilement être combinés à des éléments de stockage magnétique, tels que la jonction tunnel magnétique (MTJ), pour développer une architecture à «logique non volatile» offrant des performances de hautes vitesses et de faible consommation. La thèse présentée ici consiste à développer un modèle compact de spin-FET et à explorer les possibilités de son application pour la conception logique et la simulation logique non volatile. Tout d'abord, nous avons proposé un modèle à géométrie non locale pour spin-FET afin de décrire les comportements des électrons, tels que l'injection et la détection de spin, le décalage de phase d'angle de spin induit par l'interaction spin-orbite. Nous avons programmé un modèle spin-FET non local à l'aide du langage Verilog-A et l'avons validé en comparant la simulation aux résultats expérimentaux. Afin de développer un modèle électrique pour la conception et la simulation de circuits, nous avons proposé un modèle de géométrie local pour spin-FET basé sur le modèle non-local spin-FET. Le modèle de spin-FET local étudié peut être utilisé pour la conception logique et la simulation transitoire à l'aide d'outil de conception de circuit. Deuxièmement, nous avons proposé un modèle spin-FET à plusieurs grilles en améliorant le modèle susmentionné. Afin d'améliorer les performances du spin-FET, nous avons mis en cascade le canal en utilisant une structure d'injection / détection de spin partagée. En concevant différentes longueurs de canal, le spin-FET à plusieurs grilles peut agir comme différentes portes logiques. Les performances de ces portes logiques sont analysées par rapport à la logique CMOS conventionnelle. En utilisant les portes logiques multi-grille à spin-FET, nous avons conçu et simulé un certain nombre de blocs logiques booléens. La fonctionnalité des blocs logiques est démontrée par le résultat de simulations transitoires à l'aide du modèle spin-FET à plusieurs grilles. Enfin, en combinant le modèle spin-FET et le modèle multi-grille spin-FET avec le modèle d'élément de stockage MTJ, les portes à «logique non volatile» sont proposées. Comme le seul signal de pur spin peut atteindre le côté détection du spin-FET, la MTJ reçoit un courant de pur spin pour le transfert de spin. Dans ce cas, la commutation de la MTJ peut être plus efficace par rapport à la structure conventionnelle MTJ / CMOS. La comparaison des performances entre la structure hybride MTJ / spin-FET et la structure hybride MTJ / CMOS est démontrée par un calcul de retard et de courant critique qui est dérivé de l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG). La simulation transitoire valide le fonctionnement de la logique non volatile basée sur MTJ / spin-FET. / The development of Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology drives the revolution of the integrate circuits (IC) production. Each new CMOS technology generation is aimed at the fast and low-power operation which mostly benefits from the scaling with its dimensions. However, the scaling will be influenced by some fundamental physical limits of device switching since the CMOS technology steps into sub-10 nm generation. Researchers want to find other ways for addressing the physical limitation problem. Spintronics is one of the most promising fields for the concept of non-charge-based new IC applications. The spin-transfer torque magnetic random access memory (STT-MRAM) is one of the successful spintronics-based memory devices which is coming into the volume production stage. The related spin-based logic devices still need to be investigated. Our research is on the field of the spin field effect transistors (spin-FET), one of the fundamental spin-based logic devices. The main mechanism for realizing a spin-FET is controlling the spin of the electrons which can achieve the objective of power reduction. Moreover, as spin-based devices, the spin-FET can easily combine with spin-based storage elements such as magnetic tunnel junction (MTJ) to construct the “non-volatile logic” architecture with high-speed and low-power performance. Our focus in this thesis is to develop the compact model for spin-FET and to explore its application on logic design and non-volatile logic simulation. Firstly, we proposed the non-local geometry model for spin-FET to describe the behaviors of the electrons such as spin injection and detection, the spin angle phase shift induced by spin-orbit interaction. We programmed the non-local spin-FET model using Verilog-A language and validated it by comparing the simulation with the experimental result. In order to develop an electrical model for circuit design and simulation, we proposed the local geometry model for spin-FET based on the non-local spin-FET model. The investigated local spin-FET model can be used for logic design and transient simulation on the circuit design tool. Secondly, we proposed the multi-gate spin-FET model by improving the aforementioned model. In order to enhance the performance of the spin-FET, we cascaded the channel using a shared spin injection/detection structure. By designing different channel length, the multi-gate spin-FET can act as different logic gates. The performance of these logic gates is analyzed comparing with the conventional CMOS logic. Using the multi-gate spin-FET-based logic gates, we designed and simulated a number of the Boolean logic block. The logic block is demonstrated by the transient simulation result using the multi-gate spin-FET model. Finally, combing the spin-FET model and multi-gate spin-FET model with the storage element MTJ model, the “non-volatile logic” gates are proposed. Since the only pure spin signal can reach to the detection side of the spin-FET, the MTJ receives pure spin current for the spin transfer. In this case, the switching of the MTJ can be more effective compared with the conventional MTJ/CMOS structure. The performance comparison between hybrid MTJ/spin-FET structure and hybrid MTJ/CMOS structure are demonstrated by delay and critical current calculation which are derived from Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation. The transient simulation verifies the function of the MTJ/spin-FET based non-volatile logic.

<p>In recent years, correlated magnetic phenomena have emerged as a unique resource for enabling alternative computing, memory, and sensing applications. This has led to the exploration of novel magnetic hybrid platforms with the promise of improved figures of merit over the state-of-the-art. In this dissertation, we delve into several example platforms where magnets interact with various other degrees of freedom, resulting in enhanced figures of merit and/or the emergence of novel functionalities.</p><p>First, we investigate the possibility of utilizing the collective resonant mode of nanomagnets to enhance the electric field sensitivity of quantum spin defects. While quantum systems have garnered significant attention in recent years for their extraordinary potential in information processing, their potential in the field of quantum sensing remains yet to be fully explored. Quantum systems, with their inherent fragility to external signals, can be harnessed as powerful tools to develop highly efficient sensors. In this dissertation, we explore the potential of a specific type of quantum sensor, namely the quantum spin defects as an electric field sensor, when integrated with a nanomagnet/piezoelectric composite multiferroic. This integration yields at least an order of magnitude enhancement in sensitivity, presenting a promising avenue for quantum sensing applications.</p><p>Next, we shift our focus towards harnessing magnetic correlation in the emerging class of atomically thin magnets known as van der Waals magnets. These magnets provide distinctive opportunities for controlling and exploiting magnetic correlations. Specifically, these platforms allow for tunable magnetic interactions by twisting two vertically adjacent layers of the magnet, features that are unique to van der Waals materials. By capitalizing on such twist degrees of freedom, we demonstrate the creation of twist-tunable nanoscale magnetic ground states. This capability opens up avenues for applications such as high-density memories and magnon crystals.</p><p>Interestingly, the same material platform also allows for exploiting magnetic correlation by controlling the local electrical environment. We uncover the symmetry-allowed spin-charge coupling mechanisms in the heterostructures of such magnets, a prediction that has received experimental support. Utilizing such an understanding, we propose a setup for the electrical generation of magnons. Magnons—the elementary excitation of spin waves—have garnered a lot of attention these days due to their potential to couple various diverse physical systems and in the field of low dissipation computing. Our findings offer a potential pathway towards the realization of magnon-based spintronic devices.</p>

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<p dir="ltr">The limitations of the traditional von Neumann computing architecture, particularly evident in the slowdown of Moore's law, have spurred the development of alternative domain-specific computing paradigms. This dissertation explores novel materials-physics based solutions for two promising alternatives: quantum computing and probabilistic computing, with a specific focus on leveraging magnetic spin textures and their unique properties. We demonstrate that magnetic spin textures, with their inherent topology and chirality, offer distinctive advantages in addressing key challenges in both computing paradigms. These textures' ability to couple with various degrees of freedom, such as electrical, thermal, mechanical, and optical, makes them particularly suitable for hybrid device implementations. Our work presents four contributions to the field.</p><p dir="ltr">First, we propose a novel approach of using skyrmions --- topologically protected rigid-object like spin textures --- to nucleate and braid Majorana modes in topological superconductor-magnetic multilayer heterostructures. We show analytically and numerically that skyrmion--vortex bound pairs can be braided in experimentally relevant timescales. Inspired by circuit quantum electrodynamics methods, we propose a novel readout scheme based on the dispersive coupling between vortex confinement states and Majorana bound states. This work paves the way for experimentally demonstrating the non-Abelian statistics of Majorana bound states, which might be a crucial step towards the development of fault-tolerant topological quantum computers.</p><p dir="ltr">Second, we study thermal relaxation mechanisms and timescales of spin-split chiral antiferromagnets. The class of spin-split antiferromagnets, including altermagnets, have recently emerged as excellent candidates for ultra-fast and low-energy spintronics applications. Due the lack of dipolar order, they are unaffected by stray fields. However, the spin-split bands still offer electrical control and readout of these antiferromagnets unlike the conventional antiferromagnets. While a lot of promising phenomena in these materials has already been experimentally demonstrated, thermal relaxation mechanisms of such magnets remain unexplored. Using reaction rate theories and statistical physics tools, we study the thermal dynamics of chiral antiferromagnets. We show that these materials thermally relax at ultra-fast picosecond-order timescales. Further, by building on the analogy between XY magnets and current biased Josephson junctions, we propose a novel approach to electrically tune the thermal barrier in chiral antiferromagnets. Although such chiral antiferromagnets may not be suitable for non-volatile memory type of applications, they emerge as promising candidates for the building blocks of probabilistic computers.</p><p dir="ltr">We then turn our attention to the strongly correlated quantum system of quantum spin liquids. We show that spin textures exchange coupled to a Kitaev spin liquid (KSL) can induce emergent gauge fields on the Majorana fermions in the spin liquid. These emergent gauge fields may trap zero energy modes if they are able to thread a net flux through the KSL. We derive analytical expressions for the gauge fields in the presence of spin textures and outline the conditions to obtain a net flux. Zero energy Majorana fermion modes trapped on such spin textures may eventually be used for fault tolerant quantum computing.</p><p dir="ltr">Finally, in the last project, we bring the quantum and probabilistic computing paradigms together by proposing a quantum two level system as a sensor for the building blocks of a probabilistic computer. we show that quantum spin defects such as Nitrogen vacancy centers (NV) can be used as novel probes for characterizing probabilistic bits. We show that various NV sensing protocols can be leveraged to create a complete picture of this nascent magnet based probabilistic bits including their energy barrier and attempt times.</p><p dir="ltr">Our findings suggest that magnetic spin textures, particularly their topological and chiral properties, could provide crucial solutions to current challenges in alternative computing platforms. This work bridges the gap between materials physics, device physics and the applications in alternative computing platforms.</p>

Im Gebiet der Spin-Elektronik wird der Spin des Elektrons zusätzlich zu seiner Ladung für Bauelementkonzepte ausgenutzt. Hierbei ist die effiziente elektrische Erzeugung einer Spinakkumulation in einem halbleitenden Material von großer Bedeutung. Die Erzeugung der Spinakkumulation kann mithilfe eines ferromagnetischen Metall-Kontaktes erfolgen. Wird eine elektrische Spannung an die Grenzfläche zwischen dem ferromagnetischen Metall und dem Halbleiter so angelegt, dass spinpolarisierte Elektronen vom Metall in den Halbleiter fließen, spricht man von elektrischer Spininjektion. Bei einer Umkehrung der Spannung werden bevorzugt Elektronen der entgegengesetzten Spinorientierung aus dem halbleitenden Material entfernt. Dieser Prozess wird als Spinextraktion bezeichnet. In dieser Arbeit wird die elektrische Erzeugung einer Spinakkumulation in lateral strukturierten, epitaktischen Hybridstrukturen bestehend aus ferromagnetischen Metallkontakten auf n-dotiertem GaAs untersucht. Allgemein ist neben der Spinpolarisation im Ferromagneten auch die spinunabhängige elektrische Charakteristik eines Kontaktes von zentraler Bedeutung für die effiziente Spinerzeugung. Hier wird gezeigt, dass die gewöhnlichen Strom-Spannungs-Kennlinien die Spininjektionseigenschaften dominieren können. Außerdem wird ein neuartiges Bauelementkonzept vorgestellt und experimentell untersucht. Hierbei handelt es sich um ein lokales Spin-Ventil, welches Spinextraktion statt Spininjektion als Spinerzeugungsprozess verwendet. Im Gegensatz zum gewöhnlichen lokalen Spin-Ventil kann ein solches Extraktions-Spin-Ventil als Baustein eines erweiterten Bauelements angesehen werden, welches auf mehreren, aufeinanderfolgenden Extraktionsprozessen beruht. Die Eigenschaften des Extraktions-Spin-Ventils werden diskutiert und es wird gezeigt, wie seine Funktionalität beispielsweise für das Auslesen der Daten in magnetischen Speichern angewendet werden kann. / The efficient electrical generation of a spin accumulation inside a semiconductor (SC) utilizing the interface with a ferromagnetic metal (FM) is essential for the realization of many spintronic device concepts, in which the spin of the electron is exploited in addition to its charge for computational and memory purposes. At FM/n-type SC hybrid contacts, the application of a reverse bias leads to the injection of spin-polarized electrons into the SC. Alternatively, an applied forward bias can be used to generate a spin accumulation of opposite sign due to the extraction of electrons with a particular spin orientation. In this work, the electrical generation and detection of a spin accumulation is studied using epitaxial and laterally structured ferromagnetic metal/n-type GaAs hybrid systems in various measurement geometries. To achieve a high spin generation efficiency, the spinindependent electrical properties of the contact have to be considered in addition to the choice of the injector material with respect to its degree of spin polarization. Here, it is shown that the current-voltage characteristics can even constitute the dominating design parameter with respect to the spin injection properties. In addition, a novel device concept is presented and studied experimentally. This approach essentially relies on spin extraction as the spin generation process in a local spin valve geometry. In contrast to local spin valves based on spin injection, the presented extraction spin valve can be regarded as a building block of an extended device comprising multiple extraction events along the lateral spin transport channel. It is shown how such multiple extraction spin valves allow for an intriguing functionality, which can be used, for example, for the read-out of data in magnetic memory applications.