All-two-dimensional van der Waals heterostructures for spin injection and detection

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Place of Publication:	Regensburg
Number of Pages:	168
Date:	10 March 2025
Referee:	Prof. Dr. Mariusz Ciorga
Date of exam:	10 February 2025
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics
Keywords:	graphene, van der Waals heterostructures, 2D Materials, van der Waals, spin injection, spin detection, spin transport, spintronics
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	75085

Abstract (English)

This thesis presents all-two-dimensional van der Waals devices that facilitate efficient spin injection from a ferromagnetic Fe3GeTe2 (FGT) electrode into a conducting monolayer graphene channel. The injected spin signal is detected at a second FGT electrode. To ensure efficient spin injection, a thin hBN layer between the FGT and graphene serves as a tunnel barrier. Such a heterostructure allows ...

Abstract (English)

This thesis presents all-two-dimensional van der Waals devices that facilitate efficient spin injection from a ferromagnetic Fe3GeTe2 (FGT) electrode into a conducting monolayer graphene channel. The injected spin signal is detected at a second FGT electrode. To ensure efficient spin injection, a thin hBN layer between the FGT and graphene serves as a tunnel barrier. Such a heterostructure allows for the investigation of spin transport and precession in non-local spin valve and Hanle measurements. Prior to the spin experiments, a detailed characterization of each building block is conducted. The spin injection efficiency and spin transport parameters, such as the spin lifetime and the spin diffusion constant, are determined from the Hanle experiments by fitting the experimental data to an analytical fitting function. The obtained values of the spin injection efficiency of up to P ≈ 40% demonstrate highly efficient spin injection and detection. The extracted values of the spin lifetimes and spin diffusion constants are in good agreement with those obtained in other spin transport experiments in graphene utilizing oxide tunnel barriers and conventional spin aligning electrodes. Interestingly, the extracted values of the spin diffusion constant do not match the extracted values of the charge diffusion constant in both presented spin transport samples. In order to evaluate this discrepancy, simulations were conducted using COMSOL Multiphysics. Hints of magnetic moments were found in one of the two samples, although their origin remains unknown. The results presented in this thesis successfully demonstrate efficient spin transport in all-van der Waals heterostructures, paving the way for future all-2D spintronic applications.

Translation of the abstract (German)

In dieser Arbeit werden Proben aus vollständig zweidimensionalen van-der-Waals-Materialien vorgestellt, die eine effiziente Spininjektion von einer ferromagnetischen Fe3GeTe2 (FGT)-Elektrode in einen leitfähigen einlagigen Graphenkanal ermöglichen. Das injizierte Spinsignal wird an einer zweiten FGT-Elektrode detektiert. Um eine effiziente Spininjektion zu gewährleisten, dient eine dünne Schicht ...

Translation of the abstract (German)

In dieser Arbeit werden Proben aus vollständig zweidimensionalen van-der-Waals-Materialien vorgestellt, die eine effiziente Spininjektion von einer ferromagnetischen Fe3GeTe2 (FGT)-Elektrode in einen leitfähigen einlagigen Graphenkanal ermöglichen. Das injizierte Spinsignal wird an einer zweiten FGT-Elektrode detektiert. Um eine effiziente Spininjektion zu gewährleisten, dient eine dünne Schicht aus hexagonalem Bornitrid (hBN) als Tunnelbarriere zwischen FGT und Graphen. Eine solche Heterostruktur ermöglicht die Untersuchung des Spintransports und der Spinpräzession in nichtlokalen Spinventil- und Hanle-Messungen. Den Spinexperimenten geht eine detaillierte Charakterisierung der einzelnen Materialien voraus. Die Spininjektionseffizienz, die Spinlebensdauer und die Spindiffusionskonstante werden aus den Hanle-Experimenten bestimmt, indem die experimentellen Daten an eine analytische Fitfunktion angepasst werden. Die erhaltenen Werte für die Spininjektionseffizienz von bis zu P ≈ 40% zeigen eine hocheffiziente Spininjektion und -detektion. Die extrahierten Werte der Spinlebensdauern und Spindiffusionskonstanten stimmen gut mit denen überein, die in anderen Spintransportexperimenten in Graphen mit Oxid-Tunnelbarrieren und konventionellen spinausrichtenden Elektroden erhalten wurden. Interessanterweise stimmen die extrahierten Werte der Spindiffusionskonstanten nicht mit den extrahierten Werten der Ladungsdiffusionskonstanten in den beiden vorgestellten Spintransportproben überein. Um diese Diskrepanz zu erklären, wurden Simulationen mit COMSOL Multiphysics durchgeführt. In einer der beiden Proben wurden Hinweise auf magnetische Momente gefunden, deren Ursprung jedoch unbekannt bleibt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse demonstrieren erfolgreich den effizienten Spintransport in Heterostrukturen, die vollständig auf van-der-Waals-Materialien basieren, und ebnen den Weg für zukünftige Anwendungen der Spintronik in van-der-Waals-Heterostrukturen.

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