Kontrolle von induzierter Spin-Bahn-Kopplung in Graphen/TMDC-Heterostrukturen

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	19 December 2025
Referee:	PD Dr. Jonathan Eroms
Date of exam:	26 November 2025
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Weiss > Group Jonathan Eroms
Keywords:	Graphene; TMDC; Proximity-Induced Spin-orbit coupling; WSe2
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	78357

Abstract (German)

Aufgrund stetig wachsender Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Effizienz mikroelektronischer Bauelemente besteht ein anhaltendes Interesse an der Entwicklung neuartiger technologischer Konzepte. Ein vielversprechender Ansatz ist die Spintronik, die neben der Elektronenladung auch den Elektronenspin als zusätzlichen Freiheitsgrad für die Informationsverarbeitung und -übertragung nutzt. ...

Abstract (German)

Aufgrund stetig wachsender Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Effizienz mikroelektronischer Bauelemente besteht ein anhaltendes Interesse an der Entwicklung neuartiger technologischer Konzepte. Ein vielversprechender Ansatz ist die Spintronik, die neben der Elektronenladung auch den Elektronenspin als zusätzlichen Freiheitsgrad für die Informationsverarbeitung und -übertragung nutzt. Eine zentrale Voraussetzung für spintronische Anwendungen ist die Erzeugung robuster und kontrollierbarer Spinströme. Graphen gilt aufgrund seiner hervorragenden elektronischen Transporteigenschaften als besonders geeignetes Material für den Spintransport. Die Erzeugung von Spinströmen direkt in Graphen ist jedoch aufgrund seiner sehr schwachen intrinsischen Spin-Bahn-Kopplung stark eingeschränkt. Durch die Nutzung von proximity-induzierter Spin-Bahn-Kopplung in van-der-Waals-Heterostrukturen aus Graphen und Übergangsmetalldichalcogeniden (TMDCs) wie WSe₂ kann diese Limitation überwunden werden, wodurch die effiziente Erzeugung von Spinströmen in Graphen ermöglicht wird. Trotzdem war zu Beginn dieser Arbeit nur weniger darüber klar, in welchem Maß und durch welche Parameter sich die proximity-induzierte Spin-Bahn-Kopplung gezielt einstellen und kontrollieren lässt. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Arbeit systematisch die Einflussfaktoren auf die proximity-induzierte Spin-Bahn-Kopplung in Graphen/WSe₂-Heterostrukturen. Insbesondere werden der Einfluss der Schichtdicke des WSe₂, des Drehwinkels zwischen Graphen und WSe₂ sowie des Zwischenlagenabstands zwischen beiden Materialien analysiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern ein grundlegendes Verständnis dafür, wie die proximity-induzierte Spin-Bahn-Kopplung eingestellt bzw. kontrolliert werden kann und tragen zur gezielten Optimierung spintronischer Bauelemente auf Graphenbasis bei.

Translation of the abstract (English)

Due to continuously increasing demands on the performance and efficiency of microelectronic devices, there is sustained interest in the development of novel technological concepts. One particularly promising approach is spintronics, which exploits not only the electron charge but also the electron spin as an additional degree of freedom for information processing and transmission. A key ...

Translation of the abstract (English)

Due to continuously increasing demands on the performance and efficiency of microelectronic devices, there is sustained interest in the development of novel technological concepts. One particularly promising approach is spintronics, which exploits not only the electron charge but also the electron spin as an additional degree of freedom for information processing and transmission. A key prerequisite for spintronic applications is the generation of robust and controllable spin currents. Owing to its excellent electronic transport properties, graphene is considered a highly suitable material for spin transport. However, the direct generation of spin currents in graphene is strongly limited by its very weak intrinsic spin–orbit coupling. This limitation can be overcome by exploiting proximity-induced spin–orbit coupling in van der Waals heterostructures composed of graphene and transition-metal dichalcogenides (TMDCs), such as WSe₂, thereby enabling the efficient generation of spin currents directly in graphene. Nevertheless, at the outset of this work, only limited understanding existed regarding the extent to which and the parameters by which proximity-induced spin–orbit coupling can be deliberately tuned and controlled. Against this background, the present work systematically investigates the factors influencing proximity-induced spin–orbit coupling in graphene/WSe₂ heterostructures. In particular, the effects of the WSe₂ layer thickness, the twist angle between graphene and WSe₂, and the interlayer distance between the two materials are analyzed. The results of this work provide a fundamental understanding of how proximity-induced spin–orbit coupling can be tuned and controlled and contribute to the targeted optimization of graphene-based spintronic devices.

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