Spin transport in graphene - hexagonal boron nitride van der Waals heterostructures

De huidige micro-elektronicatechnologie gebruikt de ladingseigenschappen van een elektron voor informatieverwerking. Om de uitdagingen, zoals de vermogensdissipatie en downscaling van de elektronische apparaten te overwinnen, onderzoekt het vakgebied spintronica (spin-gebaseerde elektronica) een extra intrinsieke eigenschap van het elektron, spin genoemd, welke een puur kwantummechanische eigenschap is.Grafeen, een één-atomige tweedimensionale laag koolstofatomen, is de laatste tien jaar ontstaan als een veelbelovend materiaal voor spintronica-toepassingen. Het onderzoek dat in dit proefschrift gepresenteerd wordt, behandelt de uitdagingen in grafeen-spintronica als gevolg van het onderliggende substraat, onzuiverheden op het oppervlak van grafeen en de kwaliteit van de ferromagnetische tunnelingcontacten. Hiervoor introduceren we een nieuwe device-geometrie waarbij grafeen volledig is ingekapseld tussen twee hexagonale boornitride (hBN) lagen.We laten zien dat hBN een schone tunnelbarrière-grafeeninterface biedt die lange afstand-spintransport in grafeen mogelijk maakt. Verder laten we zien dat het mogelijk is om spin-injectie en detectiepolarisaties tot ± 100% te bereiken en een unieke tekeninversie van spinsignalen te maken door toepassing van een elektrisch veld over de ferromagnetische tunnelingcontacten. We hebben ook grootschalige, met chemische dampafzetting (CVD) gekweekte hBN als tunnelbarrières gebruikt en onze studie wijst op het belang van de kwaliteit en de kristallografische oriëntatie van hBN bij het bepalen van de tunnelingkenmerken.De resultaten die gepresenteerd worden in dit proefschrift vertegenwoordigen belangrijke ontwikkelingen in het begrijpen van de aard van spintransport in grafeen en spin-injectie via hBN-barrieres. Dit inzicht zal zeker helpen bij het overwinnen van de uitdagingen bij het realiseren van praktische spintronische devices gebaseerd op grafeen-hBN-van der Waals-heterostructuren.The current microelectronics technology utilizes the charge property of electron for information processing. To overcome the challenges such as the power dissipation and downscaling of the electronic devices, the field of study spintronics (spin based electronics) explores an additional intrinsic property of electron, called spin, purely a quantum mechanical property. Graphene, a one-atom thick two-dimensional layer of carbon atoms, has emerged in the last decade as a promise material for spintronics applications. The research presented in this thesis addresses the challenges in graphene spintronics due to the underlying substrate, impurities on graphene’s surface and the quality of the ferromagnetic tunneling contacts. For this we introduce a new device geometry where graphene is fully encapsulated between two hexagonal boron nitride (hBN) layers. We show that hBN provides a clean tunnel barrier-graphene interface enabling long-distance spin transport in graphene. Furthermore, we show that it is possible to achieve spin-injection and detection polarizations up to ±100% and a unique sign inversion of spin signals via application of electric field across the ferromagnetic tunneling contacts. We also employed large-area chemical vapour deposition (CVD) grown hBN as tunnel barriers and our study points to the importance of the quality and the crystallographic orientation of hBN in determining the tunneling characteristics. The results presented in this thesis represent important developments towards understanding the nature of spin transport in graphene and spin injection via hBN barriers. This understanding will certainly be helpful in overcoming the challenges in realizing practical spintronic devices based on graphene-hBN van der Waals heterostructures