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

Electrical spin injection, transport, and detection in graphene-hexagonal boron nitride van der Waals heterostructures: progress and perspectives

The current research in graphene spintronics strives for achieving a long spin lifetime, and efficient spin injection and detection in graphene. In this article, we review how hexagonal boron nitride (hBN) has evolved as a crucial substrate, as an encapsulation layer, and as a tunnel barrier for manipulation and control of spin lifetimes and spin injection/detection polarizations in graphene spin valve devices. First, we give an overview of the challenges due to conventional SiO$_2$ substrate for spin transport in graphene followed by the progress made in hBN based graphene heterostructures. Then we discuss in detail the shortcomings and developments in using conventional oxide tunnel barriers for spin injection into graphene followed by introducing the recent advancements in using the crystalline single/bi/tri-layer hBN tunnel barriers for an improved spin injection and detection which also can facilitate two-terminal spin valve and Hanle measurements, at room temperature, and are of technological importance. A special case of bias induced spin polarization of contacts with exfoliated and chemical vapour deposition (CVD) grown hBN tunnel barriers is also discussed. Further, we give our perspectives on utilizing graphene-hBN heterostructures for future developments in graphene spintronics.Comment: Review, Author submitted manuscript - draft; 25 pages, 8 figure

Spin transport in two-layer-CVD-hBN/graphene/hBN heterostructures

We study room temperature spin transport in graphene devices encapsulated between a layer-by-layer-stacked two-layer-thick chemical vapour deposition (CVD) grown hexagonal boron nitride (hBN) tunnel barrier, and a few-layer-thick exfoliated-hBN substrate. We find mobilities and spin-relaxation times comparable to that of SiO$_2$ substrate based graphene devices, and obtain a similar order of magnitude of spin relaxation rates for both the Elliott-Yafet and D'Yakonov-Perel' mechanisms. The behaviour of ferromagnet/two-layer-CVD-hBN/graphene/hBN contacts ranges from transparent to tunneling due to inhomogeneities in the CVD-hBN barriers. Surprisingly, we find both positive and negative spin polarizations for high-resistance two-layer-CVD-hBN barrier contacts with respect to the low-resistance contacts. Furthermore, we find that the differential spin injection polarization of the high-resistance contacts can be modulated by DC bias from -0.3 V to +0.3 V with no change in its sign, while its magnitude increases at higher negative bias. These features mark a distinctive spin injection nature of the two-layer-CVD-hBN compared to the bilayer-exfoliated-hBN tunnel barriers.Comment: 5 figure

Bias induced up to 100% spin-injection and detection polarizations in ferromagnet/bilayer-hBN/graphene/hBN heterostructures

We study spin transport in a fully hBN encapsulated monolayer-graphene van der Waals heterostructure at room temperature. A top-layer of bilayer-hBN is used as a tunnel barrier for spin-injection and detection in graphene with ferromagnetic cobalt electrodes. We report surprisingly large and bias-induced (differential) spin-injection (detection) polarizations up to 50% (135%) at a positive voltage bias of + 0.6 V, as well as sign inverted polarizations up to −70% (−60%) at a reverse bias of −0.4 V. This demonstrates the potential of bilayer-hBN tunnel barriers for practical graphene spintronics applications. With such enhanced spin-injection and detection polarizations, we report a record two-terminal (inverted) spin-valve signals up to 800 Ω with a magnetoresistance ratio of 2.7%, and achieve spin accumulations up to 4.1 meV. We propose how these numbers can be increased further, for future technologically relevant graphene based spintronic devices