Neuartige Bauelementkonzepte zur Erzeugung von Spinströmen in Graphen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt wurden Bauelementkonzepte zur Untersuchung des ballistischen Spintransports in einund mehrlagigem Graphen untersucht. Um das ballistische Transportregime auf Mikrometer- Längenskalen zu erreichen, wurden zunächst geeignete, isolierende 2D Materialien getestet, die die Graphenschichten sowohl von der Ober- als auch von der Unterseite komplett gegenüber der Umgebung schützen. Neben dem Isolator Bornitrid wurden dabei auch verschiedene 2D Halbleiter verwendet. Dazu wurde die Beweglichkeiten der Ladungsträger im Graphen für die verschiedenen Substratkombinationen analysiert. Bornitrid in Kombination mit dem 2D Halbleiter Wolframdiselenid (WSe2) hat sich dabei als die beste Materialkombination erwiesen. Neben den hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten ermöglicht das WSe2 zusätzlich durch den direkten Kontakt zum Graphen den sogenannten Spin-Bahn-Proximity-Effekt, der für die Manipulation des Spinstroms im Graphen genutzt werden kann. Diesen Proximity-Effekt konnten wir im quasiballistischen Transportregime durch Messungen der schwachen Antilokalisation sowie durch eine große anisotrope Spinstreuung bei Raumtemperatur im zweilagigem Graphen nachweisen. Diese Materialkombination bietet damit einen unerwarteten neuen Weg, um einen ballistischen Spin-Transfer über den Graphen-Transportkanal zu erreichen und gleichzeitig die Spinrichtung dank der Spin-Bahn-Kopplungsfelder an der Grenzfläche zu manipulieren. Im Projekt konnten ballistische Graphen-Bauelemente mit vollständig spinpolarisierten 1D-Strömen hergestellt werden. Dies wurde in gatterdefinierten Quantenpunktkontakten in zweilagigem Graphen realisiert, wobei die Spinpolarisation durch die Zeeman-Aufspaltung der jeweiligen 1D-Subbänder bei großen Magnetfeldern erreicht wurde. Ein weiteres wichtiges Ergebnis des Projekts ist eine detaillierte Untersuchung der Ladungs- und Spintransporteigenschaften von einlagigem und zweilagigem Graphen, die durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt wurden. Wir konnten zeigen, dass diese Graphen- Schichten bei Raumtemperatur ebenso gute Spin- und Ladungstransporteigenschaften aufweisen wie im Falle von exfolierten Graphen. Die außergewöhnlich hohe elektronische Qualität des CVD-Graphens wurde auch durch Messungen des fraktionalen Quanten-Hall-Effekts nachgewiesen. CVD-Graphen kann damit in funktionelle (ballistische) spinelektronische Bauelemente integriert werden. Im Projekt konnten wir zudem eine Reihe von ladungsinduzierten, nicht-lokalen Spannungssignalen identifizieren, die in der Literatur teilweise fälschlicherweise Spin-basierten Transportphänomenen zugeschrieben wurden. Durch eine selbstentwickelte und gebaute Stromquelle konnten wir eine ganze Reihe dieser Messartefakte aus den Messungen entfernen, was auch über das Forschungsgebiet der Spinelektronik hinaus von großer Bedeutung ist, um Messergebnisse zum elektrischen Transport korrekt interpretieren zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Dry-transferred CVD graphene for inverted spin valve devices. Appl. Phys. Lett. 111, 152402 (2017)
M. Drögeler, L. Banszerus, F. Volmer, T. Taniguchi, K. Watanabe, B. Beschoten, and C. Stampfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5000545) - Simulations on the gate dependent spin lifetime in graphene non-local spin valve devices. Physica Status Solidi B 254, 1700293 (2017)
M. Drögeler, F. Volmer, C. Stampfer, and B. Beschoten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssb.201700293) - Extraordinary high room-temperature carrier mobility in graphene-WSe2 heterostructures
L. Banszerus, T. Sohier, A. Epping, F. Winkler, F. Libisch, F. Haupt, K. Watanabe, T. Taniguchi, K. Müller-Caspary, N. Marzari, F. Mauri, B. Beschoten, and C. Stampfer,
(Siehe online unter https://doi.org/10.48550/arXiv.1909.09523) - Fractional quantum Hall effect in CVD-grown graphene. 2D Materials 7, 041007 (2020)
M. Schmitz, T. Ouaj, Z. Winter, K. Rubi, K. Watanabe, T. Taniguchi, U. Zeitler, B. Beschoten, and C. Stampfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/2053-1583/abae7b) - Observation of the Spin-Orbit Gap in Bilayer Graphene by One-Dimensional Ballistic Transport. Phys. Rev. Lett. 124, 177701 (2020)
L. Banszerus, B. Frohn, T. Fabian, S. Somanchi, A. Epping, M. Müller, D. Neumaier, K. Watanabe, T. Taniguchi, F. Libisch, B. Beschoten, F. Hassler, and C. Stampfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.177701) - How to solve problems in micro- and nanofabrication caused by the emission of electrons and charged metal atoms during e-beam evaporation. J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 225304 (2021)
F. Volmer, I. Seidler, T. Bisswanger, J.-S. Tu, L.R. Schreiber, C. Stampfer, and B. Beschoten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6463/abe89b) - Charge-induced artifacts in non-local spin transport measurements: How to prevent spurious voltage signals. Physical Review Applied
F. Volmer, T. Bisswanger, A. Schmidt, C. Stampfer, and B. Beschoten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.18.014028) - CVD bilayer graphene spin valves with 26 μm spin diffusion length at room temperature. Nano Letters
T. Bisswanger, Z. Winter, A. Schmidt, F. Volmer, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Stampfer, and B. Beschoten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01119)
