Charge and Spin Transport in Disordered Graphene-Based Materials

Abstract

Esta tesis está enfocada en la modelización y simulación del transporte de carga y spin en materiales bidimensionales basados en Grafeno, así como en el impacto de la policristalinidad en el rendimiento de transistores de efecto campo diseñados con este tipo de materiales. Para este estudio se ha utilizado la metodología de transporte Kubo-Greenwood, la cual presenta grandes ventajas a la hora de realizar cálculos numéricos en sistemas microscópicos con el fin de obtener las propiedades de transporte de carga. Este trabajo cubre todos los tipos de desorden que pueden tener lugar en Grafeno, desde vacantes a la posible adsorción de especies químicas a lo largo de las fronteras de grano en el caso de Grafeno policristalino. Además tiene en cuenta importantes efectos cuánticos, como las interferencias cuánticas y los efectos debidos al acoplamiento spin-órbita intrínseco y extrínseco. Para el transporte de spin, se ha desarrollado un nuevo método basado en el formalismo de transporte en espacio real de orden O(N). Este nuevo método permite explorar y entender los mecanismos de relajación de spin en Grafeno y sus derivados. A partir de esta nueva metodología ha sido posible descubrir un nuevo mecanismo de relajación de spin basado en el acoplamiento entre spin y pseudospin (en presencia de un acoplamiento spin-órbita extrínseco o Rashba) que podría ser el mecanismo principal que gobierna la rápida relajación de spin observada experimentalmente en muestras de grafeno de alta calidad.

This thesis is focused on modeling and simulation of charge and spin transport in two dimensional graphene-based materials as well as the impact of graphene polycrystallinity on the performance of graphene field-effect transistors. The Kubo-Greenwood transport approach has been used as the key method to carry out numerical calculations for charge transport properties. The study covers all kinds of disorder in graphene from vacancies to chemical adsorbates on grain boundaries of polycrystalline graphene and takes into account important quantum effects such as the quantum interferences and spin-orbit coupling effects. For spin transport, a new method based on the real space order O(N) transport formalism is developed to explore the mechanism of spin relaxation in graphene. A new spin relaxation phenomenon related to spin-pseudospin entanglement is unveiled and could be the main mechanism at play governing fast spin relaxation in ultra-clean graphene.