Integrating and manipulating topological insulators in pursuit of spintronic and dissipationless applications

Abstract

Els Aïllants Topològics (TIs) Tridimensionals, especialment la segona generació basada en Bismut i Antimoni, han emergit com a plataformes revolucionàries per a una àmplia gamma d'aplicacions, des de la computació quàntica fins a l'espintrònica. Aquesta tesi presenta una exploració profunda de dos aspectes d'avantguarda dels TIs: el creixement i optimització de TIs magnètics intrínsecs, particularment del compost MnBi2Te4 (MBT), i el desenvolupament de dispositius laterals escalables que integren TIs amb grafè. Hem utilitzat l'epitaxia per feixos moleculars (MBE) per al creixement de pel·lícules d'alta qualitat, que posteriorment van ser analitzades usant difracció d'electrons d'alta energia per reflexió, difracció de raigs X, reflectivitat de raigs X, caracteritzacions magnètiques de dispositiu d'interferència quàntica superconductora (SQUID) i mesuraments de transport. El nostre treball investiga el complex procés de creixement de MBT sobre substrats de BaF2, emfatitzant la influència de la relació de flux Mn/Bi en les propietats tant de l'estructura cristal·lina, magnètiques i de transport. L'estudi revela una correlació entre la composició final, resultant de la relació de flux Mn/Bi, i diverses propietats del material, oferint perspectives valuoses per a millorar el procés de creixement. Addicionalment, la tesi s'endinsa en la integració de pel·lícules de (Bi, Sb)2Te3 (BST) crescudes per MBE amb grafè crescut per deposició química de vapor (CVD) transferit sobre substrats de SiO2/Si. Aquestes heteroestructures són utilitzades per al desenvolupament de dispositius laterals. Aquest estudi demostra la possibilitat d'aconseguir pel·lícules BST altament cristal·lines sobre grafè CVD ajustant la preparació del substrat i les condicions de creixement. A més, desenvolupa un nou procediment "de dalt a baix" per obtenir dispositius laterals a partir d'aquesta heteroestructura. En general, aquesta tesi fa una contribució significativa al camp proporcionant una base sòlida tant per a la investigació addicional sobre les propietats topològiques úniques del compost MBT com per a l'estudi del transport d'espín i la interconversió d'espín-càrrega dins d'heteroestructures de van der Waals. Ambdues línies representen avanços significatius en la recerca d'integrar i manipular TIs per aplicacions espintròniques i sense dissipació.

Los Aislantes Topológicos (TIs) Tridimensionales, especialmente la segunda generación basada en Bismuto y Antimonio, han emergido como plataformas revolucionarias para una amplia gama de aplicaciones, desde la computación cuántica hasta la espintrónica. Esta tesis presenta una exploración profunda de dos aspectos vanguardistas de los TIs: el crecimiento y optimización de TIs magnéticos intrínsecos, particularmente del compuesto MnBi2Te4 (MBT), y el desarrollo de dispositivos laterales escalables que integran TIs con grafeno. Utilizamos la epitaxia de haces moleculares (MBE) para el crecimiento de películas de alta calidad, que posteriormente fueron analizadas usando difracción de electrones de alta energía por reflexión, difracción de rayos X, reflectividad de rayos X, caracterizaciones magnéticas de dispositivo de interferencia cuántica superconductora (SQUID) y mediciones de transporte. Nuestro trabajo investiga el complejo proceso de crecimiento de MBT sobre sustratos de BaF2, enfatizando la influencia de la relación de flujo Mn/Bi en las propiedades tanto de la estructura cristalina, magnéticas y de transporte. El estudio revela una correlación entre la composición final, resultante de la relación de flujo Mn/Bi, y varias propiedades del material, ofreciendo perspectivas valiosas para mejorar el proceso de crecimiento. Adicionalmente, la tesis profundiza en la integración de películas de (Bi, Sb)2Te3 (BST) crecidas por MBE con grafeno crecido por deposición química de vapor (CVD) transferido sobre sustratos de SiO2/Si. Dichas heteroestructuras son utilizadas para el desarrollo de dispositivos laterales. Este estudio demuestra la posibilidad de lograr películas BST altamente cristalinas sobre grafeno CVD ajustando la preparación del sustrato y las condiciones de crecimiento. Además, desarrolla un novedoso procedimiento "de arriba abajo" para obtener dispositivos laterales a partir de esta heteroestructura. En general, esta tesis hace una contribución significativa al campo al proporcionar una base sólida tanto para la investigación adicional sobre las propiedades topológicas únicas del compuesto MBT como para el estudio del transporte de espín y la interconversión de espín-carga dentro de heteroestructuras de van der Waals. Ambas líneas representan avances significativos en la búsqueda de integrar y manipular TIs para aplicaciones espintrónicas y sin disipación.

Three-dimensional Topological Insulators (TIs), especially the second generation based on Bismuth and Antimony, have emerged as revolutionary platforms for a wide array of applications, from quantum computing to spintronics. This thesis presents an in-depth exploration of two cutting-edge aspects of TIs: the growth and optimization of intrinsic magnetic TIs, particularly MnBi2Te4 (MBT), and the development of scalable lateral devices that integrate TIs with graphene. We utilized molecular beam epitaxy (MBE) for the growth of high-quality films, which were subsequently analyzed using reflection high-energy electron diffraction, X-ray diffraction, X-Ray reflectivity, superconducting quantum interference device (SQUID) magnetic characterizations, and transport measurements. Our research investigates the complex growth process of MBT on BaF2 substrates, emphasizing the influence of the Mn/Bi flux ratio on the crystal structure and magneto-transport properties. The study reveals a correlation between the final composition, resulting from the Mn/Bi flux ratio, and various material properties, offering valuable insights for enhancing the growth process. Additionally, the thesis delves into the integration of MBE-grown (Bi,Sb)2Te3 (BST) films with chemically vapor-deposited (CVD) graphene transferred onto SiO2/Si substrates, leading to the development of lateral devices. This study demonstrates the possibility of achieving highly crystalline BST films on CVD graphene by tuning the substrate preparation and growth conditions. Additionally, it develops a novel top-down approach for shaping this heterostructure into lateral devices. Overall, this thesis makes a significant contribution to the field by providing a solid foundation for both the further research into the unique topological properties of MBT and the study of spin transport and spin-charge interconversion within van der Waals heterostructures. Both avenues represent significant strides in the pursuit of integrating and manipulating TIs for spintronic and dissipationless applications.