Spin-orbit torques and photocurrents in 2D materials

Spintronica en opto-elektronica in 2D-materialen

De nullen en enen die informatie opslaan in bijvoorbeeld een computer of smartphone, zijn op hardwareniveau niets anders dan elektronen die al dan niet aanwezig zijn. Conventionele elektronische apparatuur werkt op basis van elektronlading, maar steeds kleinere en snellere apparaten lopen nu tegen de fysieke mogelijkheden van die hardware aan. Daarom werken wetenschappers aan andere manieren om informatie op te slaan, bijvoorbeeld door gebruik te maken van andere eigenschappen van elektronen, zoals de elektronspin. De belangrijkste hindernis voor zogenaamde spintronica ligt echter in het verkrijgen van nauwkeurige controle over de elektronspin. Momenteel worden zowel elektrische als optische methoden onderzocht om deze controle te bereiken.

In zijn promotieonderzoek bestudeerde Jan Hidding spintronica en opto-elektronica, met de nadruk op effecten waargenomen in gelaagde tweedimensionale (2D) materialen genaamd overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's). Deze materialen zijn bijzonder geschikt voor dit doel vanwege hun directe bandgat in kristallen van één atoomlaag dikte en sterke spin-baan koppeling, wat gunstig is voor spintronische en optospintronische-effecten.

Hidding behandelt in zijn proefschrift spintronische effecten, met name het spin-baan krachtmoment (spin-orbit torque, SOT) in TMD/ferromagnetische bilagen. Opmerkelijk is dat zijn studie naar WSe2/permalloy-apparaten een gebrek aan duidelijke afhankelijkheid van de WSe2-dikte voor SOTs onthult, wat wijst op een raakvlak-geïnduceerde oorsprong. Bovendien observeert Hidding de aanwezigheid van SOTs in een apparaat met een enkele ferromagnetische laag, wat de noodzaak van het bestuderen van referentie-apparaten wordt benadrukt voor een nauwkeurige bepaling van de SOT-sterkte.

Wat betreft het opto-elektronische aspect van TMD's onthult Hiddings onderzoek dat de Schottky-barrière aan het raakvlak van de MoSe2 en metalen contacten extra polarisatie-afhankelijke fotostromen induceert. Bovendien toont Hidding aan dat het lokaal wijzigen van de kristalstructuur van MoTe2 de opto-elektronische prestaties van op TMD's gebaseerde apparaten verbetert. Hiermee zet Hidding stappen voor de integratie van 2D-materialen in toekomstige spintronische en opto-elektronische apparaten.

Jan Hidding voerde zijn onderzoek uit bij het Zernike Institute for Advanced Materials, afdeling Fysica van Nano Devices, met financiering van NWO en het EU Graphene Flagship. Hij vervolgt zijn loopbaan als Optical sensing engineer bij ASML. 

Proefschrift: https://hdl.handle.net/11370/75a3b176-926f-4ccc-bcd0-f07e4e94e6db