Epitaxial growth and charge-to-spin conversion studies of Bi2Te3 topological insulator

Abstract

In dieser Arbeit wird die Ladungs-Spin-Umwandlung in topologischen Isolator-Dünnschichten aus Bi2Te3 untersucht, die durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) gewachsen wurden. In Kapitel 1 werden die Grundlagen zu topologischen Isolatoren und Spintronik vorgestellt. In Kapitel 2 werden die experimentellen Instrumente und Techniken zusammengefasst. In den Kapiteln 3 und 4 werden die Optimierung des Wachstums von Bi2Te3-Dünnschichten und elektrische Messungen an diesen zur Untersuchung der elektronischen Transporteigenschaften behandelt. In Kapitel 5 wird die Spin-Drehmoment-Ferromagnetische-Resonanz (ST-FMR) eingesetzt, um Spin-Drehmomente zu messen, die der Bi2Te3-Film auf einer magnetischen Schicht erzeugt. Wir finden, dass der Wert des Spin-Hall-Winkels ein Maximum bei 8 QL Bi2Te3 in einem Dickenbereich von 3 QL bis 10 QL erreicht. Die Ergebnisse deuten auf signifikante Beiträge der Oberflächenzustände zur Ladungs-Spin-Umwandlung hin. Kapitel 6 enthält die Zusammenfassung und den Ausblick.

In this thesis, we explored the charge-to-spin conversion in topological insulator thin films of Bi2Te3 grown by molecular beam epitaxy (MBE). In chapter 1, the background information of topological insulator and spintronics is introduced. In chapter 2, experimental instruments and techniques are summarized. In chapters 3 and 4, the growth of high quality Bi2Te3 thin films is optimized and electrical measurements are performed on Bi2Te3 thin films to explore the electronic transport properties. In chapter 5, spin torque ferromagnetic resonance (ST-FMR) is employed to measure spin torques generated by the Bi2Te3 film onto a magnetic layer. We find the value of spin Hall angle reaches maximum at 8 QL Bi2Te3 in a thickness range from 3 QL to 10 QL. The observations suggest significant contributions of the surface states to the chargeto-spin conversion. Finally, chapter 6 presents the summary and outlook.