Optimization and modeling of the spin hall effect in dilute alloys - a theoretical study

Abstract

Diese Arbeit untersucht die extrinsischen Beiträge zum Spin-Hall-Effekt. Die Beschreibung der elektronischen Struktur basiert auf Dichtefunktionaltheorie mittels einer relativistischen Greenschen-Funktionsmethode nach Korringa, Kohn und Rostoker. Die Berechnungen zum elektronischen und Spintransport bezogen auf skew scattering, welche für ultradünne, mit Bismut dotierte Edelmetallfilme Anwendung fanden, wurden im Rahmen einer linearisierten Boltzmanngleichung durchgeführt. Die Berechnungen sagen riesige Spin-Hall-Effekte mit Spin-Hall-Winkeln bis zu 80% für Monolagenfilme voraus. Es wird gezeigt, dass die erforderliche Resonanzstreuung durch Verzerrung über Filmwachstum auf geeignetem Substrat eingestellt werden kann. Die Beschreibung von Volumensystemen verwendet ein verallgemeinertes Streuphasenmodell, welches ein subtiles Zusammenspiel zwischen Spin-Bahn- und Potentialstreuung in verschiedenen Drehimpulskanälen demonstriert. Erste Schritte in Richtung einer semiklassischen Beschreibung des side jump-Beitrages basierend auf ersten Prinzipien werden durch zwei Ansätze gemacht.

This work studies the extrinsic contributions to the spin Hall effect. The description of electronic structure is based on density functional theory by means of a relativistic Korringa-Kohn-Rostoker Green function method. The electronic and spin transport calculations for skew scattering applied to ultrathin bismuth-doped noble metal films are conducted in the framework of a linearized Boltzmann equation. The computations predict colossal spin Hall effects with spin Hall angles up to about 80% for one-monolayer films. It is shown that the required resonant scattering can be tuned by strain engineering, which deposits the film on an appropriate substrate. The description of bulk systems utilizes a generalized phase shift model, which demonstrates a subtle interplay between spin-orbit and potential scattering in different angular-momentum channels. First steps towards a semiclassical ab initio description of the side-jump mechanism are made by two approaches.