Spin Transport in Carbon Nanotubes with Circular Nanodot Contacts

Abstract

Spintronik und Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) sind zwei der wissenschaftlich hoch geschätzten Themen der letzten zwei Jahrzehnte. CNTs wurden aufgrund ihrer Größe, Struktur und einzigartigen Eigenschaften als ein hoch innovatives Material für Applikationen diskutiert. Spintronik hingegen kann einen neuen Freiheitsgrad in die konventionelle Elektronik einbringen. Für einen Durchbruch brauchen jedoch beide Themen ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Effekte und Mechanismen. Aufgrund der geringen Spin-Bahn Kopplung von Kohlenstoff ist die Kombination beider Themen ein interessanter Ansatz für diese Untersuchungen. In dieser Arbeit wurde der Spin Transport an einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNT) in einer Spin-Ventil Konfiguration untersucht. Magnetkraftmikroskopie lieferte wichtige Erkenntnisse über die magnetische Domänen Struktur der benutzten Kontakte. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden die SWNTs auf einer neuartigen Weise mit runden ferromagnetischen Nanodot Kontakten kontaktiert. Durch diese Kontaktgeometrie war es möglich einen scharf definierten, reproduzierbaren und symmetrischen Tunnelmagnetwiderstand (TMR) von -70% über einen Abstand von ca. 950 nm zu messen. SWNTs zeigen bei tiefen Temperaturen und unter bestimmten Bedingungen ein Quantenpunkt Verhalten. Bei den mit Nanodots kontaktierten SWNT Spin-Ventilen konnte eine negative Korrelation zwischen dem TMR und den Leitwertoszillationen beobachtet werden. Weitere wichtige Beobachtungen waren die Bias Abhängigkeit des TMR Wertes und Stromfluss bei 0V Bias-Spannung. Es hat sich gezeigt, dass der TMR mit fallender Bias-Spannungen steigt und der Strom bei 0V Bias-Spannung seine Richtung in Abhängigkeit der Gate-Spannung ändert. Diese Beobachtungen werden im Hinblick auf Magnonen-Assistiertes Tunneln diskutiert.

Spintronics and carbon nanotubes are two of the highly esteemed scientific topics during the last two decades. Carbon nanotubes (CNT) were discussed as a highly innovative material in applications due to their structure, size and unique properties. Spintronics would bring a new degree of freedom to the conventional electronics. But for a breakthrough for both of them there is still the need of a deeper understanding of the underlying effects and mechanisms. Because of the low spin-orbit coupling in carbon, the combination of these two topics is an interesting approach for this research. In this work the spin transport across single-walled carbon nanotubes (SWNT) in a spin-valve configuration is studied. Magnetic force microscopy revealed important insights into the magnetic domain structure of the used contacts. Based on this knowledge the SWNTs were contacted with a novel type of circular ferromagnetic nanodot contacts. With the proposed type of contacts it was possible to measure a sharply defined, reproducible and symmetric tunneling magnetoresistance (TMR) over a distance of 950 nm, whose value went of up to -70%. At low temperatures SWNTs show under specific conditions a quantum dot behavior. With nanodot contacted SWNT spin-valves it was possible to observe a negative correlation between the conductance oscillations and the TMR signal. Further important observation were the bias dependence of the TMR and current flow at 0V bias. The TMR value increases rapidly with decreasing bias voltage and the current at 0V bias changes its direction depending on the gate voltage. These observations suggest that magnon-assisted tunneling plays a role in the transport behavior of SWNT-spin-valves.