Synthesis and characterization of organic semiconductors and topological crystalline insulator tin telluride toward spintronic applications

Abstract

Spin-to-charge conversion is intensively studied in spintronics for its potential in next- generation low-power, high-performance electronics, including quantum-information archi- tectures. Here we investigate this conversion via dynamical magnetic excitations (spin Seebeck effect and spin-pumping ferromagnetic resonance). We studied topological in- sulators (tin telluride) and organic semiconductors (polyaniline, PEDOT:PSS) for their respective advantages, the efficient charge–spin interconversion in the former and long-distance, chemically tunable spin transport in the latter. Structural and morphological characterizations were performed: Raman spectroscopy confirmed PEDOT:PSS film forma- tion and UV–Vis spectroscopy yielded optical band gaps. MBE-grown tin telluride samples were characterized by Raman, high-resolution X-ray diffraction, and X-ray reflectivity. Organic- semiconductor studies used polyaniline (synthesized in-house) and PEDOT:PSS. The synthesis yielded thin films whose Raman spectra are consistent with the expected molecular structure and doping state. The experimental study shows coherent spin transport and measurable spin–to–charge conversion across organic and topological platforms. In Pt/PANI/YIG heterostructures a 100 nm PANI film presents DC conductivities 2.5–14.3 (·cm1) after acid doping. Ferromagnetic-resonance linewidths give gPANI/YIG 0.56·gPt/YIG, and spin- Seebeck analysis yields a spin hall angle of SHPANI = (1.70 ± 0.06) × 105. PEDOT:PSS films (2.20 and 2.54 m) display canonical Raman fingerprints and optical energy gaps of 2.55/2.44 eV for direct and 2.00/2.06 eV for indirect transitions, consistent with conductive polymer behavior. From the ferromagnetic resonance linewidths, we found gPEDOT:PSS/YIG 1.46 gPt/YIG, and spin-Seebeck analysis yields a spin Hall angle of SHPEDOT:PSS = (3.43 ± 0.06) × 105. Epitaxial SnTe(111) on InP shows high crystalline quality (rocking-curve FWHM = 0.080°), out-of-plane lattice expansion (a = 6.330 Å for 20 nm, 6.370 Å for 7 nm) and a strain-induced downshift of the A1g phonon (125.3 121.6 cm1) on the Raman spectrum. Spin dynamics in Py/SnTe yield geff 1.4×1018 m2, VSPpeak = 1.71 V , Jc = 3.15 × 107 A/m, Js = 4.74 × 104 A/m2, IREE = 0.080 nm and SH·sd = 0.24 nm, with 0.25 × 103, collectively supporting efficient interfacial spin transfer and spin-to-charge conversion. Keywords: spintronics; organic semiconductors; crystalline topological insulator; spin- to-charge conversion.

A conversão de spin em carga é intensamente estudada em spintrônica por seu potencial em eletrônicos de próxima geração, de baixo consumo de energia e alto desempenho, incluindo arquiteturas de informação quântica. Aqui investigamos essa conversão por meio de excitações magnéticas dinâmicas (efeito Seebeck de spin e ressonância ferromagnética por bombeamento de spin). Estudamos isolantes topológicos (telureto de estanho) e semicondutores orgânicos (polianilina, PEDOT:PSS) por suas respectivas vantagens, a eficiente interconversão carga–spin no primeiro e o transporte de spin a longas distâncias, ajustável quimicamente, no segundo. Caracterizações estruturais e morfológicas foram realizadas: a espectroscopia Raman confirmou a formação do filme de PEDOT:PSS e a espectroscopia UV–Vis forneceu os gaps ópticos de energia. Amostras de telureto de estanho crescidas por MBE foram caracterizadas por Raman, difração de raios X de alta resolução e refletividade de raios X. Os estudos com semicondutores orgânicos utilizaram polianilina (sintetizada internamente) e PEDOT:PSS. A síntese produziu filmes finos cujos espectros Raman são consistentes com a estrutura molecular e o estado de dopagem esperados. O estudo experimental mostra transporte coerente de spin e conversão mensurável de spin em carga em plataformas orgânicas e topológicas. Em heteroestruturas Pt/PANI/YIG, um filme de PANI de 100 nm apresenta condutividades DC de 2.5–14.3 (·cm1) após dopagem ácida. As larguras de linha de ressonância ferromagnética fornecem gPANI/YIG 0.56·gPt/YIG, e a análise do efeito Seebeck de spin fornece um ângulo de Hall de spin de SHPANI = (1.70 ± 0.06) × 105. Filmes de PEDOT:PSS (2.20 e 2.54 m) exibem assinaturas Raman canônicas e gaps ópticos de energia de 2.55/2.44 eV para transições diretas e 2.00/2.06 eV para transições indiretas, consistentes com o comportamento de polímeros condutores. A partir das larguras de linha da ressonância ferromagnética, encontramos gPEDOT:PSS/YIG 1.46 gPt/YIG, e a análise do efeito spin-Seebeck resulta em um ângulo de spin Hall de PEDOT:PSS = (3.43 ± 0.06) × 105. SnTe(111) epitaxial sobre InP apresenta alta SH qualidade cristalina (FWHM da curva de rocking = 0.080°), expansão do parâmetro de rede fora do plano (a = 6.330 Å para 20 nm, 6.370 Å para 7 nm) e um deslocamento para menores frequências do fônon A1g induzido por deformação (125.3 121.6 cm1) no espectro Raman. A dinâmica de spin em Py/SnTe fornece geff 1.4 × 1018 m2, VSPPeak = 1.71V , Jc = 3.15 × 107 A/m, Js = 4.74 × 104 A/m2, IREE = 0.080 nm e SH·sd = 0.24 nm, com 0.25 × 103, sustentando coletivamente uma eficiente transferência interfacial de spin e conversão de spin em carga. Palavras-chave: spintrônica; semicondutores cristalino; conversão de spin em carga orgânicos; isolante topológico.