Search

Aquest treball s'emmarca dins els camps de l'espintrònica i la spin-orbitrònica, l'objectiu final del qual és controlar el grau de llibertat de l'espín de l'electró mitjançant l'acoblament spin-òrbita (SOC) en sistemes d'estat sòlid. La recerca d'un major control de l'espín ha pres una direcció emocionant amb l'aïllament i posterior demostració de la injecció d'espín en grafè. Degut al baix SOC intrínsec del grafè, els espins poden viatjar distàncies llargues a través de la seva xarxa cristal·lina, la qual cosa fa del grafè un canal ideal per al transport d'espins. Tanmateix, el SOC feble del grafè inhibeix la manipulació i la creació de les corrents d'espín mencionades, fonamentals per tal d'implementar amb èxit dispositius basats en l'espín de l'electró. Aquesta limitació pot ser superada augmentant el SOC a través d'efectes de proximitat amb els dicalcogenurs de metalls de transició (TMDC) en estructures de van der Waals heterogènies. Els TMDC són semiconductors bidimensionals que posseeixen un SOC intrínsec fort. En aquesta tesi, utilitzant mesures de transport d'espín, investiguem el SOC induït en el grafè per la proximitat dels TMDC per aconseguir dos objectius principals: 1. Obtenir indicis d'un augment en l'acoblament spin-òrbita i espín-vall en el grafè modificat per la proximitat amb un TMDC semiconductor utilitzant mesures de transport d'espín. 2. Estudiar la possibilitat de generar corrents d'espín utilitzant l'acoblament espín-òrbita induït en el grafè, eina fonamental per a la generació i detecció d'espins sense utilitzar materials magnètics. Per aconseguir aquests objectius, s'han dedicat molts esforços a la fabricació de mostres acuradament dissenyades, a adaptar i proposar protocols experimentals basats en mesures de precessió d'espín, i a l'anàlisi i modelatge de les senyals. Com a resultat, s'ha aconseguit fer diverses contribucions rellevants per a la comprensió dels fenòmens de spin-òrbita en heterostructures de grafè i TMDCs, que resumides d'acord amb els objectius són: 1. La demostració inequívoca d'una dinàmica d'espín anisotròpica en heteroestructures que comprenen grafè, WS2, MoS2 i WSe2. Utilitzant mesures de precessió d'espín obliqua i fora del pla, demostrem que el temps de vida de l'espín és més gran quan els spins apunten fora del pla del grafè. Observem que el temps de vida de l'espín varia en un ordre de magnitud depenent de la seva orientació, indicant que el fort acoblament espín-vall de l'TMDC s'imprimeix en el grafè i és percebut pels espins que es propaguen. A més, mostrem que aquesta relaxació anisotròpica d'espín es pot controlar elèctricament, canviant d'un règim altament anisotròpic a un de gairebé isotròpic. Aquestes troballes proporcionen una plataforma per explorar fenòmens d'acoblament espín-vall, i ofereixen noves estratègies per a la manipulació d'espín basades en l'anisotropia de relaxació d'espín en materials bidimensionals. 2. La demostració d'una conversió de corrents d'espín a corrents de càrrega, i viceversa, en grafè. Aquesta conversió facilitada per la proximitat de l'grafè amb un WS2 i mesurada a temperatura ambient. Realitzant experiments de precessió d'espín en estructures tipus Hall, separem les contribucions de l'efecte Hall i galvànic de spin. Sorprenentment, les eficiències de conversió d'espín corresponents a cadascun dels mecanismes es poden ajustar tant en magnitud com en signe mitjançant una comporta electrostàtica, essent màximes prop del punt de neutralitat de càrrega del grafè. L'eficiència mesurada d'aquests efectes és comparable a les eficiències més grans publicades fins ara. Aquest grau de control assolit mitjançant camps elèctric proporciona una eina per a la generació de corrents d'espín sense utilitzar materials magnètics, i per a tecnologies de memòries magnètiques ultra compactes. El presente trabajo se encuentra dentro de los campos de la espintrónica y la espín-orbitrónica, cuyo objetivo final es controlar el grado de libertad de espín del electrón mediante el acoplamiento espín-órbita (SOC) en sistemas de estado sólido. La búsqueda de un mayor control del espín del electrón ha tomado una dirección emocionante con el aislamiento y la posterior demostración de la inyección de espín en grafeno. Debido al bajo SOC intrínseco del grafeno, los espines pueden viajar largas distancias a través de su red cristalina, lo que convierte al grafeno en un canal ideal para el transporte de espines. Pero al mismo tiempo, el bajo SOC del grafeno inhibe la manipulación y la creación de dichas corrientes de espín, fundamentales para implementar con éxito dispositivos basados en el espín. Sin embargo, podemos superar esta limitación aumentando el SOC del grafeno mediante los efectos de proximidad con los dicalcogenuros de metales de transición (TMDC) en estructuras de van der Waals. Los TMDC son semiconductores bidimensionales que poseen un SOC intrínseco fuerte. En esta tesis, utilizando medidas de transporte de espín, investigamos el SOC inducido en el grafeno por la proximidad a los TMDC para lograr dos objetivos principales: 1. Obtener indicios de un aumento en el acoplamiento espín-órbita y espín-valle en el grafeno modificado por la proximidad a un TMDC semiconductor utilizando medidas de transporte de espín. 2. Estudiar la posibilidad de generar corrientes de espín utilizando el acoplamiento espín-órbita inducido en el grafeno, herramienta fundamental para la generación y detección de espines sin usar materiales magnéticos. Para lograr tales objetivos, se han dedicado muchos esfuerzos a la fabricación de muestras cuidadosamente diseñadas, a adaptar y proponer protocolos experimentales basados en medidas de precesión de espín, y a el análisis y modelado de las señales. Como resultado, se han logrado varias contribuciones relevantes para la comprensión de los fenómenos de espín-órbita en heteroestructuras de grafeno y TMDCs, las cuales resumidas acorde a los objetivos son: 1. La demostración inequívoca de una dinámica de espín anisotrópica en heteroestructuras que comprenden grafeno, WS2, MoS2 y WSe2. Utilizando mediciones de precesión de espín oblicua y fuera del plano, mostramos que el tiempo de vida del espín es mayor cuando los espines apuntan fuera del plano del grafeno. Observamos, además, que el tiempo de vida del espín varía en un orden de magnitud dependiendo de su orientación, lo que indica que el fuerte acoplamiento espín-valle del TMDC se imprime en el grafeno y es percibido por los espines que se propagan. Además, mostramos que dicha relajación anisotrópica de espín se puede controlar eléctricamente, cambiando de un régimen altamente anisotrópico a uno casi isotrópico. Estos hallazgos proporcionan una plataforma para explorar fenómenos de acoplamiento espín-valle, y ofrecen nuevas estrategias para la manipulación de espín basadas en la anisotropía de relajación de espín en materiales bidimensionales. 2. La demostración de una conversión de corrientes de espín a corrientes de carga, y viceversa, en grafeno. Dicha conversión es medida a temperatura ambiente y mediada por la proximidad del grafeno a un WS2. Realizando experimentos de precesión de espín en estructuras tipo Hall, separamos las contribuciones del efecto Hall y galvánico de espín. Sorprendentemente, sus correspondientes eficiencias de conversión se pueden ajustar tanto en magnitud y signo mediante una compuerta electrostática, siendo máximas cerca del punto de neutralidad de carga del grafeno. La eficiencia medida de estos efectos es comparable a las eficiencias más grandes reportadas hasta la fecha. Tal grado de control alcanzado mediante campos eléctrico proporciona una herramienta para la generación de corrientes de espín sin usar materiales magnéticos, y para tecnologías de memorias magnéticas ultra compactas. The presented work is within the fields of spintronics and spin-orbitronics, whose final aim is to control the electron's spin degree of freedom via the spin-orbit coupling (SOC) in solid-state systems. The quest for greater control of the electron's spin has taken an exciting direction with the isolation and later demonstration of spin injection in graphene. Because of the graphene intrinsic low SOC, spins can travel over long distances through its crystal lattice, resulting in an ideal channel for the spin transport. But at the same time, the graphene's low SOC inhibits the manipulation and the generation of spin currents, which are the cornerstone for implementing spin-based devices successfully. We can get over this limitation by enhancing graphene's SOC by proximity with transition metal dichalcogenides (TMDCs) in van der Waals heterostructures. TMDCs are two-dimensional semiconductors that possess a strong intrinsic SOC. In this thesis, using spin transport measurements, we investigate the induced SOC in graphene by the proximity to TMDCs to achieve two main objectives: 1. Obtain signatures of an enhanced spin-orbit and spin-valley coupling in graphene by proximity to a semiconducting TMDC using spin transport measurements. 2. Study the possibility to generate spin currents using the induced spin-orbit in graphene, which would be a building block for spin generation and detection free from magnetic materials. To achieve such objectives, many efforts have been devoted to fabricating carefully designed samples, adapting and proposing experimental protocols based on spin precession measurements, and in the analysis and modeling of the signals. As a result, several relevant contributions to the understanding of spin-orbit phenomena in graphene/TMDCs have been achieved, which summarized according to the objectives are: 1. The unambiguous demonstration of anisotropic spin dynamics in heterostructures comprising graphene, WS2, MoS2, and WSe2. Using out-of-plane and oblique spin precession measurements, we show that the spin lifetime is largest when the spins point out of the graphene plane. We observe that the spin lifetime changes over an order of magnitude depending on the spin orientation, indicating that the strong spin-valley coupling of the TMDC is imprinted in the graphene and felt by the propagating spins. Moreover, we show that such anisotropic spin relaxation can be electrically controlled, changing from a highly anisotropic to a nearly isotropic regime. These findings provide a rich platform to explore coupled spin-valley phenomena and offer novel spin manipulation strategies based on spin relaxation anisotropy in two-dimensional materials. 2. The demonstration of strongly enhanced room-temperature spin-to-charge interconversion in graphene driven by the proximity of WS2. By performing spin precession experiments in Hall bars, we separate the contributions of the spin Hall and the spin galvanic effects. Remarkably, their corresponding conversion efficiencies can be tailored by electrostatic gating in magnitude and sign, peaking nearby the charge neutrality point with an equivalent magnitude that is comparable to the largest efficiencies reported to date. Such an electric-field tunability provides a building block for a spin-generation free from magnetic materials, and for ultra-compact magnetic memory technologies.

We demonstrate a high-yield fabrication of non-local spin valve devices with room-temperature spin lifetimes of up to 3 ns and spin relaxation lengths as long as 9 µm in platinum-based chemical vapor deposition (Pt-CVD) synthesized single-layer graphene on SiO2/Si substrates. The spin-lifetime systematically presents a marked minimum at the charge neutrality point, as typically observed in pristine exfoliated graphene. However, by studying the carrier density dependence beyond n ~ 5 × 1012 cm−2, via electrostatic gating, it is found that the spin lifetime reaches a maximum and then starts decreasing, a behavior that is reminiscent of that predicted when the spin-relaxation is driven by spin–orbit interaction. The spin lifetimes and relaxation lengths compare well with state-of-the-art results using exfoliated graphene on SiO2/Si, being a factor two-to-three larger than the best values reported at room temperature using the same substrate. As a result, the spin signal can be readily measured across 30 µm long graphene channels. These observations indicate that Pt-CVD graphene is a promising material for large-scale spin-based logic-in-memory applications., This research was partially supported by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme, Graphene Flagship CORE 2, under grant agreement No. 785219, by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, MINECO (under Contracts No. MAT2013-46785-P, No. MAT2016-75952-R, No. MAT2015-68307-P and Severo Ochoa No. SEV- 2017-0706), and by the CERCA Programme and the Secretariat for Universities and Research, Knowledge Department of the Generalitat de Catalunya, 2017 SGR 827. ZMG acknowledges support from MINECO FPI fellowship under Contract No. BES-2014-069925 and MT from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Sklodoswa-Curie grant agreement Nº 665919.

Aquesta tesi s'ha basat en la síntesi i el processament del grafè per tal d'obtenir les condicions òptimes per a la seva utilització en aplicacions d'espintrònica. La tesi està emmarcada en dos camps de recerca punters: el món del grafè amb la seva riquesa de propietats úniques i el camp de l'espintrònica que explora el grau de llibertat de l'espí de l'electró de cara a noves aplicacions en informàtica i tecnologia de comunicacions (com és ara els dispositius de lògica i d'emmagatzematge d'informació). En aquest context, el grafè és un material prometedor de cara a transportar l'espí amb grans longituds de difusió. Per aconseguir-ho, és clau que el grafè sigui d'alta qualitat amb el mínim de centres de dispersió, tant en el moment de la seva producció com en el processat. Per tant, en aquesta tesi s'ha fet un gran esforç per optimitzar els paràmetres de creixement pel mètode de deposició química per vapor (CVD). S'han aconseguit vàries contribucions rellevants en aquest camp: -S'ha demostrat la importància de la reacció inversa del grafè ("gravat") durant el creixement, la qual comença a dominar per a temps llarg de creixement, degut a un augment de la concentració d'hidrogen in-situ. Aquest és un fenomen que ha estat ignorat anteriorment però que és de gran rellevància degut al seu efecte sobre l'estructura i la morfologia del grafè. S'ha aconseguit una caracterització completa de l'evolució de la forma dels dominis de grafè ajustant el temps de creixement, el flux dels gasos precursors i el confinament del catalitzador, fet que permet identificar millor l'inici del procés de "gravat". Controlar aquest efecte és molt important per minimitzar els defectes estructurals induïts per la reacció inversa ja que poden afectar el transport d'electrons/spins. -S'ha introduït un nou tractament previ del catalitzador de coure per reduir els punts de nucleació per al creixement del grafè. La supressió dels punts de nucleació és molt important per tal de promoure un creixement més monocristal·lí del grafè i així minimitzar la dispersió dels electrons en la frontera dels grans de cristall del grafè. El procediment es basa en un procés de curat tèrmic assistit per fotocatàlisi, que elimina eficaçment els contaminants de carboni que són punts actius per a la nucleació del grafè. -S'ha demostrat una distància de propagació d'espí rècord, superior als 30 micròmetres, en el canal de grafè. Aquest resultat s'ha obtingut utilitzant grafè CVD d'alta qualitat crescut sobre platí i una tècnica de fabricació de dispositius recentment desenvolupada que minimitza la contaminació/ els defectes estructurals durant el processament del grafè. La vida útil de l'espí i les longituds de relaxació obtingudes han resultat ser els valors més alts aconseguits a temperatura ambient en comparació amb previs resultats obtinguts en condicions similars, és a dir, amb grafè CVD sobre substrat estàndard de SiO2/Si. Esta tesis se ha basado en ajustar la síntesis y el procesamiento de grafeno para el desarrollo de dispositivos espintrónicos optimizados. La tesis está enmarcada en dos temáticas punteras: el mundo del grafeno con su riqueza de propiedades únicas y el campo de la espintrónica que explora el grado de libertad del espín de los electrones para nuevas aplicaciones en tecnología de la información y la comunicación (por ejemplo, dispositivos de lógica y almacenamiento de información). En este contexto, el grafeno es un material muy prometedor para transportar el espín con longitud de difusión alta. Para lograr esto, un grafeno de alta calidad con mínimos centros de dispersión de electrones es un parámetro clave y debe asegurarse estas propiedades desde el momento de su crecimiento y durante su procesamiento. Por lo tanto, en esta tesis, se han invertido muchos esfuerzos para ajustar los parámetros de crecimiento del grafeno mediante la deposición química por vapor (CVD). Se han logrado varias contribuciones relevantes en el campo: - Se ha demostrado la importancia de la reacción inversa del grafeno ("etching") durante el crecimiento, la cual comienza a dominar a tiempos largos de crecimiento debido a un aumento in-situ de la concentración de hidrógeno. Este es un fenómeno que se ha ignorado anteriormente pero que es muy importante a tener en cuenta ya que afecta la estructura y morfologia del grafeno. Se ha logrado una caracterización completa de la evolución de la forma de los dominios del grafeno ajustando el tiempo de crecimiento, el flujo de precursores de gases y el confinamiento del catalizador lo cual permite identificar mejor el inicio del proceso de "etching". Controlar este efecto es muy relevante para minimizar los defectos estructurales inducidos por la reacción inversa ya que pueden afectar el transporte de electrones / espines. - Se ha introducido un nuevo pretratamiento del catalizador de cobre para reducir los sitios de nucleación para el crecimiento de grafeno. La supresión de los sitios de nucleación es muy importante para promover un crecimiento más monocristalino de grafeno y minimizar así la dispersión de electrones en las fronteras de los granos de cristal de grafeno. El procedimiento se basa en un proceso de curado térmico asistido por fotocatalisis que elimina eficientemente los contaminantes carbono que son sitios activos para la nucleación de grafeno. - Se ha demostrado una propagación récord de espín de más de 30 micrómetros en el canal de grafeno. Dicho resultado se logró utilizando grafeno CVD de alta calidad crecido sobre platino y una técnica de fabricación de dispositivos recientemente desarrollada que minimiza la contaminación / defectos estructurales durante el procesamiento de grafeno. La vida útil del espín y las longitudes de relajación resultaron ser los valores más altos en contrados a temperatura ambiente en comparación a resultados previos obtenidos en condiciones similares, es decir grafeno CVD sobre sustrato estándar de SiO2 / Si. "This thesis has focused on tuning the synthesis and processing of graphene to achieve optimized spintronic applications. Thus the thesis is framed in two cut-edging topics: the graphene world with its richness of unique properties and the field of spintronics which explores the spin degree of freedom of the electrons for novel applications in information and communication technology (e.g. information storage and logic devices). Under this context graphene is a very promising spin channel material to transport spin with long spin diffusion lengths. To accomplish that, a high quality-graphene with minimum electron scattering centers is a key parameter and must be ensured from the moment of its production and during its processing. Accordingly, in this thesis, a lot of efforts have been invested to fine-tune the growth parameters of graphene by chemical vapor deposition (CVD). Several relevant contributions in the field have been achieved: -THE DEMONSTRATION of the importance of the graphene etching backreaction during growth which begins to dominate at long growth times due to an in-situ increase of hydrogen concentration. That is a phenomenon that has been previously ignored but very important to consider since it impacts on the graphene domain reshaping. A thorough characterization of the graphene domain shape evolution has been accomplished by tuning the growth time, the flow of gas precursors and the catalyst confinement which allows better identifying the onset of the etching process. Controlling this effect is very relevant to minimize structural defects induced by etching which can impact the electron/spin transport. -THE INTRODUCTION of a novel pretreatment of the copper catalyst to reduce nucleation sites for graphene growth. The suppression of nucleation sites is very important to promote a more single-crystalline growth of graphene and thus minimize electron scattering at the domain boundaries of the graphene crystal grains. The procedure is based on a photocatalyst-assisted thermal annealing process that efficiently removes carbonaceous contaminants which are active sites for graphene nucleation. -THE DEMONESTRATION of record-long propagation of spins over 30 micrometers at the graphene channel. Such output was achieved using high-quality CVD graphene grown on platinum foil and a newly developed device fabrication technique which minimizes contamination/structural defects during graphene processing. The spin lifetimes and relaxation lengths were the highest values reported at room temperature in CVD grown graphene on a standard substrate, SiO2/Si.

Exposing graphene to a hydrogen post-etching process yields dendritic graphene shapes. Here, we demonstrate that similar dendritic structures can be achieved at long growth times without adding hydrogen externally. These shapes are not a result of a surface diffusion controlled growth but of the competing backward reaction (etching), which dominates the growth dynamics at long times due to an in situ rise in the hydrogen partial pressure. We have performed a systematic study on the growth of graphene as a function of time to identify the onset and gradual evolution of graphene shapes caused by etching and then demonstrated that the etching can be stopped by reducing the flow of hydrogen from the feed. In addition, we have found that the etching rate due to the in situ rise in hydrogen is strongly dependent on the confinement (geometrical confinement) of copper foil. Highly etched graphene with dendritic shapes was observed in unconfined copper foil regions while no etching was found in graphene grown in a confined reaction region. This highlights the effect of the dynamic reactant distribution in activating the in situ etching process during growth, which needs to be counteracted or controlled for large scale growth., This research was partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, MINECO (under Contracts No. MAT2013-46785-P, No. MAT2016-75952-R, No. MAT2015-68307- P and Severo Ochoa No. SEV-2013-0295), by the European Research Council under Grant Agreement No. 306652 SPINBOUND, by the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No. 696656, and by the CERCA Programme and the Secretariat for Universities and Research, Knowledge Department of the Generalitat de Catalunya 2014 SGR 56. ZMG acknowledges support from MINECO FPI fellowship under Contract No. BES-2014-069925.

A large enhancement in the spin–orbit coupling of graphene has been predicted when interfacing it with semiconducting transition metal dichalcogenides. Signatures of such an enhancement have been reported, but the nature of the spin relaxation in these systems remains unknown. Here, we unambiguously demonstrate anisotropic spin dynamics in bilayer heterostructures comprising graphene and tungsten or molybdenum disulphide (WS2, MoS2). We observe that the spin lifetime varies over one order of magnitude depending on the spin orientation, being largest when the spins point out of the graphene plane. This indicates that the strong spin–valley coupling in the transition metal dichalcogenide is imprinted in the bilayer and felt by the propagating spins. These findings provide a rich platform to explore coupled spin–valley phenomena and offer novel spin manipulation strategies based on spin relaxation anisotropy in two-dimensional materials., This research was partially supported by the European Research Council under Grant Agreement 306652 SPINBOUND, by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Grant Agreement 696656, by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, MINECO (under Contracts MAT2016-75952-R and Severo Ochoa SEV-2013-0295), and by the CERCA Programme and the Secretariat for Universities and Research, Knowledge Department of the Generalitat de Catalunya 2014 SGR 56. J.F.S. acknowledges support from the MINECO Juan de la Cierva program and M.V.C. and F.B. from the MINECO Ramón y Cajal programme.

Màster Oficial de Ciència i Tecnologia Quàntiques / Quantum Science and Technology, Facultat de Física, Universitat de Barcelona. Curs: 2021-2022. Tutors: Juan F. Sierra, Sergio O. Valenzuela, Motivated by the recent discovery of 2D materials with ferromagnetic order and the continuous advances in the fabrication of artificial van der Waals heterostructures, the experimental work carried out in this master thesis focuses on proximity-induced magnetism in high spin-orbit layered materials. In particular, we have investigated magneto-transport and anomalous Hall effects in the van der Waals system WTe2/CGT. This is the preliminary step towards the realization of the QAHE, which requires the co-integration of monolayer WTe2 with a perpendicular magnetized 2D ferromagnet. Our experiments show that AHE is present on our samples, but this key observation is not a definitive proof of proximity-induced magnetism, but due to shunting of the electrical current to the CGT layer with an increased conductivity attributed to doping caused by thermal annealing. We have observed that the doping is also linked to an enhanced anisotropy and Curie temperature of CGT. The findings claim for a thorough revision of recent reports of the AHE induced by CGT in adjacent high spin-orbit materials.

We report the synthesis and comprehensive study of two chromophores based on 4H-pyranylidene moiety as a part of the π-conjugated spacer. Triphenylamine (TPA) acts as donor and tricarbonitrile-based electron-accepting groups complete these V-shaped D–A–D architectures (A, acceptor; D, donor). Their electrochemical, photophysical and nonlinear optical properties are analyzed in detail by using a joint experimental and theoretical approach. The two chromophores exhibit near-infrared fluorescence, large Stokes shift, enhanced emission in tetrahydrofuran/water mixtures and good photostability. Additionally, the dimerization of triphenylamine groups to tetraphenylbenzidine (TPB) takes place upon electrochemical and chemical oxidation showing their peculiar electrochemical behavior and film formation capabilities. Interestingly, high molecular first hyperpolarizabilities and two-photon absorption cross-sections were found, highlighting their potential applications in electro-optical devices. Overall, our work demonstrates that these near-infrared (NIR) fluorescent chromophores are versatile materials with a myriad of applications ranging from optoelectronics to biological applications., The work at the University of Málaga was funded by the MICINN (PID2019-110305GB-I00, PID2019-104293GB-I00, RTI2018-095410-B-I00, EuroNanoMed 2019 PCI2019-111825-2), the Institute of Health Carlos III (ISCIII) RETIC ARADYAL (RD16/0006/0012) and by the Junta de Andalucıa (P09-FQM-4708, UMA18-FEDERJA-080, UMA18-FEDERJA-007, PIER-0084-2019). The work at the University of Zaragoza was funded by the MICINN (PID2019-104307GB-I00/AEI/10.13039/501100011033) and Gobierno de Aragón (E47_20R). The work at the University of Stuttgart was funded by the German Science Foundation (DFG) through the project “LU 1445/7-1, project number 416982273” on electrooptical hybrid modulators, C. Malacrida is acknowledged for discussions. S. G.-V. thanks the MINECO for a FPU predoctoral fellowship (FPU17/04908) and CB-M for FPU fellowship (FPU16/02516). Computer resources, technical expertise and assistance provided by the SCBI (Supercomputing and Bioinformatics) centre of the University of Málaga are gratefully acknowledged. We thank the Vibrational spectroscopy lab (EVI) of the Research Central Services (SCAI) of the University of Málaga and John Pearson (BIONAND) for help with laser confocal microscopy analysis. We gratefully acknowledge the ICTS “NANBIOSIS” facilities, more specifically the U28 Unit of the Andalusian Centre for Nanomedicine & Biotechnology (BIONAND), for their help with the 2PA characterization and the microscopy studies.

La gestió tèrmica és un problema crític en el disseny de dispositius nanoelectrònics. Les solucions de refredament avançades i la recol·lecció eficient d'energia són clau per mantenir la tendència de productes electrònics cada vegada més petits i ràpids. Aquesta tesi se centra en la gestió tèrmica i l'ús de calor dissipada en materials emergents per a l'electrònica. En particular, els materials bidimensionals (2DM) i heteroestructures d'aquests són dels candidats més interessants per al futur de l'electrònica i s'estan investigant intensament. En aquesta tesi, s'exploren dos temes principals: (i) el transport tèrmic de 2DMs suspesos, inclòs el grafè CVD, dicalcògens de metalls de transició (TMDC) i heteroestructures de TMDC amb nitrur de bor hexagonal (hBN); i (ii) les propietats tèrmiques i de termoelectricitat de les pel·lícules primes (Bi1-xSbx)2Te3 (BST). Aquests materials s'estan considerant per interconnexions i transistors fins als THz (grafè), per a electrònica digital (TMDCs) i per a aïllament elèctric (hBN) i són ben coneguts com a generadors termoelèctrics, com ho són també materials recentment identificats com a aïllants topològics (BST). En primer lloc, l'objectiu era mesurar la conductivitat tèrmica de 2DMs utilitzant el mètode d'espectroscòpia Raman de dos làsers, recentment desenvolupat. La implementació fou dificultada per l'ús de membranes relativament petites obtingudes dels materials investigats i la seva alta conductivitat tèrmica. Demostràrem que la conductivitat tèrmica del grafè CVD és d'aproximadament 300 W/(m·K). Encara que menor que en el grafè exfoliat, això podria ser degut a les fronteres de gra i al desordre en el grafè CVD. Demostràrem també que les conductivitats tèrmiques de MoS2 i MoSe2 exfoliats (dos TMDC) són de 12 a 24 W/(m·K) i 60 W/(m·K), respectivament. I que per a membranes primes (de poques monocapes) de MoS2, la conductivitat incrementa amb el gruix. Afegint una membrana de hBN exfoliada sobre una mostra de MoS2 prèviament caracteritzada demostràrem un augment notable de la conductivitat tèrmica en l'heteroestructura de hBN/MoS2, quan s'introdueix calor al MoS2. Aquesta presenta una conductivitat tèrmica de 185 W/(m·K), gairebé un ordre de magnitud més gran que el MoS2 sol. En segon lloc, capes primes de BST crescudes mitjançant epitàxia de feix molecular s'estudiaren amb l'objectiu de correlacionar-ne les propietats termoelèctriques amb el seu nivell de Fermi, que sintonitzaria el pes relatiu del transport de volum i dels estats topològics de superfície (TSS). Primer demostràrem que és possible dissenyar l'estructura de la banda i ajustar el nivell de Fermi des de la valència fins a la banda de conducció simplement controlant la concentració de Sb. La demostració s'aconseguí utilitzant espectroscòpia de fotoemissió amb resolució angular en combinació amb conductivitat elèctrica i mesures d'efecte Hall en pel·lícules relativament primes (10 nm). S'identificà la concentració de Sb a la qual els TSSs dominen el transport i es dugueren a terme experiments termoelèctrics en les mateixes capes. No es trobà una correlació clara entre l'energia termoelèctrica i la naturalesa dels portadors de càrrega quan els TSSs eren dominants. Això indica que el transport dels TSSs té una influència limitada en les propietats termoelèctriques d'aquest material, i que per tal d'observar els efectes de superfície es necessitarien capes encara més primes. Finalment, una caracterització de les capes primes de BST usant espectroscòpia Raman demostrà variacions específiques en el comportament associat a la concentració de Sb. En particular, l'augment de la potència del làser va donar lloc a l'aparició de pics Raman no actius d'origen indeterminat. Aquests pics poden indicar la ruptura de simetries estructurals, modes de fonó de superfície o altres efectes com ara ressonàncies plasmòniques que són d'alt interès. La inesperada resposta observada en l'espectre Raman hauria de motivar investigacions addicionals. La gestión térmica es un problema crítico en el diseño de dispositivos nanoelectrónicos. Las soluciones de enfriamiento avanzadas y la recolección eficiente de energía son clave para mantener la tendencia de productos electrónicos cada vez más pequeños y rápidos. Esta tesis se centra en la gestión térmica y el uso de calor disipado en materiales emergentes para la electrónica. En particular, los materiales bidimensionales (2DM) y las heteroestructuras basadas en ellos son candidatos muy interesantes para el futuro de la electrónica y se están investigando intensamente. La tesis trata dos temas principales: (i) el transporte térmico de 2DMs suspendidos, incluido el grafeno CVD, dicalcogenuros de metales de transición (TMDC) y heteroestructuras de TMDC con nitruro de boro hexagonal (hBN); y (ii) las propiedades térmicas y de termoelectricidad de películas delgadas de (Bi1-xSbx)2Te3(BST). Estos materiales están siendo considerados para interconexiones y transistores hasta THz (grafeno), electrónica digital (TMDCs) y aislamiento eléctrico (hBN) y son bien conocidos como generadores termoeléctricos, como también lo son materiales recientemente identificados como aislantes topológicos (BST). En primer lugar, el objetivo fue medir la conductividad térmica de 2DMs utilizando el método de espectroscopia Raman de dos láser, recientemente desarrollado. El desafío fue el uso de membranas relativamente pequeñas obtenidas y su alta conductividad térmica. Demostramos que la conductividad térmica del grafeno CVD es de aproximadamente 300 W/(m·K). Aunque menor que en el grafeno exfoliado, esto podría deberse a los bordes de grano y al desorden en grafeno CVD. Demostramos también que las conductividades térmicas de MoS2 y MoSe2 exfoliados (dos TMDC) son 12 a 24 W/(m·K) y 60 W/(m·K), respectivamente. Y que para membranas delgadas (pocas monocapas) la conductividad incrementa con su grosor. Agregando una membrana de hBN exfoliada sobre una muestra de MoS2 previamente caracterizada nos permitió demostrar un notable aumento de la conductividad térmica en la heteroestructura de hBN/MoS2, cuando se introduce calor en MoS2. Esta presenta una conductividad térmica de 185 W/(m·K), casi un orden de magnitud mayor que para MoS2. En segundo lugar, se estudiaron películas delgadas de BST crecidas mediante epitaxia de haz molecular con el objetivo de correlacionar sus propiedades termoeléctricas con su nivel de Fermi, que sintonizaría el peso relativo del transporte de volumen y de los estados topológicos de superficie (TSS). Primero demostramos que es posible diseñar la estructura de la banda y ajustar el nivel de Fermi desde la valencia hasta la banda de conducción simplemente controlando la concentración de Sb. Para ello se utilizó espectroscopia de fotoemisión con resolución angular en combinación con conductividad eléctrica y mediciones de Hall en películas relativamente delgadas (10 nm). También se identificó la concentración de Sb a la que los TSSs dominan el transporte y se llevaron a cabo experimentos termoeléctricos en las mismas películas. No se encontró una correlación clara entre la energía termoeléctrica y la naturaleza de los portadores de carga cuando los TSSs eran dominantes, indicando que el transporte de los TSSs tiene una influencia limitada en las propiedades termoeléctricas de este material y que para observar los efectos de superficie se necesitarían películas más delgadas. Finalmente, una caracterización de las películas delgadas de BST usando espectroscopia Raman demostró variaciones específicas en el comportamiento asociado a la concentración de Sb. En particular, el aumento de la potencia del láser dio lugar a la aparición de picos Raman no activos de origen indeterminado. Estos picos pueden indicar la ruptura de simetrías estructurales, modos de fonón de superficie u otros efectos tales como resonancias plasmónicas que son de alto interés, una respuesta que debería motivar investigaciones adicionales. Thermal management is becoming a critical issue in the packaging and design of nanoelectronics. Advanced cooling solutions and efficient energy harvesting are key aspects to help keep the trend for ever smaller and faster electronics. This thesis is focused on thermal management and the use of heat waste in emerging materials for electronics. In particular, two-dimensional materials (2DM), and related heterostructures, are amongst the most intriguing prospects for future electronics and are being intensively investigated. Here, two main subjects were explored. First, the thermal transport of suspended 2DMs, including CVD graphene, transition metal dichalcogenides (TMDCs) and heterostructures of TMDCs with hexagonal boron nitride (hBN) and, second, the thermal properties and thermoelectricity of (Bi1-xSbx)2Te3 (BST) thin films. These materials are being considered for interconnects and THz transistors (graphene), digital electronics (TMDCs) and electrical insulation (hBN) and are well known as thermoelectric generators, as are also materials that have recently been identified as topological insulators (BST). In the first part, the objective was to demonstrate the measurement of the thermal conductivity of 2DMs using the recently developed two-laser Raman spectroscopy method. Its implementation was rendered difficult by the relatively small exfoliated flakes of the materials investigated and their high thermal conductivity. The thermal conductivity of CVD graphene was found to be about 300 W/(m·K). Although smaller than exfoliated graphene, it is argued that this could be due to grain boundaries and disorder. Exfoliated MoS2 and MoSe2 (two well-known TMDCs) presented thermal conductivities of 12 to 24 W/(m·K) and 60 W/(m·K). Measurements on different membranes of MoS2 further showed that the conductivity increases with the thickness in thin membranes (few monolayers). Furthermore, stacking an exfoliated hBN membrane on top of a previously characterized MoS2 sample allowed us to demonstrate a notorious increase of the thermal conductivity in the hBN/MoS2 heterostructure, when heat is introduced on MoS2. Indeed, when compared with MoS2 alone the thermal conductivity is found to be almost one order of magnitude larger, 185 W/(m·K). For the second part, BST thin films were grown by molecular beam epitaxy. The main objective was to investigate the correlation of the thermoelectric properties of these materials with the Fermi level, which would tune the relative weight of bulk and topological surface state (TSS) transport. It was first demonstrated that controlling the concentration of Sb we could engineer the band structure and tune the Fermi level from the valence to the conduction band. Such demonstration was achieved by using angle-resolved photoemission spectroscopy in combination with conductivity and Hall measurements in relatively thin (10 nm) films. The Sb concentration at which TSS dominated the transport was also identified. Thermoelectric experiments on the same films were then carried out but no clear correlation between the thermopower and the carrier nature was found when the TSSs were dominant. These results indicate that TSS transport has limited influence on the thermoelectric properties. Further studies should be carried our using even thinner films. Finally, a side characterization of the BST thin films using Raman spectroscopy demonstrated specific variations in the behaviour associated to Sb concentration. An increase of the laser power showed the emergence of non-active Raman peaks of undetermined origin. However, they can indicate the presence of broken structural symmetries, surface phonon modes or other effects such as plasmonic resonances. This interesting response is worthy of for further investigation. Universitat Autònoma de Barelona. Programa de Doctorat en Física

Aquest treball s’emmarca dins els camps de l’espintrònica i la spin-orbitrònica, l’objectiu final del qual és controlar el grau de llibertat de l’espín de l’electró mitjançant l’acoblament spin-òrbita (SOC) en sistemes d’estat sòlid. La recerca d’un major control de l’espín ha pres una direcció emocionant amb l’aïllament i posterior demostració de la injecció d’espín en grafè. Degut al baix SOC intrínsec del grafè, els espins poden viatjar distàncies llargues a través de la seva xarxa cristal·lina, la qual cosa fa del grafè un canal ideal per al transport d’espins. Tanmateix, el SOC feble del grafè inhibeix la manipulació i la creació de les corrents d’espín mencionades, fonamentals per tal d’implementar amb èxit dispositius basats en l’espín de l’electró. Aquesta limitació pot ser superada augmentant el SOC a través d’efectes de proximitat amb els dicalcogenurs de metalls de transició (TMDC) en estructures de van der Waals heterogènies. Els TMDC són semiconductors bidimensionals que posseeixen un SOC intrínsec fort. En aquesta tesi, utilitzant mesures de transport d’espín, investiguem el SOC induït en el grafè per la proximitat dels TMDC per aconseguir dos objectius principals: 1. Obtenir indicis d’un augment en l’acoblament spin-òrbita i espín-vall en el grafè modificat per la proximitat amb un TMDC semiconductor utilitzant mesures de transport d’espín. 2. Estudiar la possibilitat de generar corrents d’espín utilitzant l’acoblament espín-òrbita induït en el grafè, eina fonamental per a la generació i detecció d’espins sense utilitzar materials magnètics. Per aconseguir aquests objectius, s’han dedicat molts esforços a la fabricació de mostres acuradament dissenyades, a adaptar i proposar protocols experimentals basats en mesures de precessió d’espín, i a l’anàlisi i modelatge de les senyals. Com a resultat, s’ha aconseguit fer diverses contribucions rellevants per a la comprensió dels fenòmens de spin-òrbita en heterostructures de grafè i TMDCs, que resumides d’acord amb els objectius són: 1. La demostració inequívoca d’una dinàmica d’espín anisotròpica en heteroestructures que comprenen grafè, WS2, MoS2 i WSe2. Utilitzant mesures de precessió d’espín obliqua i fora del pla, demostrem que el temps de vida de l’espín és més gran quan els spins apunten fora del pla del grafè. Observem que el temps de vida de l’espín varia en un ordre de magnitud depenent de la seva orientació, indicant que el fort acoblament espín-vall de l’TMDC s’imprimeix en el grafè i és percebut pels espins que es propaguen. A més, mostrem que aquesta relaxació anisotròpica d’espín es pot controlar elèctricament, canviant d’un règim altament anisotròpic a un de gairebé isotròpic. Aquestes troballes proporcionen una plataforma per explorar fenòmens d’acoblament espín-vall, i ofereixen noves estratègies per a la manipulació d’espín basades en l’anisotropia de relaxació d’espín en materials bidimensionals. 2. La demostració d’una conversió de corrents d’espín a corrents de càrrega, i viceversa, en grafè. Aquesta conversió facilitada per la proximitat de l’grafè amb un WS2 i mesurada a temperatura ambient. Realitzant experiments de precessió d’espín en estructures tipus Hall, separem les contribucions de l’efecte Hall i galvànic de spin. Sorprenentment, les eficiències de conversió d’espín corresponents a cadascun dels mecanismes es poden ajustar tant en magnitud com en signe mitjançant una comporta electrostàtica, essent màximes prop del punt de neutralitat de càrrega del grafè. L’eficiència mesurada d’aquests efectes és comparable a les eficiències més grans publicades fins ara. Aquest grau de control assolit mitjançant camps elèctric proporciona una eina per a la generació de corrents d’espín sense utilitzar materials magnètics, i per a tecnologies de memòries magnètiques ultra compactes. El presente trabajo se encuentra dentro de los campos de la espintrónica y la espín-orbitrónica, cuyo objetivo final es controlar el grado de libertad de espín del electrón mediante el acoplamiento espín-órbita (SOC) en sistemas de estado sólido. La búsqueda de un mayor control del espín del electrón ha tomado una dirección emocionante con el aislamiento y la posterior demostración de la inyección de espín en grafeno. Debido al bajo SOC intrínseco del grafeno, los espines pueden viajar largas distancias a través de su red cristalina, lo que convierte al grafeno en un canal ideal para el transporte de espines. Pero al mismo tiempo, el bajo SOC del grafeno inhibe la manipulación y la creación de dichas corrientes de espín, fundamentales para implementar con éxito dispositivos basados en el espín. Sin embargo, podemos superar esta limitación aumentando el SOC del grafeno mediante los efectos de proximidad con los dicalcogenuros de metales de transición (TMDC) en estructuras de van der Waals. Los TMDC son semiconductores bidimensionales que poseen un SOC intrínseco fuerte. En esta tesis, utilizando medidas de transporte de espín, investigamos el SOC inducido en el grafeno por la proximidad a los TMDC para lograr dos objetivos principales: 1. Obtener indicios de un aumento en el acoplamiento espín-órbita y espín-valle en el grafeno modificado por la proximidad a un TMDC semiconductor utilizando medidas de transporte de espín. 2. Estudiar la posibilidad de generar corrientes de espín utilizando el acoplamiento espín-órbita inducido en el grafeno, herramienta fundamental para la generación y detección de espines sin usar materiales magnéticos. Para lograr tales objetivos, se han dedicado muchos esfuerzos a la fabricación de muestras cuidadosamente diseñadas, a adaptar y proponer protocolos experimentales basados en medidas de precesión de espín, y a el análisis y modelado de las señales. Como resultado, se han logrado varias contribuciones relevantes para la comprensión de los fenómenos de espín-órbita en heteroestructuras de grafeno y TMDCs, las cuales resumidas acorde a los objetivos son: 1. La demostración inequívoca de una dinámica de espín anisotrópica en heteroestructuras que comprenden grafeno, WS2, MoS2 y WSe2. Utilizando mediciones de precesión de espín oblicua y fuera del plano, mostramos que el tiempo de vida del espín es mayor cuando los espines apuntan fuera del plano del grafeno. Observamos, además, que el tiempo de vida del espín varía en un orden de magnitud dependiendo de su orientación, lo que indica que el fuerte acoplamiento espín-valle del TMDC se imprime en el grafeno y es percibido por los espines que se propagan. Además, mostramos que dicha relajación anisotrópica de espín se puede controlar eléctricamente, cambiando de un régimen altamente anisotrópico a uno casi isotrópico. Estos hallazgos proporcionan una plataforma para explorar fenómenos de acoplamiento espín-valle, y ofrecen nuevas estrategias para la manipulación de espín basadas en la anisotropía de relajación de espín en materiales bidimensionales. 2. La demostración de una conversión de corrientes de espín a corrientes de carga, y viceversa, en grafeno. Dicha conversión es medida a temperatura ambiente y mediada por la proximidad del grafeno a un WS2. Realizando experimentos de precesión de espín en estructuras tipo Hall, separamos las contribuciones del efecto Hall y galvánico de espín. Sorprendentemente, sus correspondientes eficiencias de conversión se pueden ajustar tanto en magnitud y signo mediante una compuerta electrostática, siendo máximas cerca del punto de neutralidad de carga del grafeno. La eficiencia medida de estos efectos es comparable a las eficiencias más grandes reportadas hasta la fecha. Tal grado de control alcanzado mediante campos eléctrico proporciona una herramienta para la generación de corrientes de espín sin usar materiales magnéticos, y para tecnologías de memorias magnéticas ultra compactas. The presented work is within the fields of spintronics and spin-orbitronics, whose final aim is to control the electron's spin degree of freedom via the spin-orbit coupling (SOC) in solid-state systems. The quest for greater control of the electron's spin has taken an exciting direction with the isolation and later demonstration of spin injection in graphene. Because of the graphene intrinsic low SOC, spins can travel over long distances through its crystal lattice, resulting in an ideal channel for the spin transport. But at the same time, the graphene's low SOC inhibits the manipulation and the generation of spin currents, which are the cornerstone for implementing spin-based devices successfully. We can get over this limitation by enhancing graphene's SOC by proximity with transition metal dichalcogenides (TMDCs) in van der Waals heterostructures. TMDCs are two-dimensional semiconductors that possess a strong intrinsic SOC. In this thesis, using spin transport measurements, we investigate the induced SOC in graphene by the proximity to TMDCs to achieve two main objectives: 1. Obtain signatures of an enhanced spin-orbit and spin-valley coupling in graphene by proximity to a semiconducting TMDC using spin transport measurements. 2. Study the possibility to generate spin currents using the induced spin-orbit in graphene, which would be a building block for spin generation and detection free from magnetic materials. To achieve such objectives, many efforts have been devoted to fabricating carefully designed samples, adapting and proposing experimental protocols based on spin precession measurements, and in the analysis and modeling of the signals. As a result, several relevant contributions to the understanding of spin-orbit phenomena in graphene/TMDCs have been achieved, which summarized according to the objectives are: 1. The unambiguous demonstration of anisotropic spin dynamics in heterostructures comprising graphene, WS2, MoS2, and WSe2. Using out-of-plane and oblique spin precession measurements, we show that the spin lifetime is largest when the spins point out of the graphene plane. We observe that the spin lifetime changes over an order of magnitude depending on the spin orientation, indicating that the strong spin-valley coupling of the TMDC is imprinted in the graphene and felt by the propagating spins. Moreover, we show that such anisotropic spin relaxation can be electrically controlled, changing from a highly anisotropic to a nearly isotropic regime. These findings provide a rich platform to explore coupled spin-valley phenomena and offer novel spin manipulation strategies based on spin relaxation anisotropy in two-dimensional materials. 2. The demonstration of strongly enhanced room-temperature spin-to-charge interconversion in graphene driven by the proximity of WS2. By performing spin precession experiments in Hall bars, we separate the contributions of the spin Hall and the spin galvanic effects. Remarkably, their corresponding conversion efficiencies can be tailored by electrostatic gating in magnitude and sign, peaking nearby the charge neutrality point with an equivalent magnitude that is comparable to the largest efficiencies reported to date. Such an electric-field tunability provides a building block for a spin-generation free from magnetic materials, and for ultra-compact magnetic memory technologies. Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Física

Spintronics and spin caloritronics in graphene are recently very active fields of research, and this thesis is a contribution to both. The main topic is the study of spin currents in graphene non local spin valves via means of electrical spin injection and detection. In a preliminary work, we analytically investigate the tunneling process of conduction electrons between ferro- and non magnetic materials. On the experimental side, we report on spin precession in freely suspended graphene spin valves. In this context, we have developed a novel method for the fabrication of freely suspended graphene devices, which additionally is beneficial for the spin injection/detection efficiency of the devices. In order to investigate these enhanced spin signals, we have performed bias dependent measurements, which lead to the experimental demonstration of a spin thermocouple in graphene. In order to investigate tunneling of conduction electrons between ferro- and non magnetic electrodes, we have developed a theoretical model based on the analytical solution of the one-dimensional, time-independent Schrˆdinger equation. The model shows that a complex behavior of the polarization is intrinsic to the tunneling process of electrons between ferro- and non magnetic materials. Spin relaxations times of several tens of micrometers in graphene have been predicted. A promising approach to studying the intrinsic properties of graphene is to suspend the flakes, thus eliminating the influence of the substrate and enabling cleaning methods. In order to achieve this, we have developed a method to fabricate freely suspended graphene non local spin valves that involves a minimal number of steps and chemicals. Since the method is acid free, the yield of high quality, as-processed devices is notably improved when comparing to the standard fabrication process. Therefore, our as-processed devices exhibit excellent mobility, as high as 20000 cm^2/(Vs) at room temperature. We demonstrate electrical detection of spin precession, allowing us to extract the spin relaxation length in these devices, finding values of a few micrometers. We expect that by applying cleaning methods to freely suspended spin valves, it will be possible to investigate the origins of spin relaxation in intrinsic graphene. We have further observed enhanced spin injection/detection efficiency in our devices. We attribute the enhancement to the formation of an amorphous carbon layer at the interface between graphene and ferromagnet due to electron beam induced deposition. The interfaces are stable even for large applied bias current densities. We obtain a 10000x enhancement of the spin signal as compared to Ohmic contacts, but expect further increase after optimizing the deposition method. The increased contact resistance and spin accumulation suggests that the interface has a combination of Ohmic and tunneling properties. The simplicity and transferability of the fabrication process is in contrast to those of the conventional insulators used in spintronics. Therefore, we expect that amorphous carbon barriers are a viable alternative, which might improve the spin injection/detection efficiency in other materials as well., Finally, we have performed bias dependent measurements in our samples, observing a novel phenomenon which is due to the particular properties of graphene such as its energy dependent mobility. We demonstrate an anomalous enhancement of the spin accumulation at the Dirac point, which is caused by heating in the injector contacts. Because of this higher order contribution to the spin accumulation, the electrochemical potentials of the spin sub bands exhibit supralinear behavior as a function of the bias current. The spin splitting becomes so large that at the Dirac point we observe a huge quantity of carriers of opposite spin and charge. We show that this constitutes a spin thermocouple, where the thermoelectric voltage between spin up and spin down enhances the total spin accumulation.

Density functional theory (DFT) is an approach to overcome the intractability of interacting quantum mechanical many-body problems: DFT recasts an interacting many-body equation into a set of self-consistent noninteracting single-particle equations, the so-called Kohn–Sham (KS) equations. This chapter gives an overview of some of the essential ideas underlying DFT and considers one example of widely used implementation of DFT, the plane-wave pseudopotential method. It focuses on two aspects indispensable for studying topological insulators (TIs): techniques for including spin–orbit interactions (SOIs) and evaluating Z2 topological invariants. The chapter demonstrates how DFT can be used for studying the bismuth chalcogenides Bi2Se3 and Bi2Te3 taken as generic examples of bulk Tls. It discusses some of their very basic properties such as bulk band structures, band dispersions, and spin textures of the topological states at the surfaces of these materials.