Bismuth thin films on Vicinal Ge(111) substrates : a spin-resolved photoemission study

This study explores the growth of bismuth (Bi) films on vicinal germanium (Ge) substrates, with a particular focus on surfaces cut off-axis, and their implications for spintronics applications. A combination of high-surface sensitive SP-ARUPS and SP-ARIPES enabled the detailed analysis of the electronic properties of the deposited film. Additionally, LEED was used to study the crystallographic pattern of the surface. The films were deposited in an ultra-high vacuum environment using MBE, ensuring precise control over film growth, on vicinal surfaces and revealed an intriguing behavior dependent on the miscut angle, even in 10-nm thick films. The metastable behavior of Bi films is affected by the vicinal crystal orientation and terrace width, unveiling the possibility to obtain highly oriented PC films and/or highly oriented stepped Bi(111) terraces of nanometric size. In particular, the study reports the first successful realization of a vicinal hexagonal Bi film, characterized by a high density of steps at the surface, while preserving the peculiar spin-resolved properties observed on flat Bi(111) surfaces. This study contributes to the field of spintronics by using controlled growth conditions and in-situ characterization techniques to advance the existing knowledge on bismuth film growth on vicinal surfaces. The findings of this work highlight the potential of vicinal surfaces to open up new possibilities for the exploration of the exotic spin properties of Bi films by exploiting novel bulk-boundary geometrical relations.

Questo studio esplora la crescita di film di bismuto (Bi) su substrati di germanio (Ge) vicinali, con un focus particolare sulle superfici tagliate fuori asse, e le loro implicazioni per le applicazioni spintroniche. L'uso combinato di SP-ARUPS e SP-ARIPES, altamente sensibili alla superficie, ha permesso un'analisi dettagliata delle proprietà elettroniche del film depositato. Inoltre, la diffrazione da elettroni a bassa energia è stata utilizzata per studiare il pattern cristallografico della superficie. I film sono stati depositati in un ambiente ad ultra-alto vuoto utilizzando MBE, garantendo un controllo preciso sulla crescita del film, su superfici vicinali e hanno rivelato un comportamento intrigante dipendente dall'angolo di miscut, anche in film spessi 10 nm. Il comportamento metastabile dei film di Bi è influenzato dall'orientamento cristallino vicinale e dalla larghezza delle terrazze, svelando la possibilità di ottenere film PC altamente orientati e/o terrazze Bi(111) scalinate altamente orientate di dimensioni nanometriche. In particolare, lo studio riporta la prima realizzazione di successo di un film di Bi esagonale vicinale, caratterizzato da un'elevata densità di gradini in superficie, pur preservando le peculiari proprietà spin-risolte osservate sulle superfici piatte Bi(111). Questo studio contribuisce al campo della spintronica utilizzando condizioni di crescita controllate e tecniche di caratterizzazione in-situ per avanzare la conoscenza esistente sulla crescita di film di bismuto su superfici vicinali. Le scoperte di questo lavoro evidenziano il potenziale delle superfici vicinali per aprire nuove possibilità nell'esplorazione delle esotiche proprietà spin dei film di Bi sfruttando nuove relazioni geometriche tra bulk e bordi del campione.