Atomic scale investigation of the early stages of cobalt oxidation

In this thesis work early stages of oxidation of a ultra-thin film of metastable cubic cobalt was studied. The film was deposited, with the Molecular Beam Epitaxy (MBE) technique, on a Fe(001)-p(1x1)O substrate. The subsequent oxidation (from 2 L up to 120 L) was performed with the post oxidation technique heating the film at 200 C. To study the above sample Auger Electron Spectroscopy (AES), Low Energy Electron Diffraction (LEED) and Scanning Tunneling Microscopy (STM) were used. The crystalline structure of the iron substrate and the cobalt film was investigated by LEED. From the AES data, it was possible to observe that oxygen floats to the surface during the cobalt deposition and that there is low intermixing of iron with the uppermost film. Moreover, it was observed that the oxidation takes place only on the surface of the cobalt film. A small oxidation of the iron substrate was anyway not excluded. From the STM data, it was possible to distinguish metallic cobalt from oxide islands, which present a relative height variation with respect to the different tunneling parameters. The coverage analysis of the first and the second oxide layers confirm a layer-by-layer growth mode. A topographic study evidences the presence of states in the oxide gap, whose nature is attributed to surface defects and to the coupling at the interface with the metallic cobalt. An electronic gap of 2.3 eV was estimated by Scanning Tunnelling Spectroscopy (STS) measurements. It was also detected a band bending in the oxide, attributed to a charge transfer at the surface and/or at the interface with the underlying cobalt. Supported by the topographic study, CoO was seen to grow in the rocksalt structure rotated in plane by 45 , with respect to the bct cobalt lattice, exposing the CoO(001) surface.

In questo lavoro di tesi sono state studiate le prime fasi di ossidazione di un film ultrasottile di cobalto metastabile. Il film di cobalto é stato depositato, con la tecnica Molecular Beam Epitaxy (MBE), sul substrato Fe (001)-p(1x1)O. La successiva ossidazione (da 2 L fino a 120 L) é stata eseguita con la tecnica di post-ossidazione riscaldando il campione a 200 C. Per studiare il suddetto campione sono state utilizzate Auger Electron Spectroscopy (AES), Low Energy Electron Diffraction (LEED) e Scanning Tunneling Microscopy (STM). Una struttura cristallina del substrato di ferro e del film di cobalto é stata indagata con il LEED. Dai dati AES, é stato possibile osservare che l’ossigeno segrega sulla superficie durante la deposizione di cobalto e che si verifica un ridotto intermixing di ferro con il film soprastante. Inoltre, é stato osservato che l’ossidazione avviene solo alla superficie di cobalto. Comunque, una ridotta ossidazione del substrato di ferro non é stata esclusa. Dai dati STM, é stato possibile distinguere il cobalto metallico dalle isole di ossido, che presentano una variazione di altezza (misurata dal substrato di cobalto) cambiando i parametri di tunneling. Un’analisi di coverage (ricoprimento) del primo e del secondo strato di ossido, confermano una modalitá di crescita layer-by-layer. L’analisi topografica evidenzia la presenza di stati nella gap dell’ossido, i quali sono stati attribuiti alla presenza di difetti superficiali e all’accoppiamento all’interfaccia dell’ossido con il cobalto metallico. Una gap di 2.3 eV é stata stimata con le misure STS (Scanning Tunneling Spectroscopy). É stato inoltre rilevato un band bending dell’ossido, attribuito ad un trasferimento di carica in corrispondenza della superficie e/o all’interfaccia con il cobalto sottostante. Sulla base dei risultati topografici, CoO é stato visto crescere con la struttura rocksalt ruotata di 45 rispetto al reticolo bct del cobalto, esponendo la faccia CoO(001) alla superficie.