Studio dell'interazione di spin-orbita in film sottili di bismuto cresciuti su Ge(111)-c(2x8) mediante spettroscopia di fotoemissione e fotoemissione inversa

Tuning the spin-orbit interaction is of fundamental interest in view of its application in spintronic devices, expecially if the generation and manipulation of spin-polarized electrons is obtained without requiring an external magnetic field. This possibility is achieved when heavy metal elements are deposited on semiconductors, due to the inversion-symmetry breaking that occurs at the surface and the presence of a heavy nucleus, which enhances the spin-orbit interaction. In this context, a model system is represented by Bi thin films grown on the Ge(111)-c(2x8) surface. In fact, Bi is the most stable element among metals with a large atomic number, while Ge(111) is one of the most studied surfaces both from the experimental and theoretical point of view. In this thesis, I study the evolution of structural and electronic properties of the Bi/Ge(111)-c(2x8) system as a function of the Bi film thickness, using LEED, photoemission and inverse photoemission techniques. Following the changes of the spin-orbit interaction at different growth steps, a significant decrease of its intensity is observed after some Bi monolayers, interpreted in terms of a progressive delocalization of surface electronic states. Finally, as the spin-orbit interaction produces spin polarized electronic states, the photoemission spectra were also analyzed with the support of a Mott detector which allowed us to confirm the spin separation of the electronic bands.

Poter variare con regolarità l'entità dell'interazione di spin-orbita è di fondamentale interesse per lo sviluppo di dispositivi spintronici, soprattutto se la generazione e manipolazione di elettroni spin polarizzati non avviene tramite campi magnetici applicati. Tale possibilità si può ottenere quando elementi di metalli pesanti vengono depositati su substrati semiconduttivi come conseguenza della rimozione della simmetria di inversione che avviene in superficie e della presenza di un nucleo pesante che può quindi influenzare l'interazione di spin-orbita. Un sistema modello per studiare la variazione dell'interazione di spin-orbita è rappresentato da film sottili di bismuto cresciuti sulla superficie di Ge(111)-c(2x8). Infatti il bismuto è, tra i metalli con numero atomico maggiore, quello più stabile, mentre il Ge(111) è una delle superfici maggiormente studiate e meglio conosciute sia dal punto di vista sperimentale che teorico. In questa tesi si studia l'evoluzione strutturale e delle proprietà elettroniche del sistema Bi/Ge(111)-c(2x8) in funzione dello spessore del film di bismuto depositato, tramite tecniche LEED, fotoemissione e fotoemissione inversa. Seguendo la variazione nell'entità dell'interazione di spin-orbita a diversi ricoprimenti, osserviamo una significativa riduzione dell'interazione a spessori di alcuni monolayer di bismuto che abbiamo interpretato in termini di una progressiva delocalizzazione degli stati elettronici di superficie. Infine, poiché l'interazione di spin orbita produce degli stati elettronici di superficie con polarizzazione in spin, nota in letteratura ma mai misurata direttamente, gli spettri di fotoemissione sono stati analizzati anche tramite il supporto di un rivelatore Mott che ha permesso di confermare la separazione in spin delle bande elettroniche.