Spectroscopic investigations of ferromagnetic surfaces and ferromagnet/antiferromagnet interfaces

Transition metals and their oxides have been widely studied over the last decades because of the great interest in their basic physical properties and in the large range of applications they can be employed into. When dealing with thin films, moreover, the behavior of surfaces and interfaces is not yet fully understood in terms of structural, electronic, and magnetic properties. After an overview on the main peculiar properties of these materials, and an explanation of the spectroscopic techniques used for the characterization, the present dissertation treats two of the most important systems in this field, namely Ni/W and Cr/Fe, of particular importance in spintronics applications. For what concerns the former, the martensitic transition of Ni was analyzed. In this system the bcc-to-fcc transition proceeds through three distinct structural phases as a function of Ni coverage. A pseudomorphic bcc structure observed below 1 Ni monolayer is followed by an intermediate phase showing a (7x 1) surface reconstruction, which eventually evolves into a bulk-like fcc structure. The pseudomorphic Ni bcc phase in the submonolayer regime has particularly attracted the attention since either a paramagnetic or a ferromagnetic ground state is expected depending on the lattice constant. Particular attention is given to the film electronic structure by analyzing the evolution of both occupied and empty electron states by means of angle resolved photoemission and inverse photoemission spectroscopy. The Cr/Fe system has been thoroughly investigated both from the electronic and the magnetic point of view. The peculiarity of thin Cr films to protect the underlying Fe substrate is highlighted, being Fe highly reactive towards oxygen exposure. On the contrary, in the case of Ni, this protection does not take place and, as a consequence of oxygen exposure, Ni atoms tend to be buried, promoting Fe ions segregation towards the surface, and forming a Fe oxide overlayer on top of metallic Ni. The surface magnetic properties of Cr/Fe are analyzed by different techniques, revealing that, if an oxygen monolayer is present on the surface of the Fe substrate, this enables the formation of a sharp interface with the Cr layer grown at high temperature. The effect of this lies in the observation of an antiferromagnetic stacking of Cr magnetic moments starting right from the Cr/Fe interface.

I metalli di transizione e i loro ossidi sono stati ampiamente studiati nell’arco degli ultimi decenni per via del grande interesse verso le loro proprietà fisiche e verso l’ampio spettro di applicazioni in cui possono essere impiegati. Avendo a che fare con film sottili, inoltre, il comportamento di superfici e interfacce non è stato ancora pienamente compreso dal punto di vista delle proprietà strutturali, elettroniche e magnetiche. Dopo una panoramica sulle principali proprietà di questi materiali e un’introduzione alle tecniche spettroscopiche usate per la caratterizzazione, la presente tesi tratta due dei più importanti sistemi in questo campo, più precisamente Ni/W e Cr/Fe, di particolare importanza in applicazioni per la spintronica. Per quanto riguarda il primo, è stata analizzata la transizione martensitica del Ni. In questo sistema la transizione da bcc a fcc procede attraverso tre fasi strutturali distinte in funzione del ricoprimento di Ni. Una struttura bcc pseudomorfica osservata per valori più bassi di 1 monostrato di Ni è seguita da una fase intermedia che mostra una ricostruzione superficiale (7x1), che infine evolve in una struttura fcc di tipo bulk. La fase pseudomorfica bcc del Ni nel regime del sub-monostrato ha attirato l’attenzione in modo particolare, dal momento che, a seconda della costante reticolare, ci si può aspettare uno stato di ground paramagnetico o ferromagnetico. Si dedica particolare attenzione alla struttura elettronica del film analizzando l’evoluzione di entrambi gli stati elettronici occupati e vuoti tramite spettroscopia di fotoemissione e di fotoemissione inversa risolta in angolo. Il sistema Cr/Fe è stato studiato approfonditamente sia dal punto di vista elettronico che da quello magnetico. Si evidenzia la peculiarità dei film sottili di Cr di proteggere il substrato di Fe sottostante, essendo il Fe altamente reattivo nei confronti dell’esposizione all’ossigeno. Al contrario, nel caso del Ni, questa protezione non avviene e, come conseguenza dell’esposizione all’ossigeno, gli atomi di Ni tendono a venire sepolti, promuovendo la segregazione di ioni Fe verso la superficie e formando un sovrastrato di ossido di Fe sopra al Ni metallico. Le proprietà magnetiche di superficie del Cr/Fe sono analizzate con diverse tecniche, rivelando che, se un monostrato di ossigeno è presente sulla superficie del substrato di Fe, questo permette la formazione di un’interfaccia netta con lo strato di Cr cresciuto ad alta temperatura. Questo deriva dall’osservazione dello stacking antiferromagnetico che inizia proprio dall’interfaccia Cr/Fe.