Synchrotron radiation photoemission spectroscopy study of antiferromagnetic Mn2Au and Heusler compound Co2MnSi for promising spintronic applications

This thesis deals with a synchrotron radiation photoemission spectroscopy investigation of two novel materials for future promising spintronic applications. We studied epitaxial grown thin lms of antiferromagnetic intermetallic compund Mn2Au, and ferromagnetic Heusler compound Co2MnSi. Recently, these materials displayed excellent magnetic properties. Nevertheless, no detailed study of their experimental band structure is available so far. The accomplishment of this task is required to fully understand the physics behind the key properties of Mn2Au and Co2MnSi. The main purpose of this work was to observe the band structures of these materials for the rst time, and to nd experimental evidences of the theoretical calculations. A signi cant part of this study involved the optimization of the sample preparation process employed to remove the oxidation protection layers. In order to comprehend its e ectiveness, an accurate analysis of the X-ray photoemission spectroscopy (XPS) spectra was conducted. Angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) measurements allowed us to distinctly detect and analyse Mn2Au surface states, and a good agreement with the calculated band structure was observed. Worse quality data were obtained from the experiments on Co2MnSi, mainly because of its well known high reactivity. Nonetheless, the experimental Fermi surface symmetry appeared to perfectly match the predicted one. The great amount of informations obtained from this analysis constitute a solid basis for future developments. Moreover, the adherence of the observations with the predictions stimulates improved investigations. The overall thesis is organized in ve chapters as follows: Capter 1, Introduction. Brief introduction on spintronic devices and presentation of Mn2Au and Co2MnSi magnetic properties. Capter 2, Experimental apparatus. Description of the beamline endstation and the working principles of the employed instruments. Capter 3, Data analysis tools and theoretical models. Discussion of the theoretical models adopted to interpret the data, and description of the employed analysis tools. Capter 4, Results. Presentation of the elaborated experimental data and comparison with the predicted calculations. Capter 5, Conclusions and future work. Summary of the main results, conclusions and perspectives for future developments

Questo lavoro di tesi riguarda lo studio di due nuovi materiali per applicazioni promettenti nell'ambito della spintronica, mediante spettroscopia di fotoemissione da radiazione di sincrotrone. Sono stati analizzati lm epitassiali del composto antiferromagnetico Mn2Au, e della lega ferromagnetica di Heusler Co2MnSi. Recentemente, questi due materiali hanno dimostrato eccellenti propriet a magnetiche. Tuttavia, non e disponibile a tutt'oggi alcuna osservazione diretta della loro struttura a bande. Un tale studio e di fondamentale importanza per comprendere a fondo i principi sici alla base delle peculiari caratteristiche del Mn2Au e del Co2MnSi. Il principale obiettivo di tale lavoro e stato, pertanto, l'osservazione della struttura a bande dei suddetti materiali per la prima volta, con lo scopo di trovare corrispondenze con i calcoli teorici. L'ottimizzazione del processo di preparazione dei campioni, che consiste nel rimuovere gli strati impiegati come protezione all'ossidazione, costituisce una sostanziale parte dello studio. Un'accurata analisi degli spettri di fotoemissione da raggi X (XPS) e stata e ettuata per comprendere l'e cacia di tale processo. Misure di fotoemissione risolta in angolo (ARPES) sul Mn2Au ci hanno consentito di analizzare gli stati di super cie, i quali hanno mostrato un ottimo accordo con la struttura a bande calcolata teoricamente. Le misurazioni sul Co2MnSi hanno fornito dati di peggiore qualit a, principalmente a causa della sua ben nota reattivit a elevata. Ciononostante, la simmetria della super cie di Fermi ricavata sperimentalmente sembra ricalcare perfettamente quella prevista teoricamente. La grossa mole di informazioni ottenute da questa analisi costituisce una solida base per futuri sviluppi. Inoltre, l'aderenza riscontrata tra le osservazioni sperimentali e le previsioni teoriche rappresenta un forte stimolo per ulteriori studi. La tesi e organizzata nei seguenti cinque capitoli: Capitolo 1, Introduzione. Breve introduzione ai dispositivi spintronici e presentazione delle propriet a magnetiche del Mn2Au e del Co2MnSi. Capitolo 2, Apparato sperimentale. Descrizione della sezione nale della beamline e dei principi di funzionamento degli strumenti impiegati. Capitolo 3, Strumenti per l'analisi dei dati e modelli teorici. Discussione dei modelli teorici adottati per l'interpretazione dei dati, e descrizione degli strumenti di analisi utilizzati. Capitolo 4, Risultati. Presentazione dei dati processati e confronto con i calcoli teorici. Capitolo 5, Conclusioni e futuri sviluppi. Riassunto dei principali risultati, conclusioni e idee per futuri sviluppi.