Image charge screening effect on EuO thin films

The aim of the thesis project is to study the change in the value of the Curie temperature in thin films of europium monoxide (EuO) interfaced with magnesium and magnesium oxide Interface effects can indeed dramatically modify the value of some characteristics parameters of materials, and in particular of the so-called correlated systems to which EuO belongs. A relevant part of the work was devoted to the growth and the analysis of the samples, that must be perfectly stoichiometric and of good crystalline quality. To achieve these conditions, we used molecular beam epitaxy (MBE) for the growth of the samples, and RHEED and XRR for the analysis of the crystal quality and the epitaxial growth. The chemical composition was checked with experiments of X-ray spectroscopy (XPS, HAXPES). By investigating the magnetic behaviour of the samples, with the superconducting quantum interference device (SQUID) technique, it was shown the influence of the image charge on the ferromagnetic ordering, and in the end on the Curie temperature, of the thin films of EuO In the last years an increasing interest in EuO emerged due to the technological demand of new performing magnetic materials mainly in the field of spintronics. Its large exchange splitting, which guarantees a spin-filtering of nearly 100%, its relatively simple crystal structure and the large magnetic moment of about 7 µB per functional unit, are promising features for the application of EuO as a spin-filter tunnel barrier in direct contact with Si or GaAs and with metal electrodes. Here, the properties of thin films and surfaces play a major role, an aspect still under investigation. In this context, a project like the one to which this thesis is devoted turns out to be a fundamental testing ground, and the results will enable the development of further studies also on different materials.

L’obiettivo della tesi è di studiare i possibili cambiamenti del punto di transizione ferromagnetica in film sottili di monossido di europio (EuO) interfacciati con magnesio e ossido di magnesio. Gli effetti di interfaccia con un metallo, infatti, possono modificare notevolmente i parametri caratteristici di molti materiali, e in particolare dei cosiddetti sistemi fortemente correlati ai quali il monossido di europio appartiene. Una parte rilevante del lavoro consiste nella crescita e nell’analisi dei campioni, che devono essere di elevata qualità sia da un punto di vista chimico che strutturale. Per questo, si è utilizzata l’epitassia a fasci molecolari (MBE) per la crescita dei campioni e le tecniche RHEED e XRR per l’analisi della struttura cristallina e della crescita epitassiale dei film sottili. La composizione chimica dei campioni è stata analizzata con esperimenti di spettroscopia a raggi X (XPS, HAXPES). Infine, attraverso l’analisi magnetica dei campioni con la tecnica SQUID si è dimostrata l’influenza della carica immagine sull’ordinamento ferromagnetico, e in definitiva sul punto di Curie, dei film di EuO. Negli ultimi anni si è rinnovato l’interesse verso l’EuO, principalmente a causa della crescente domanda di materiali con proprietà magnetiche uniche, in campi emergenti come l’elettronica di spin (spintronica) e le nanotecnologie più in generale. Il grande exchange splitting, circa 0.54 eV, che garantisce una spin-filtering di quasi il 100%, la struttura cristallina relativamente semplice e l’elevato valore del momento magnetico, circa 7 µB per ione di europio, sono tutte caratteristiche promettenti per una possibile applicazione dell’EuO come filtro di spin in giunzioni a effetto tunnel con materiali semiconduttori come silicio (Si) o arseniuro di gallio (GaAs), o con elettrodi metallici. Un ruolo cruciale in questo senso è giocato dalle proprietà fisiche di film sottili e superfici, un ambito in cui sono ancora molte le domande aperte. In questo contesto, un progetto come quello a cui questa tesi è dedicata diventa un banco di prova fondamentale, e i risultati qui esposti potranno servire per future ricerche anche su materiali o dispositivi diversi.