Intercalation of erbium atoms at the graphene/nickel interface

The small intrinsic spin-orbit interaction of graphene prevents its application in spin- tronics. Interfacing graphene with heavy metals has been suggested to induce spin-orbit effects via hybridization of the electronic states of metal and graphene. In this frame, high-Z rare earths atoms represent ideal candidates to tailor the spin-orbit interaction in graphene. In this thesis, it is explored the possibility to obtain well defined graphene/ Erbium (Er) hetero-structures by means of molecular beam epitaxy of Er on a graphene/Ni(111) substrate. The chemical, electronic and structural properties of the hybrid system were investigated by means of spectroscopic and microscopic surface science techniques. Auger Electron Spectroscopy indicates that Er intercalates under the epitaxial graphene at high tem- perature, while it forms clusters over the substrate surface if the deposition is performed at room temperature. Low Energy Electron Diffraction and Scanning Tunneling Mi- croscopy reveal that the intercalated Er atoms form an ordered p(2x2) reconstructed interlayer between graphene and Ni(111). The intercalated Er atoms have an evident impact on the surface electronic states around the Fermi level, as revealed by Scanning Tunneling Spectroscopy. On the other hand, Angle Resolved Photoemission Electron Spectroscopy reveals that, after the Er intercalation, the electronic states of graphene are still strongly hybridized with 3d valence band states of the Ni(111) surface.

Il grafene è caratterizzato da un debole accoppiamento spin-orbita, per questo motivo il suo utilizzo nel campo della spintronica risulta limitato. La creazione di interfacce grafene/metallo si è rivelata efficacie nell’incrementare l’accoppiamento spin-orbita nel grafene, attraverso l’ibridizzazione dei suoi stati elettronici con quelli del metallo. Sotto questo aspetto, i migliori candidati risultano essere gli atomi di terre rare, caratterizzati da un elevato numero atomico Z. Nel presente lavoro di tesi si è esplorata la possibilità di ottenere una ben definita etero struttura grafene/erbio, ottenuta attraverso epitassia da fasci molecolari, su un substrato di graphene/Ni(111). Le proprietà chimiche, elettroniche e strutturali del sistema ibrido sono state indagate per mezzo di tecniche di microscopia e spettroscopia. La spettroscopia Auger ha confermato l’intercalazione degli atomi di erbio tra il grafene e il substrato di Ni(111), quando la deposizione viene condotta a temperatura elevata. Al contrario, se la deposizione avviene a temperatura ambiente l’erbio tende a formare cluster sul substrato. Attraverso le tecniche LEED (Low Energy Electron Diffraction) e STM (Scanning Tunneling Microscopy) è stato possibile analizzare il sistema nello spazio reciproco e in quello diretto, ottenendo come risultato la prova che l’erbio si dispone sotto lo strato di grafene secondo una ricostruzione p(2x2). La spettroscopia a effetto tunnel (STS) ha invece rivelato l’evidente impatto dell’intercalazione sugli stati elettronici di superficie del grafene, che, al contrario, è risultato meno significativo per quanto riguarda il disaccoppiamento tra gli stati del grafene e gli stati 3d del nickel, che rimangono fortemente ibridizzati, come si vede dalle misure di fotoemissione risolta in angolo (ARPES).