Functionalization of oxide-metal and molecules-metal interfaces through monoatomic buffer layers

In this work we propose to use monoatomic buffer layers with the aim of controlling the morphology and the properties of both organic and inorganic ultra-thin films stabilized on metal surfaces. Here, this concept is applied to optimize the heterostructures for applications in the field of spintronics. We investigate the effects that a buffer layer of graphene on Ni(111) or FeO on Fe(001) has on the interface by studying the early stages of growth of the upper layer, following a systematic comparison between the sample synthesized with or without the buffer layer. The ferromagnetic Ni(111) and Fe(001) substrates are used as supports for the growth of transition metal oxides and metal tetra phenyl porphyrins M-TPP (M=Co, Ni, Zn), respectively. This is done with a multi-technique experimental approach, partly supported by density functional theory calculations. In particular, we demonstrate that inserting graphene at a metal-oxide interface can induce both a three-dimensional growth and the formation of an atomically flat highly strained layer, depending on growth conditions and materials choice. Moreover, we prove that it is possible to induce the self-assembly at room temperature of porphyrin molecules on a Fe(001) substrate through surface passivation with a single layer of oxygen, whereas, on the pristine surface, the molecules form a disordered overlayer. These results provide a reliable and reproducible method to realize atomically sharp interfaces with the possibility of tailoring their properties.

Questo concetto è qui utilizzato per ottimizzare le eterostrutture per applicazioni nel campo della spintronica. Studiamo gli effetti che un buffer layer di grafene su Ni(111) o di FeO su Fe(001) ha sull’interfaccia studiando gli stadi iniziali di crescita del film superiore. Questo viene fatto tramite un confronto schematico tra i campioni cresciuti con o senza il buffer layer. I substrati ferromagnetici Ni(111) e Fe(001) sono usati, rispettivamente, come supporto per a crescita di ossidi di metalli di transizione e metallo tetra-fenil porfirine M-TPP (M = Co, Ni, Zn). Tutto questo è fatto tramite un approccio sperimentale a più tecniche, parzialmente supportato da simulazioni DFT. In particolare, dimostriamo che, inserendo grafene ad un’interfaccia metallo-ossido, si può indurre sia una crescita tridimensionale che la formazione di un layer piatto e altamente stressato, a seconda della scelta dei materiali e delle condizioni di crescita. Inoltre, dimostriamo che è possibile indurre il self-assembly a temperatura ambiente di porfirine su un substrato di Fe(001) tramite l’inserimento di un singolo layer di ossido, a differenza del layer disordinato che si forma sul substrato metallico pulito. Questi risultati forniscono un metodo affidabile e riproducibile per realizzare interfacce nette, con la possibilità di modificarne le proprietà.