Investigation on the stability and properties of 2D-Fe3O4(111) and 2D-CoFe2O4(111) semiconductors

A two-dimensional (2D) iron-oxide metastable phase, called 2D-Fe3O4(111), recognized by Merte et al. thanks to DFT+U calculations, is grown on Ag(100) single crystal by molecular beam epitaxy. The stability of the computed structure is independent of the substrate influence, indeed, the calculated adhesion energy on silver is very low. Furthermore, the computed band-structure exhibits an indirect bandgap of 0.3 eV that can be increased up to the infrared region (1 eV) for 2D-CoFe2O4(111) by cobalt substitution of Fe(II). The primary concern of the present work is the deposition and the study of the stability and properties of 2D-Fe3O4(111) and 2D-CoFe2O4(111) layered atomic structures. A new MBE system is employed to grow 2D-Fe3O4(111) on Ag(100), and the same deposition parameters are used to evaporate iron on Pt(111) and to co-evaporate iron and cobalt on Ag(100). The films were characterised by RHEED, LEED, AES, STM, STS and XPS, with the aim of describing their structure, composition, and properties. In addition, the 2D-Fe3O4(111) structure is grown by deposition of 1 ML on Ag(100), in the form of large islands (100 nm2) with a high coverage (90%). The same deposition procedure does not allow achieving the same result on Pt(111), since an oxygen-rich FeO(111) together with a disordered spinel-like Fe3O4(111) phases appear to be more stable. In fact, Pt(111) is known to exhibit a much stronger interaction than silver with oxides, affecting their stability. Eventually, this work demonstrates that is possible to obtain a partially mixed iron/cobalt oxide phase with the same structure of 2D-Fe3O4(111), namely 2D-CoxFe3-xO4(111), exhibiting a bigger bandgap. These results are the basis for further studies on the properties and development of a new class of 2D transition metal oxides semiconductors.

Una nuova struttura bidimensionale metastabile dell’ossido di ferro, 2D-Fe3O4(111), riconosciuta da Merte et al. mediante calcoli DFT+U, è stata depositata su monocristallo Ag(100) tramite epitassia a fascio molecolare. La struttura ottenuta manifesta un’adesione molto bassa su argento e pertanto si presume che sia stabile anche in assenza di substrato. Inoltre, la struttura elettronica a bande calcolata esibisce un bandgap indiretto di 0.3 eV, che può essere esteso fino alla regione dell’infrarosso (1 eV) nel caso di 2D-CoFe2O4(111), cioè tramite sostituzione di atomi di Fe(II) con atomi di Co(II). Con questa tesi si è inteso studiare la stabilità delle strutture 2D-Fe3O4(111) e 2D-CoFe2O4(111). La crescita di 2D-Fe3O4(111) è stata ottenuta su Ag(100) con un nuovo apparato di deposizione per epitassia a fascio molecolare. Lo stesso processo di deposizione è stato applicato con l’intento di ottenere 2D-Fe3O4(111) su Pt(111) e 2D-CoFe2O4(111) su Ag(100). I films sono stati caratterizzati tramite RHEED, LEED, AES, STM, STS e XPS, con l’obiettivo di descrivere struttura, composizione e proprietà. Inoltre, si è ottenuta la crescita della struttura 2D-Fe3O4(111) su Ag(100), nella forma di un singolo strato con ricoprimento oltre il 90% a isole di estensione relativamente grande (100 nm2). Lo stesso procedimento applicato su Pt(111), che manifesta un’elevata interazione con film atomici di ossido rispetto all’argento, non ha prodotto gli stessi risultati; le strutture stabili in tali condizioni sono state identificate come una fase di FeO(111) ad elevato contenuto di ossigeno e una fase Fe3O4(111) poco cristallina del tipo spinello. Infine, questo lavoro dimostra che è possibile ottenere la struttura 2D-CoxFe3-xO4(111), ovvero un ossido misto con una percentuale di cobalto inferiore a quella prevista, che esibisce la stessa struttura di 2D-Fe3O4(111) e un bandgap più ampio.