Growth of iron phthalocyanine molecules on Cr2O3/Cu(110)

The field of Spintronics, also known as spin-electronics, promises to go beyond conventional electronics by taking advantage not only of the charge, but also of the spin of the electrons. Conventional spintronic approaches are based on inorganic semiconductors; however, in these recent years, a new approach that considers organic semiconductors (OSCs) has been developed. Organic semiconductors present a higher spin relaxation time of carriers with respect to their inorganic counterparts, which makes OSCs well-suited for the transport of spin-polarization into ferromagnetic (FM) and antiferromagnetic (AF) electrodes. Moreover, a peculiar property of Organic Spintronics is the spin-dependent hybridization that occurs at the interface between the organic and the magnetic layer, which allows to tune the spin polarization and the magnetism at the interface, to govern the spintronic response of the device. This system, which behaves like a spin-polarized electrode, has been dubbed spinterface. The aim of this thesis work is to study the properties of an organic layer of iron phthalocyanines on antiferromagnetic Cr2O3. The growth of chromium oxide has also been studied on two different substrates, Cu(110) and Cu(111). The chemical properties of these systems have been investigated through Auger Electron Spectroscopy and X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS), while structural, morphological, and magnetic properties have been studied through Low Energy Electron Diffraction (LEED), Scanning Tunneling Microscopy (STM) and X-Ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD). The results show that the quality of Cr2O3 is higher on Cu(110) rather than on Cu(111), with islands that tend to grow larger as the coverage increases. The XAS measurements of Cr2O3/Cu(110) confirm that the oxide grows with the right stoichiometry. An FePc thin film has been grown on Cr2O3/Cu(110), but it has been possible to observe an ordered layer only for sub-monolayer coverage. However, XMCD measurements have shown that the interaction between the molecular film and the oxide induces a spin-polarization in the Fe2+ 2p states and stabilize a ferromagnetic ordering of the Fe2+ ions belonging to the molecular overlayer.

La Spintronica è una disciplina che ha per obiettivo il superamento dell’elettronica convenzionale sfruttando non solo la carica, ma anche lo spin dell’elettrone. L’approccio della Spintronica convenzionale si basa su semiconduttori inorganici; tuttavia, negli ultimi anni è stato sviluppato un approccio diverso, basato su semiconduttori organici. I semiconduttori organici presentano tempi di rilassamento dello spin più elevato rispetto ai corrispettivi inorganici, il che li rende dei buoni candidati per il trasporto di correnti di spin polarizzate in ferromagneti (FM) e antiferromagneti (AFM). Un’altra proprietà caratteristica dei semiconduttori organici è l’ibridizzazione spin-dipendente degli stati elettronici che si verifica all’interfaccia tra il film organico e quello magnetico. Grazie a ciò è possibile controllare la polarizzazione dello spin e il magnetismo dell’interfaccia, in modo da poter controllare le proprietà spintroniche del dispositivo. Questo sistema, che si comporta come un elettrodo polarizzato in spin, è stato chiamato spinterface. Lo scopo di questa tesi è quello di studiare la crescita di un film organico di ferro ftalocianine su Cr2O3. Anche la crescita dell’ossido di cromo è stata caratterizzata su due diversi substrati, Cu(110) e Cu(111). Le proprietà chimiche sono state caratterizzate attraverso spettroscopia Auger (AES) e XAS (X-Ray Absorption Spectroscopy), mentre le proprietà morfologiche e magnetiche sono state caratterizzate tramite Low Energy Electron Diffraction (LEED), Microscopia ad Effetto Tunnel (STM) e X-Ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD). I risultati ottenuti mostrano che l’ossido di cromo cresce in modo migliore su Cu(110) invece che su Cu(111), formando isole che tendono ad allargarsi via via che viene aumentato il coverage. Le misure di XAS su Cr2O3/Cu(110) mostrano che l’ossido cresce sul substrato con la corretta stechiometria. È stato cresciuto un film sottile di FePc su Cr2O3/Cu(110), tuttavia è stato possibile ottenere un film ordinato solo per coverage inferiori al monolayer. Le misure XMCD hanno mostrato però che l’interazione tra l’ossido e il film organico induce una polarizzazione dello spin negli stati 2p degli ioni Fe2+ e permette di ottenere un ordinamento ferromagnetico di questi ioni del film organico.