Synthesis and investigation of novel organic and inorganic heterojunctions based on magnetically ordered low dimensional systems

Since its invention, Scanning Tunneling Microscopy became soon a fundamental tool in every surface physics laboratory thanks to its ability to image the surface morphology with subnanometric resolution. Due to its enhanced surface sensitivity, it is then possible to investigate surface and interface properties in very high details. In this thesis we exploit surface sensitive experimental techniques, such as Scanning Tunneling Microscopy and Synchrotron radiation, for the investigation of structural, electronic and magnetic properties of low dimensional systems and their interfaces. In particular, my research activity has been focusing on the morphological and electronic properties of graphene/oxide based heterojunctions and both electronic and magnetic interfacial coupling between ultra-thin antiferromagnetic oxide films and 2D molecular crystals. We demonstrate that the quality of the graphene/oxide interface, synthesized on top of both Ni(111) and Pt(111), strongly depends on the overall quality of the graphene layer, on which the oxide is grown and that, in such interfaces, graphene band structure preserves its main features. In order to investigate the interfacial magnetic coupling at molecular/oxide interfaces, avoiding any external magnetic contribution is of paramount importance. In this scheme, we developed new protocols for the growth of antiferromagnetic transition metal oxides, Cr2O3 and NiO, on top of diamagnetic metallic substrates, Cu(110) and Ag(001). Different type of molecules have been deposited on the oxide ultrathin films, including both metallo-organic, Iron(II) phthalocyanine (FePc) and Cobalt(II) tetraphenylporphiryn (Co-TPP), to metallic-free molecules, Pentacene (5A). We proved that the interfaced molecules lie in flat geometries on top of the oxides, and we were able to measure a magnetic dichroic signal from the FePc/Cr2O3 interface, demonstrating the establishment of a ferromagnetic ordering of the molecular magnetic moments. Finally, in collaboration with the Center for Quantum Nanoscience (QNS), we studied the magnetic properties of single copper atoms, which can be considered 0D systems, adsorbed on top of MgO(001) ultrathin films, exploiting the ESR-STM technique, which combines the measurement of electron spin resonances with microscopy. Due to the strong flip-flop hyperfine coupling in copper atoms, it is possible to directly excite and manipulate both electronic and nuclear spins down to the nanoscale in an whole electrical scheme. The obtained experimental results may then provide novel heterojunctions based on low dimensional systems which may be exploited for the development of future spintronic and quantum computing applications.

Sin dalla sua invenzione, il microscopio a scansione ad effetto tunnel si è rivelato uno strumento fondamentale in ogni laboratorio di fisica delle superfici grazie alla sua abilità di magnificare la superificie di un materiale con risoluzione subnanometrica. Ciò ha permesso di investigare superfici ed interfacce con un livello di dettaglio altrimenti difficilmente raggiungibile con altre tecniche sperimentali. In questa tesi verranno impiegate tecniche sperimentale specificatamente sviluppate per investigare superfici ed interfacce, come la microscopia a scansione ad effetto tunnel e la radiazione di sincrotrone, per investigare le proprietà strutturali, elettroniche e magnetiche dei sistemi a bassa dimensionalità. In particolare, la mia attività di ricerca si è focalizzata sulla caratterizzazione delle proprietà elettroniche e morfologiche di eterogiunzioni basate interfacciando grafene con ossidi e delle proprietà elettroniche e magnetiche all’interfaccia tra ossidi antiferromagnetici ultrasottili e cristalli molecolari 2D. Abbiamo dimostrato che la qualità dell’interfaccia grafene/ossido, sintetizzata sia su Ni(111) che su Pt(111), dipende strettamente dalla qualità del grafene su cui l’ossido è cresciuto, e che la struttura a bande del grafene preserva le sue principali caratteristiche. Per investigare l’accoppiamento magnetico di interfaccia tra molecole ed ossidi, evitare ogni contributo magnetico residuo è di fondamentale importanza. A tal proposito, abbiamo sviluppato apposite procedure sperimentali per la sintesi di ossidi antiferromagnetici basati sui metalli di transizione, Cr2O3 e NiO, su metalli diamagnetici, Cu(110) e Ag(100). Varie tipologie di molecole sono state depositate sui film di ossidi ultrasottili, incluse molecole metallo-organiche, Iron(II) phthalocyanine (FePc) e Cobalt(II) tetraphenylporphiryn (Co-TPP), e molecole senza ioni metallici, Pentacene (5A). Abbiamo dimostrato che le molecole depositate sugli ossidi presentano una geometria planare, e siamo stati in grado di misurare un segnale dicroico dall’interfaccia FePc/Cr2O3, dimostrando l’instaurarsi di un ordine ferromagnetico dei momenti magnetici delle molecole. Infine, in collaborazione con il Center for Quantum Nanoscience (QNS), abbiamo investigato le proprietà magnetiche di singoli atomi di rame, i quali possono essere considerati sistemi 0D, adsorbiti su film ultrasottili di MgO(001), sfruttando una tecnica sperimentale denominata ESR-STM, la quale è in grado di combinare la misura delle risonanze di spin elettronico con la microscopia. Grazie al forte accoppiamento flip-flop negli atomi di rame, è possibile eccitare e manipolare direttamente alla scala atomica, sia gli spin elettronici che nucleari, sfruttando solamente segnali elettrici. I risultati sperimentali ottenuti potrebbero quindi fornire innovative eterogiunzioni basate su materiali bidimensionali, le quali potrebbe essere impiegate per lo sviluppo delle future applicazioni nell’ambito della spintronica e dei computer quantistici.