Role of oxygen vacancies in EuO thin films

Europium Oxide (EuO) is a ferromagnetic semiconductor with a Curie Temperature (Tc) of 69 K and a band gap of 1.2 eV at room temperature. Upon electron doping it shows spectacular metal-insulator transition (MIT) at TC and colossal magnetoresistance (CMR), whereas the change in resistivity can exceed 13 orders of magnitude. The exchange splitting of about 0.6 eV of the conduction band in the ferromagnetic phase leads in Eu-rich EuO thin lms to obtain 100% spin polarized conduction current, thus making of EuO a promising material for spintronics applications. The Curie temperature can be enhanced by doping with rare earths, e.g. Gd, and by exerting hy- drostatic pressure. The present thesis describes the work I carried out in the group of Prof. Liu Hao Tjeng at the II Institute of Physics of the University of Cologne in cooperation with the Max Planck Institute of Dresden (Germania). It deals with the growth of Europium Monoxide thin lms and in particular with the correlation of temperature dependent transport and magnetic properties with the oxygen de ciency concentration in electron-doped Eu-rich EuO thin lms. The lms were prepared on YSZ(100) substrates using the Molecular Beam Epitaxy (MBE) techinique under Ultra High Vacuum (UHV) condition, which allows to grow single-crystalline EuO films with fine tunable stoichiometry. A wide range Eu-rich EuO samples with di erent stoichiometry were grown, by systematically varying the oxygen pressure and substrate temperature. The quality of the films was monitored by means of surface sensitive electron di raction techniques, i. e. Refection High Energy Electron Diffraction (RHEED) and Low Energy Electron Diffraction (LEED). Subsequently the spectroscopic, transport and mangetic of each film were analyzed by means of X-Ray Photoemission Spectroscopy (XPS), resistance and Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) measurements, respectively. Those properties were then related to the oxygen vacancy concentration, in order to find out the limiting concetration leading to MIT to occurr.

L'Ossido di Europio (EuO) appartiene alla rara categoria dei semiconduttori ferromagnetici. Presenta un band gap pari a 1.2 eV e una temperatua di Curie (TC) di 69 K, al di sotto della quale si osserva una transizione della magnetizzazione dallo stato paramagnetico a quello ferromagnetico. La magnetizzazione in funzione della temperatura M(T) segue fedelmente l'andamento della funzione di Brillouin derivata dalla teoria di Campo Medio secondo il modello di Weiss. Per via della forte localizzazione degli stati atomici 4f inoltre l' EuO e considerato un modello perfetto di ferromagnete di Heisemberg. A seguito del dopaggio tramite donori tale materiale presenta e etti spettacolari: una transizione da semiconduttore a metallo (MIT) al di sotto di TC ed una colossale magnetoresistenza (CMR), mentre la resistivit a pu o variare no a 13 ordini di grandezza. Lo splitting della banda di conduzione pari a 0.6 eV, in seguito al forte e etto Zeeman nella fase ferromagnetica, porta i film di Eu-rich EuO ad avere una corrente di conduzione completamente polarizzata. Questo rende l' Ossido di Europio un promettente materiale per lo studio e lo sviluppo di applicazioni nella spintronica. La temperatura di Curie pu o essere aumentata tramite dopaggio con terre rare, in particolar modo con il Gadolinio, che presenta la stessa con gurazione elettronica 4f7 e non comporta pertanto disordine nell'allineamento ferromagnetico. Il presente lavoro descrive l'attività a svolta presso il gruppo del Prof. Liu Hao Tjeng presso il II Instituto di Fisica dell'universit a di Colonia in collaborazione con il Max Planck Institute di Dresda (Germania). Esso riguarda la crescita di film sottili di Ossido di Europio, le cui proprietà a generali sono brevemente illustrate nel Capitolo 1. In particolare il lavoro svolto riguarda la correlazione delle propriet a di trasporto e magne- tizzazione in dipendenza della temperatura con la concentrazione di vacanze di ossigeno in campioni di Eu-rich EuO. La preparazione dei lm, descritta ampiamente nel Capitolo 2, e stata realizzata crescendoli su substrati di YSZ(100) tramite Molecular beam Epitazy (MBE) in condizioni di vuoto estremo (UHV), tecnica che permette di crescere lm di EuO a struttura cristallina singola e di regolarne precisamente la stochiometria. In partico- lar modo per la crescita di film stochiometrici viene utilizzata la tecnica di distillazione la quale, per via dell' elevata temperatura del substrato, permette agli atomi di Europio in eccesso di rievaporare dal substrato fi ntanto che non incontrano un atomo di ossigeno con cui reagire e formare l'ossido divalente Eu2+O2􀀀 in rapporto 1:1. I capitoli 3 e 4 descrivono le tecniche di caratterizzazione, in-situ ed ex- situ rispettivamente, dei campioni. La qualit a dei film viene monitorata per mezzo di tecniche con sensitività a superficiali quali Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) e Low Energy Electron Diffraction (LEED). La prima viene impiegata durante la crescita del lm e permette di monitorarne la crescita, mentre la seconda viene impiegata solo in un secondo momento e fonrisce inforazioni sulla struttura cristallina. Successivamente per ogni campione vengono analizzate le propriet a spettroscopiche, magnetiche e di trasporto per mezzo di tecniche specifiche: Fotoemissione a Raggi X (XPS) per le prime, Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) per le seconde, e misure di resistivit a per le ultime. Il capitolo 5 riporta invece i risultati sperimentali ottenuti in relazione ai set di campioni cresiciuti. Sono stati preparati una serie di campioni variandone sistematicamente le condizioni di crescita, quali la pressione dell'ossigeno PO2 e la temperatura del substrato TS, e con esse la stochiometria e quindi la concentrazione di vacanze di ossigeno nella struttura cristallina. Dall'analisi delle propriet a di trasporto e correlandole con la concentrazione di vacanze di ossigeno siamo stati in grado di identi care la concentrazione limite di drogaggio che permette il veri carsi della transizione metallo-isolante nei lm di Eu-rich EuO. Tale concentrazione si e rivelata essere pari al 20%, come riportato in dettagli nel capitolo conclusivo.