Comparative study on electronic structure of ultrathin Bismuth films grown on Si(331)-(12 x 1) and Si(111)-(7 x 7) surfaces by means of photoemission spectroscopies

In the rapidly growing field of spintronics, the main goal is to integrate the spin degree of freedom of electron in existing semiconductors electronics. This could be achieved by growing thin films of non ferromagnetic materials that show a large Rashba-Bichkov(RB) spin splitting of surface bands on semiconductors substrates, for instance Silicon and Germanium. Bismuth seems to be a promising material due to the large spin-orbit coupling and indeed Bi/Si or Bi/Ge interfaces were extensively studied in literature. However, there is a parallel research conducted on high Miller index or vicinal surfaces of Silicon which can be used as templates for ordered nanostructures growth. Within this class of surfaces, we can find the Si(331) surface, which undergoes a complex surface reconstruction, that is known as (12 x 1), similar to what occurs for Si(111) with the (7 x 7) reconstruction. For Bi/Si(111) it is known from literature that a disordered wetting layer forms during the initial stages of growth at room temperature. My thesis work is focused on the study of electronic structure of one monolayer (ML) of Bismuth grown on the Si(331) surface, compared with that of the 1 ML Bi/Si(111) interface. Low Energy Electron Diffraction (LEED) was used to check the crystal quality of samples, after being prepared. X-Ray Photoemission Spectroscopy (XPS) was employed to analyze the core levels of involved elements (Si, Bi) and to get informations about the possible contamination of surfaces. Photoemission Spectroscopy (PES), Inverse Photoemission Spectroscopy (IPES), and their Spin-Resolved counterparts (SRPES, SPIPES) were used to study the valence band states and conduction band states. The surface states and bulk states were identified and discussed with the precious support of literature.

Nel campo in rapida crescita della spintronica, l’obiettivo principale è di integrare il grado di libertà dello spin dell’elettrone nell’elettronica a semiconduttore. Ciò può essere ottenuto crescendo film sottili di materiali non ferromagnetici, che mostrano una significativa separazione di tipo Rashba-Bichkov (RB) delle bande di superficie, su substrati a semiconduttore, ad esempio Silicio e Germanio. Il Bismuto sembra essere un materiale promettente a causa dell'elevato accoppiamento spin-orbita e infatti le interfacce Bi/Si o Bi/Ge sono state ampiamente studiate in letteratura. Tuttavia, esiste una ricerca parallela condotta su superfici ad elevati indici di Miller o superfici vicinali del Silicio che possono essere utilizzati come basi per la crescita ordinata di nanostrutture. All'interno di questa classe troviamo la superficie Si(331), che subisce una complessa ricostruzione superficiale, conosciuta come (12 x 1), simile a quanto avviene per Si(111) con la ricostruzione (7 x 7). Il mio lavoro di tesi è focalizzato sullo studio della struttura elettronica di un monolayer (ML) di Bismuto cresciuto sulla superficie di Si(331), confrontandola con quella dell'interfaccia 1 ML Bi/Si(111). Per il Bi/Si(111) è noto dalla letteratura che durante le fasi iniziali di crescita a temperatura ambiente si forma uno strato bagnante disordinato. La diffrazione elettronica a bassa energia (LEED) è stata utilizzata per verificare la qualità cristallina dei campioni, dopo la loro preparazione. La Spettroscopia di Fotoemissione da Raggi X (XPS) è stata utilizzata per analizzare i livelli di core degli elementi coinvolti (Si, Bi) e per ottenere informazioni sulla possibile contaminazione delle superfici. La Spettroscopia di Fotoemissione (PES), la Spettroscopia di Fotoemissione Inversa (IPES), e le loro controparti Spin Risolte (SRPES, SPIPES) sono state utilizzate per studiare gli stati della banda di valenza e della banda di conduzione. Gli stati superficiali e gli stati bulk sono stati individuati e discussi con il prezioso aiuto della letteratura.