Spin-resolved Photoemission Characterization of the Fe/Si Interface

This thesis work focuses on the characterization of a thin film of Fe deposited by evaporation on a single-crystal Si (111) substrate by means of photoemission techniques. The deposition was carried out by evaporating Fe after preparing the substrate with a 7×7 reconstruction. The deposited thickness was controlled using a microbalance to calibrate the flux of Fe atoms per unit area incident on the sample. The interest in this study stems from the lack of literature on spin-resolved photoemission studies for Fe deposited on silicon, despite this being a widely studied and known substrate. The value of such a study is to have a direct measurement of the momentum dispersion of the electronic states and their spin character, to confirm the magnetic properties reported in the literature and possibly highlight new details, given the complexity of the magnetic phenomena that concern the system under study. Another purpose is to open to the experimentation of transport properties. In fact, spin-resolved measurements have highlighted the emergence of empty states characterized in spin and the establishment of magnetic properties in subnanometric dimensions. In particular, the focus is on ultra-thin films of nanometric and sub-nanometric thickness, where the characteristics of the Fe/Si interface play a major role, with the formation of an intermixed region. The magnetic behavior of such system may be characterized by a small or nil magnetization, or by peculiar magnetic anisotropies. These properties make this system worth an investigation, for perspective spintronic applications, due to the non-toxicity of iron and silicon and their low cost. With this thesis work, it was therefore chosen to fill the lack of spin-resolved measurements, with the important aim of having a direct measurement of the spin-characterized density of states and verifying the fundamental aspects, reported in the literature, of the magnetic behavior of this promising system.

Questo lavoro di tesi si è concentrato sulla caratterizzazione del film sottile di Fe depositato tramite evaporazione su un substrato di Si (111) monocristallino. La deposizione è avvenuta tramite evaporazione del Fe dopo aver preparato il substrato con ricostruzione 7×7. Il controllo sullo spessore depositato è avvenuto tramite microbilancia per calibrare il flusso di atomi di Fe per unità di area incidenti sul campione. L’interesse di questo studio è dettato dalla mancanza in letteratura di studi di fotoemissione spin risolta per il Fe depositato su silicio, nonostante questo sia un substrato ampiamente studiato e conosciuto. Il valore di un tale studio è quello di avere una misura diretta delle bande e della loro caratterizzazione in spin, di confermare le proprietà magnetiche riportate in letteratura ed eventualmente metterne in luce dei nuovi dettagli, dato l’insieme molto variegato di fenomeni magnetici che riguardano il sistema studiato. Un’altra finalità è quella di aprire alla sperimentazione delle proprietà del trasporto, infatti le misure spin risolte hanno messo in luce l’emergere di stati vuoti caratterizzati in spin e l’instaurarsi di proprietà magnetiche in dimensioni subnanometriche. In particolare, l'attenzione è focalizzata su film ultra-sottili di spessore nanometrico e sub-nanometrico, dove le caratteristiche dell'interfaccia Fe/Si giocano un ruolo fondamentale, con la formazione di una regione di intermixing. Il comportamento magnetico di tale sistema può essere caratterizzato da una magnetizzazione ridotta o nulla, o da anisotropie magnetiche peculiari. Queste proprietà rendono questo sistema promettente per future applicazioni spintroniche, insieme alla non tossicità del ferro e del silicio e al loro basso costo. Con questo lavoro di tesi è stato quindi scelto di colmare la mancanza di misure spin risolte, con l’importante scopo di avere una misura diretta della densità di stati caratterizzata in spin e di verificare gli aspetti fondamentali, riportati in letteratura, del comportamento magnetico di questo promettente sistema.