Assessing the integrity of Fe-p(1x1)O with decreasing Fe thickness

Adsorption of foreign species on a crystal surface usually induces atomic relaxation and reconstruction, which brings modifications not only to the morphology but also on the electronic states, therefore affecting the chemical and physical properties of the system. In this context, oxygen-passivated Fe(001), namely Fe(001)−p(1×1)O system is widely studied in literature, because upon oxygen adsorption, the magnetic properties of the system are strongly enhanced: such surface could therefore play a crucial role among spintronic devices, where tuning the magnetization of thin films is fundamental to manipulate and/or transmit spin information. In this thesis, I focused on the evolution, as a function of Fe film thickness, of the electronic and magnetic properties of Fe(001)−p(1×1)O on top of a Pd(001) substrate. The system was obtained in-situ by epitaxially growing Fe on Pd(001). The obtained samples were studied by means of Low Energy Electron Diffraction (LEED), photoemission and inverse photoemission spectroscopy (PES, IPES). PES spectra were collected with the support of a Mott detector, which made possible spin resolved measures. The analysis aims at assessing the integrity of the Fe − p(1 × 1)O surface in the case of thin films, provided that, for thick films, results compatible with Fe − p(1 × 1)O on bulk Fe are obtained, offering a complete picture in terms of morphology, structure and electronic properties. Since Pd is paramagnetic reducing the amount of Fe makes interfacial effects increasingly dominant, such as quenching magnetism at low dimensions. Anticipating the results, 1 ML Fe − p(1 × 1)O on Pd shows no measurable spin polarization, placing the magnetic dead layer approximately between 3 and 1 ML. Moreover, signatures of a transition in the film crystallographic order are observed between 7 and 5 ML. For Fe thicknesses as small as 10 ML, the standard properties of the Fe−p(1×1)O surface are recovered, thereby allowing the precise identification of the lower limit to the miniaturization of the Fe-p(1×1)O system.

L’adsorbimento di specie estranee su una superficie cristallina induce solitamente rilassamenti atomici e ricostruzioni, che comportano modifiche non solo nella morfologia ma anche negli stati elettronici, influenzando quindi le proprietà chimiche e fisiche del sistema. In questo contesto, il sistema Fe(001) − p(1 × 1)O passivato con ossigeno è ampiamente studiato in letteratura poiché, a seguito dell’adsorbimento di ossigeno, le proprietà magnetiche del sistema risultano fortemente potenziate: tale superficie potrebbe dunque svolgere un ruolo cruciale nei dispositivi spintronici, dove la modulazione della magnetizzazione dei film sottili è fondamentale per manipolare e/o trasmettere informazione di spin. In questa tesi mi sono concentrato sull’evoluzione, in funzione dello spessore del film di Fe, delle proprietà elettroniche e magnetiche di Fe(001) − p(1 × 1)O cresciuto su un substrato di Pd(001). Il sistema è stato ottenuto in-situ mediante crescita epitassiale di Fe su Pd(001). I campioni ottenuti sono stati studiati tramite Diffrazione di Elettroni a Bassa Energia (LEED), fotoemissione e fotoemissione inversa (PES, IPES). Gli spettri PES sono stati raccolti con il supporto di un rivelatore Mott, che ha reso possibili misure spin–risolte. L’analisi mira a valutare l’integrità della superficie Fe−p(1×1)O nel caso di film sottili, considerando che, per film spessi, si ottengono risultati compatibili con Fe − p(1 × 1)O su Fe bulk, offrendo un quadro completo in termini di morfologia, struttura e proprietà elettroniche. Poiché il Pd è paramagnetico, ridurre la quantità di Fe rende sempre più dominanti gli effetti interfaciali, come lo smorzamento del magnetismo a basse dimensioni. Anticipando i risultati, 1 ML di Fe − p(1 × 1)O su Pd non mostra alcuna polarizzazione di spin misurabile, collocando lo strato magneticamente morto approssimativamente tra 3 e 1 ML. Inoltre, si osservano firme di una transizione nell’ordine cristallografico del film tra 7 e 5 ML. Per spessori di Fe pari ad almeno 10 ML, si recuperano le proprietà standard della superficie Fe−p(1×1)O, permettendo così l’identificazione precisa del limite inferiore alla miniaturizzazione del sistema Fe − p(1 × 1)O.