Korelacje właściwości chemicznych i magnetycznych w epitaksjalnych heterostrukturach kobalt/magnetyt i kobalt/hematyt
Loading...
praca doktorska Natalia Kwiatek.pdf (7.76 MB)
Authors
0000-0001-6861-4066 Date
2023-12-18
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera Polskiej Akademii Nauk
Abstract
Celem niniejszej rozprawy doktorskiej było zbadanie wzajemnych oddziaływań metaltlenek dla modelowych układów o funkcjonalności spintronicznej, w szczególności dla kobaltu osadzonego na podłożach z tlenków żelaza: antyferromagnetycznego hematytu αFe2O3(0001) oraz ferrimagnetycznego magnetytu Fe3O4(111). Do preparatyki omawianych struktur wykorzystano trzy różne podłoża monokrystaliczne: αAl2O3(0001),MgO(111) oraz Pt(111). Bardzo istotną częścią pracy było opanowanie technologii wytwarzania dwuwarstw Co/FeOx na cienkiej epitaksjalnej warstwie Pt o orientacji (111) osadzonej na MgO(111). Zarówno preparatyka warstw jak i zdecydowana większość badań strukturalnych i morfologicznych została przeprowadzona w aparaturach ultra-wysokiej próżni (UHV) grupy badawczej „Nanostruktury Powierzchniowe” w Instytucie Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera Polskiej Akademii Nauk. Nanoszenie warstw metalicznych i tlenkowych odbywało się przy użyciu techniki epitaksji z wiązki molekularnej (MBE), w przypadku tlenków – reaktywnie, a charakterystykę strukturalną i morfologiczną przeprowadzono in situ powierzchniowo czułymi technikami, takimi jak dyfrakcja niskoenergetycznych elektronów (LEED), mikroskopia niskoenergetycznych elektronów (LEEM), skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) oraz mikroskopia sił atomowych (AFM). Charakterystykę chemiczną i magnetyczną przeprowadzono za pomocą technik laboratoryjnych:spektroskopii Mössbauera elektronów konwersji (CEMS), magnetooptycznego efektu Kerra (MOKE) oraz mikroskopii sił magnetycznych (MFM), oraz metodsynchrotronowych: spektroskopiiabsorpcyjnej promieniowania X (XAS) i mikroskopii elektronów wzbudzanych promieniowaniem X (X-PEEM), w obu przypadkach z wykorzystaniem efektu magnetycznego dichroizmu kołowego (XMCD). Większość warstw kobaltowych nanoszona była w formie klinowej z gradientem grubości Co w zakresie 0,2 do 3 nm. Pomiary STM pokazały, że zarówno na magnetycie jak i hematycie otrzymano periodyczną sieć samoorganizujących się nanocząstek Co,o średnich rozmiarach zmieniających się wzdłuż klina od 2-8 nm. Nanocząstki jednorodnie wypełniały badane powierzchnie, a ich rozkład odwzorowywał heksagonalne uporządkowanie nadstruktur bifazy, charakterystycznych dla powierzchni Fe3O4(111) iαFe2O3(0001). Wraz ze wzrostem grubości kobaltu, dla grubości ok. 0,8 nm, rozpoczyna się proces stopniowej koalescencji nanocząstek, prowadzący do wytworzenia się struktur łańcuchowych dla największych grubości. Za pomocą mikroskopii MFM zobrazowano strukturę magnetyczną warstw magnetytu na Pt(111). Zaobserwowano submikrometrowedomeny o rozmiarach rzędu 200 - 300 nm, świadczące o przeciwnych, prostopadłych składowych namagnesowania, którego źródłem jest kompetycja anizotropii kształtu i anizotropii magnetoelastycznej lub anizotropii związanej ze strukturalnymi domenami antyfazowymi. Właściwości magnetyczne układu Co/Fe3O4badane technikami MFM i MOKE były trudne do zinterpretowania ze względu na nakładanie się sygnałów od kobaltu i magnetytu.Pomiary MFM i MOKE warstw hematytu na Pt(111) potwierdziły ichantyferromagnetyczny charakter. Bardzo drobna struktura magnetycznaw obrazach MFM dla Co/α-Fe2O3została zinterpretowana jako niejednorodności namagnesowania, podczas gdy pomiary MOKEw geometrii podłużnej pokazały, że amplituda pętli histerezy pojawiających się począwszy od grubości 0,5 nm rośnie liniowo z grubością Co, dokumentując namagnesowanie w płaszczyźnie warstwy. Pomiary synchrotronowe XAS pokazały, że w warstwie interfejsowej układów Co/magnetyt i Co/hematyt następuje komplementarne utlenienie kobaltu do CoO i redukcja odpowiedniego tlenku żelaza. Pierwiastkowo czułe pomiary mikroskopowe PEEM-XMCD pokazały, że zarówno dla Co/Fe3O4 jak i Co/α-Fe2O3 domeny magnetyczne w kobalcie i tlenku są powielone w wyniku bezpośrednich oddziaływań wymiennych w interfejsie metal-tlenek. W układzie Co/Fe3O4 magnetyt wymusza strukturę domenową kobaltu. Drobne domeny magnetyczne charakterystyczne dla cienkich warstw magnetytu są obecne i odwzorowane dla warstw kobaltu powyżej grubości między 0,5 a 1 nm. W układzie Co/α-Fe2O3, począwszy od grubości 0,5 nm, kobalt ma strukturę domenową typową dla ferromagnetyka, z dominacją dużych domen namagnesowanych zgodnie ze spodziewaną sześciokrotną symetrią anizotropii magnetokrystalicznej. Obserwacja kontrastu XMCDnakrawędzi L-Fe w warstwie nominalnie antyferromagnetycznego hematytu świadczy o wystąpieniu w warstwie interfejsowejnieskompensowanego momentu magnetycznego w związku z oddziaływaniem z kobaltem. To zjawisko, jak również brak domen magnetycznych dla niskich pokryć Co, jest wynikiem interfejsowej redukcji tlenków i utlenienia kobaltu. Analiza pomiarów XMCD przy zastosowaniu reguły sum pokazała, że dla najwyższych grubościCo >1,5 nm obserwowana jest stała wartość średniego momentu magnetycznego na atom kobaltu (1,62 μB),zarówno dla Co/Fe3O4 jak iCo/α-Fe2O3. Redukcja wartości momentu magnetycznego dla niższych grubości wynika z obecności interfejsowej, paramagnetycznej w temperaturze pokojowej warstwy CoO, która magnetycznie rozcieńcza warstwę kobaltu.The synchrotron XAS measurements showed that in the interfacial layer of Co/magnetite and Co/hematite, complementingprocesses of Co oxidation to CoO and iron oxides reduction take place. Element sensitive PEEM-XMCD measurements showed that both forCo/Fe3O4and Co/α-Fe2O3 magnetic domains in cobalt and in oxide are replicated due to direct exchange interactions at the metal-oxide interfaces.In the Co/Fe3O4 system, magnetite determines the domain structure of cobalt. Fine magnetic domains characteristic for thin magnetite layers are present and reproduced in the films above the thickness between 0,5 to 1 nm. In the Co/α-Fe2O3 system, starting from a thickness of 0,5 nm, cobalt has a ferromagnetic domain structure, dominated by large domains magnetized along easy axes expected for the magnetocrystalline anisotropy with the sixfold in-plane symmetry. The observation of the XMCD contrast at the L-Fe edge in the nominally antiferromagnetic hematite film indicates the occurrence of uncompensated magnetic moments in the interface layer due to the interaction with cobalt. This phenomenon, as well as the absence of magnetic domains for low Co coverages, is the result of interfacial reduction of oxides and cobalt oxidation. The analysis of the XMCD measurements with the use of the sum rules showed that for Co thicknesses> 1,5 nm, a constant value of the average magnetic moment per cobalt atom (1,62 μB)is observedfor bothCo/Fe3O4andCo/α-Fe2O3. The reduction in the magnetic moment value for smaller thicknesses results from the presence of the interfacialCoO layer,paramagnetic at room temperature, which magnetically dilutes the cobalt film.