Magnetismo, estrutura e morfologia de filmes de Cobalto depositados sobre Cu(115)

Propriedades estruturais e eletrônicas de superfícies vicinais

Departamento de Física

Belo Horizonte, 06 de outubro de 2006.

Divisão do seminário

• Motivação• Objetivos• Técnicas usadas

– SMOKE– STM– SEXAFS

• Detalhes preliminares

• Filmes finos de Co crescidos sobre uma superfície vicinal Cu(11n) induzem anisotropia magnética uniaxial.

• Se os “steps” do substrato são os responsáveis por este comportamento, o mecanismo exato ainda permanece obscuro.

Motivação

• Estudar propriedades magnéticas, estruturais e morfológicas de filmes de Co sobre Cu(115):

magnéticas SMOKEestruturais SEXAFSmorfológicas STM

• Entender a origem da anisotropia magnética em tal sistema.

Objetivos

Técnicas usadas

SMOKE: Surface Magneto-Optical Kerr Effect

Caso Longitudinal

Caso polar

Caso transversal

Luz incidente linearmentepolarizada com E perpendicular (s-plane) ou paralelo (p-plane)ao plano de incidência

Efeito Kerr longitudinal ou polar

Luz refletida elipticamentepolarizada

Efeito Kerr transversal

A luz deve ser linearmentepolarizada em p-plane Luz refletida linearmente

polarizada, mas com amplitude diferente daincidente

Modelo esquemático de um experimento SMOKE

L: laser, P:polarizador, PEM: modulador foto-elástico, A: analisador, Det: detector.

Depois da reflexão pela superfície magnetizadaa amplitude da componente principal será reduzida pelo coeficiente isotrópico de reflexão de Fresnel. Perpendicular à essa componente surge a componente Kerr k.

Loop de histerese

Intensidade da onda refletidaem função do campo magnético aplicado na amostra.

• Ótima sonda localizada a nível atômico, capaz de extrair informação detalhada acerca das distâncias interatômicas que separaram um determinado átomo central em análise dos seus vizinhos imediatos, bem como, o número de vizinhos e seus tipos.

• A técnica EXAFS baseia-se no registro de absorção de um determinado átomo e pelos seus vizinhos. Num dado material sólido onde haja absorção pelos seus átomos o coeficiente de absorção dos raios-X, µ(E), apresenta oscilações características que funcionam como uma impressão digital do átomo em questão.

• Estas oscilações são mais complexas quando existem átomos vizinhos de natureza diferente, dado que estes funcionam como centros de dispersão da onda associada ao fotoelétron ejetado (para um determinado λ) durante a absorção pelo átomo central. Posteriormente, essa onda espalhada interfere com a primeira. É esta interferência que gera as oscilações no espectro da absorção.

Técnicas usadas

SEXAFS: Surface Extended X-ray Absorbtion

Fine Structure

Modelo esquemático de um experimento SEXAFS

Espectro de absorção de raio-Xde uma solução aquosa de RbNO3e vapor de rubídio.Esquema ilustrando a origem de oscilações EXAFS devido

a interferência entre fotoelétrons emitidos e espalhados.

Técnicas usadas

STM: Scanning Tunneling Microscopy

• Os três experimentos foram realizados em um câmara de UHV.

• O substrato Cu(115) é formado por terraços (001) com 2.5 átomos de largura separados por “steps” do tipo (111) ao longo da direção [-110]. O ângulo de miscut é 15.79o em relação ao plano (001).

• A alta densidade de “steps” nesta superfície é um indicador de larga anisotropia magnética.

Detalhes preliminares

SMOKE

• A amostra Co/Cu(115) foi investigada através de SMOKE longitudinal a 300 K.

• O aparato usado permitia rotações azimutais da amostra em relação ao campo magnético aplicado, desde a situação de campo paralelo até perpendicular aos “steps”.

• A figura 2.a mostra uma curva SMOKE para campo aplicado no plano (115) e perpendicular aos “steps”.

O loop de histerese mostra que não há remanescência (eixo duro), ao contrário do que acontece para campo alinhado ao longo dos “steps”, como observado previamente.

E(φ) = Ku sen2(φ) + (K4/4) cos2(2 φ) – MH cos(φ - θ)

Assumindo que a magnetização está no plano (001) a energia livre magnética pode ser escrita como:

Onde φ e θ são, respectivamente os ângulos que a magnetização (M) e o campo (H) fazem com a direção [-110]. Ku e K4 são as constantes de anisotropiauniaxial e biaxial.

Para o sistema Co/Cu(001) a constante K4 foi, previamente,encontrada negativa indicando direções fáceis paralelas eperpendiculares à direção [-110]. Por outro lado, Ku é positiva levando a um eixo fácil de anisotropia uniaxialna direção [-110].

A medida do campo coercivo (Hs) da figura 2.a nos permite calcular o valor das constantes K4 e Ku para Co/Cu(115). As constantes K podem ser separadas em dois termos: um de volume Kb e outro de superfície Ks, onde:

K = Kb + Ks/d

Para K4b foi encontrado o valor –5.5x105 erg/cm3 em

concordância com resultados prévios para Co/Cu(110).

Os valores de K4 x d e Ku x d estão esboçados na figura 2.b.

A origem e o comportamento de Ku serão discutidos após a descrição da estrutura e da morfologia do sistema, nas conclusões finais.

STM

• Imagens de STM foram gravadas a 300 K antes e depois da deposição de Co.

• Para a superfície limpa a figura 1.a mostra a largos domínios da ordem de 50 nm.

• Com a deposição de 0.01 ML de Co (fig. 1.b) o tamanho dos domínios diminui radicalmente.

• O deslocamento coletivo de átomos de Cu é responsável por essa morfologia, uma vez que o número de átomos de Co depositados é muito menor que o número de átomos deslocados, como observado previamente para os sistemas Co/Cu(1 1 17) e Co/Cu(1 1 11).

• Com 1 ML de Co as crescentes ilhas apresentam lados (111) e terraços (001) orientados da mesma forma que o substrato, mas a formação de múltiplos “steps” é evidenciada.

• Com 5 ML ainda permanece a formação de ilhas de Co.

• Com 8 ML a superfície está totalmente coberta, mas a configuração de “steps” é diferente da superfície limpa.

• Pode-se concluir que o crescimento de Co sobre Cu(115) não é camada por camada diferentemente do caso observado para um substrato de Cu(001).

STM

SEXAFS

• O experimento foi realizado usando camadas K do Co como emissores (7709 eV) a 77 K para filmes entre 1 e 8 ML.

• Devido a simetria do substrato diferentes comprimentos de ligação com vizinhanças próximas (NN) em torno dos átomos de Co são esperados:

RPA – ligações no terraço paralelas aos steps

RPE – ligações no terraço perpendiculares aos steps

Rout – ligações fora do plano

• O simulação foi feita através do pacote FEFFIT e a comparação com os resultados experimentais estão na figura 3.

• Para todos os filmes valores isotrópicos para a distância média NN dos átomos no plano (RPA = RPE) foram encontrados. Por isso, os “steps” não induzem qualquer anisotropia “in-plane”.

Conclusões – SEXAFS

• Para 1 ML: existência de ilhas, de acordo com os resultados de STM. As distâncias Rout são as mesmas para Co/Cu(001).

• Para 3 ML: a estrutura é completamente isotrópica: RPA = RPE = Rout. Em contraste com Co/Cu(001) onde o parâmetro de rede é tetragonalmente distorcido. (RP = 2.55 e Rout = 2.50).

• Para 5 e 8 ML: os átomos de Co se adaptam à estrutura tetragonal de face centrada (as distâncias NN são iguais no plano e contraídas perpendicularmente a ele).

Conclusões finais

• A anisotropia uniaxial de filmes de Co crescidos sobre Cu(115) não é devido a efeitos de anisotropia in-plane induzida pelos steps.

• Medidas SEXAFS mostram que o efeito magneto-elástico contribui com apenas 10 % da anisotropia uniaxial medida.

• As medidas de STM foram usadas para calcular a anisotropia de superfície de Néel, que se revela como a principal contribuição para a anisotropia uniaxial medida através de SMOKE, o que está em concordância com suposições prévias para tais sistemas.