Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique des nanostructures IPN (Laboratoire de nanostructures superficielles LNS)

Propriétés magnétiques de nanostructures de cobalt adsorbées

Weiss, Nicolas ; Brune, Harald (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2980.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    This thesis reports results on magnetic properties of supported cobalt nanostructures. The nanostructures were grown on single crystal metal surface by Molecular Beam Epitaxy in an Ultra High Vacuum chamber. Our experimental setup is based on two in situ measurement techniques. The first is the Scanning Tunneling Microscope (STM) allowing to investigate the nanostructure morphology. The second, called Surface Magneto-Optical Kerr Effect (SMOKE), probes the magnetism of the nanostructures. By combining the data obtained with both techniques we were able to investigate the magnetism of 2D nanoparticles down to the atomic level. The first aim of the thesis consisted in disclosing the role played by the differently coordinated atoms in determining the Magnetic Energy Anisotropy in 2D nanostructures. To this purpose, we performed experiments on the Co/Pt(111) system, chosen as a model system since the Pt surface is well known to increase the out-of-plane uniaxial anisotropy as well as the magnetic moment of the Co islands. A preliminary work has been devoted to the growth of the Co islands as a function of the deposition and annealing temperatures. As a result, we learned to grow three different island's shapes : ramified, compact and double-layer islands. We then concentrated on the magnetism of these islands. Due to the nonlinear relationship between perimeter length and surface area, we were able to distinguish the different contributions to the anisotropy energy of surface and perimeter atoms. We found that the magnetic anisotropy in 2D Co nanostructures is predominantly due to the low-coordinated edge atoms, for which the anisotropy energy can be as large as 20 times the bulk value. This finding opens new possibilities to separately tune the anisotropy and moment of nanostructures. To exemplify this, and to illustrate once more the role of perimeter atoms, we produced Co island with a non-magnetic Pt core. As expected, these bimetallic islands have identical anisotropy and lower magnetic moment to their equally shaped pure Co counterpart. The second aim we focused on was the investigation of the magnetic properties of ultra-high density arrays of nanostructures created by self-assembly. We chose Co/Au(788) as a model system since the nanoscopic Co dots were found to have a very narrow size distribution and to be placed onto a lattice which is phase coherent on a macroscopic length scale. Moreover, the array has a density of 26 Tdot/in2 which allows the investigation of inter-particle interaction in ultra high density arrays. We showed that the narrow size distribution of the dots corresponds to an unprecedented narrow Magnetic Anisotropy Energy distribution with 35% width at half of the maximum. Moreover, we demonstrated the weak magnetic coupling between the Co dots despite their high density. In parallel to these fundamental researches, we developed a new experimental setup that will replace the current one. We designed a UHV chamber equipped with a homemade variable temperature STM combined with a SMOKE experiment. A quadrupole, focused on the sample, generates a 0.35 T magnetic field. This field is one order of magnitude larger than the present one and can be uniformly rotated in the plane of the quadrupole. Furthermore, the design of the new chamber allows STM imaging in this magnetic field. In this report, we present the adopted solutions as well as the first tests of the components (STM, SMOKE, cryostat).
    Résumé
    Ce projet de thèse a porté sur l'étude des propriétés magnétiques de nanostructures de cobalt adsorbées sur une surface cristalline métallique. Les nanostructures sont fabriquées par croissance par jet moléculaire (MBE) dans une enceinte ultra haut vide (UHV). Nous avons utilisé conjointement deux techniques expérimentales in situ. La première est le microscope à effet tunnel (STM) à température variable qui permet d'obtenir des images précises des nanostructures et ainsi de caractériser leur morphologie. La deuxième permet de sonder le magnétisme des nanostructures et se nomme : Surface Magneto-Optical Kerr Effect (SMOKE). Grâce aux informations obtenues par ces deux techniques, il est possible de corréler les propriétés magnétiques des nanostructures à leur forme et d'étudier à l'échelle atomique le magnétisme de nanoparticules 2D. Dans un premier temps, nous avons cherché à révéler les origines de l'anisotropie magnétocristalline des nanostructures 2D en mettant en valeur le rôle de la coordination atomique dans la valeur de l'énergie d'anisotropie magnétique. Pour cela, nous avons effectué nos recherches sur le système modèle Co/Pt(111). En effet, la surface Pt(111) est reconnue pour favoriser l'anisotropie uniaxiale hors-plan et augmenter le moment magnétique des îlots de Co. Un travail préliminaire, porté sur la croissance des îlots de Co en fonction de la température du dépôt et du recuit, nous a permis de créer des îlots de morphologies différentes : des îlots ramifiés, compacts ou bi-couches. En confrontant les mesures de susceptibilité magnétique Χ(T) de ces échantillons à des modèles théoriques, nous avons pu mettre en évidence le rôle prépondérant que jouent les atomes du bord de l'îlot (en comparaison à ceux du centre) dans la valeur positive de l'anisotropie magnétique. Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités pour ajuster séparément le moment magnétique et l'anisotropie de l'îlot. Comme illustration, et pour démontrer encore une fois le rôle des atomes de la périphérie, nous avons produit des îlots de Co comportant un cœur non-magnétique de Pt. Comme prévu, ces îlots bi-métalliques ont une anisotropie identique et un moment inférieur aux îlots de Co purs de forme comparable. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés aux propriétés magnétiques d'îlots mono-disperses arrangés selon un réseau de très forte densité. Pour cette étude nous avons utilisé un cristal Au(788). Cette surface vicinale permet de créer par auto-assemblage un réseau rectangulaire périodique de plots de Co. La distribution en taille très piquée de ces îlots se reflète naturellement dans l'uniformité de leurs propriétés magnétiques. Par exemple, nous avons pu mesurer une distribution d'énergie d'anisotropie ayant une largeur à mi-hauteur de seulement 35%. Cette valeur est deux fois plus petite que la meilleure mesure effectuée sur d'autres systèmes. C'est ainsi que nous détenons le record mondial d'homogénéité des propriétés magnétiques de nanostructures auto-assemblées. Nous avons aussi pu démontrer que, malgré leur très forte densité de 26 Tdot/in2, l'interaction magnétique entre les îlots de Co est quasiment nulle. En plus de ces travaux de recherche fondamentale, nous avons développé une nouvelle expérience qui doit remplacer l'expérience actuelle. Le développement a consisté à construire une enceinte UHV complète, un STM à température variable et un système de mesure Kerr. Le champ magnétique est créé par un quadrupôle et permet d'atteindre 0.35 T. Ce champ est un ordre de grandeur plus élevé que le champ actuellement disponible et peut être orienté continûment dans tout le plan du quadrupôle. De surcroît, la conception de l'enceinte permet de faire des images STM dans ce champ magnétique. Dans ce rapport, nous présentons les solutions techniques que nous avons adoptées ainsi que les premiers tests réalisés sur les divers composants (STM, SMOKE, cryostat).