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

Construction d'un microscope à effet tunnel à basse température et études d'impuretés magnétiques en surfaces

Claude, Laurent ; Brune, Harald (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3276.

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    Summary
    This thesis reports on the design and construction of a novel experimental setup for the study of surface magnetic systems. This setup consists of a scanning tunneling microscope (STM) designed for ultra high vacuum (UHV) operating at T ≲ 1 K and strong magnetic fields (0 - 8.5 T). Such extreme experimental conditions have influenced the choice of the construction materials and components as well as the general design principles. This work comprises the design, realization and first tests of the STM, cryostat, damping system, sample preparation UHV chambers and transfer system. In parallel to this new setup realization, we have investigated the magnetic properties of dilute transition metal impurities deposited on non-magnetic metal surfaces. Measurements of those systems were performed with x-ray magnetic circular dichroism (XCMD). We have started by adressing the host electronic density effect on magnetic properties of the impurities. In order to make contact with the Friedel [1] and Anderson [2] models, 3d impurities (Fe and Ni) were deposited on alkali metal substrates (K, Na et Li) whose electronic structure is close to the Fermi electron gas. The gradual increase of the host electronic density with decreasing atomic weight going from K to Li allow us to study the effects of s - d electron hybridization on the magnitude magnetic moment of the impurity . In particular, we show that the magnetic moment of Fe is strongly reduced in going from K to Li, while the Ni moment disappears on Na and Li. The XMCD data also show that the orbital magnetic moment is atomic-like on K, but compared to the spin moment, significantly reduces as the substrate electron density increases. Finally, we report on a variable temperature STM study of the nucleation and growth processes of Pd/Pt(111). The experimental results are analyzed on the basis of mean field theory applied to surface diffusion processes and solved by numerical integration. This study allows us to highlight the different atomistic processes that contribute to the nucleation and growth of a prototype epitaxial system.
    Résumé
    Cette thèse porte sur le développement et la réalisation d'un nouveau dispositif expérimental conçu pour effectuer des mesures sur des systèmes magnétiques de surface. Ce dispositif permet la préparation d'échantillons métalliques ainsi que leur mesure à l'aide d'un microscope à balayage à effet tunnel (STM) dans un environnement à ultra haut vide (UHV), à très basse température (T ≃ 1 K) et sous un champ magnétique intense (8.5 T). Le dispositif a conduit à la conception de plusieurs éléments, à savoir, un système d'enceintes UHV, un STM, un cryostat à 3He, un système d'amortissement des vibrations mécaniques et un système de transfert des échantillons. Les conditions expérimentales extrêmes ont guidés le choix des matériaux de construction ainsi que la géométrie du système. Dans ce document, on présente la conception et la réalisation de ce nouveau dispositif ainsi que les premiers tests réalisés sur les divers composants (STM, enceintes UHV, cryostat et aimants supraconducteurs). Parallèlement à la réalisation de ce nouveau dispositif, on a investigué les propriétés magnétiques d'impuretés de métaux de transition diluées sur des surfaces métalliques non-magnétiques. L'observation de ces propriétés est réalisée à l'aide du dichroïsme magnétique circulaire de rayons X (XMCD). Dans un premier temps, on s'est intéressé à l'effet de la densité électronique de l'hôte sur les propriétés magnétiques de l'impureté. Afin de se rapprocher de la situation décrite par Friedel [1] et Anderson [2], des impuretés de type 3d (Fe et Ni) sont déposées sur des métaux alcalins (K, Na et Li) dont la structure électronique est proche de celle d'un gaz d'électrons libres. L'observation a permis de déterminer, dans certains cas, l'état de valence des impuretés observées, ainsi que sous certaines restrictions leur moment magnétique orbital et leur moment magnétique de spin. L'augmentation graduelle de la densité électronique des hôtes permet de déterminer les effets de celle-ci sur les propriétés magnétiques des impuretés. L'étude montre que le moment magnétique des impuretés diminue avec l'augmentation de la densité électronique du substrat. Le moment orbital des impuretés suit, de façon plus prononcée, la même tendance. Dans un second temps, on s'est penché sur l'effet de la symétrie de la surface sur l'état magnétique de l'impureté 3d. Pour cette étude, on a choisit comme métal de transition le Co et comme substrat des surfaces de Pd(111), Pd(110) et Pd(100). L'étude rapporte les effets de la symétrie du substrat sur l'intensité du moment magnétique de l'impureté et sur son anisotropie magnétocristalline et relève une dépendance très marquée en fonction de l'orientation du substrat. Finalement, on s'est intéressé au processus de nucléation et de croissance du Pd/Pt(111). Les observations ont été faites à l'aide d'un STM à température variable. Un programme de résolution numérique de la théorie de champ moyen de nucléations a été réalisé. Les résultats expérimentaux ont été analysés à l'aide de ce programme, ce qui a permis de mettre en évidence différents processus élémentaires de diffusion participant à la nucléation et à la croissance du Pd/Pt(111).