Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique des nanostructures IPN

Growth and magnetism of low-dimensional metallic nanostructures on the Pt(997) surface

Lee, Tae-Yon ; Kern, Klaus (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3232.

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    Summary
    The thesis presents experimental results on the growth and magnetism of metallic nanostructures on the vicinal Pt surface. The aim of the research project consists of two parts: First, to find conditions for growing nanostructures of dimensionalities from 1D to 2D initiated from the step edges of a vicinal surface. Second, to investigate the magnetic properties of the nanostructures and ultrathin films fabricated with the knowledge from the first part. The first part of the thesis studies molecular beam epitaxy (MBE) of Fe, Rh, Ru, and Mo nanostructures on the vicinal Pt(997) surface for various temperatures employing thermal energy He atom scattering (TEAS), Auger electron spectroscopy (AES) and low electron energy diffraction (LEED) as characterizing methods. The parameters for the growth of a wide variety of Fe nanostructures, from monatomic chains to monolayers and surface alloys, were obtained and a detailed comparison of Fe growth on Pt(997) and Pt(111) is presented. Rh deposition creates structures similar to the ones of Fe although with higher defect density. A complex growth mode involving double layer growth is observed for Ru. For Mo no ordered structures could be identified. In the second part of the thesis measurements by X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and magneto optical Kerr effect (MOKE) were employed as probes to the magnetic properties of the structures. Ultrathin Fe films show different magnetic properties depending on the step density of the substrate. The relation between magnetism and structure is shown by the comparison of films on Pt(997) and Pt(111). The variety of Fe structures characterized in the first part is investigated finding an increase of orbital magnetic moments when the dimension and thus the coordination in the structure is reduced. It is shown that a stabilization of the magnetization in Fe nanostructures which is reflected by an increased remanence and coercivity is achieved simply by alloying with Pt from the substrate. Finally, it is demonstrated that well measurable magnetic moments are induced in the Pt for a FePt alloy with a total Fe coverage of only 0.5 ML. The Pt moments are found to couple collinearly to the Fe moments.
    Résumé
    L'objectif de cette thèse est l'analyse de la croissance et du magnétisme de nanostructures métalliques deposées sur une surface vicinale de Pt(997). Le projet de recherche se concentre sur deux aspects: Tout d'abord, rechercher les conditions de croissance de nanostructures de dimension 1D et 2D obtenues par décoration des marches d'une surface vicinale. Puis, étudier les propriétés magnétiques des nanostructures et des couches minces élaboreés. La première partie de cette thèse traite de la croissance par epitaxie par jet moléculaire de Fe, Rh, Ru et Mo sur la surface vicinale Pt(997) pour une gamme de température étendue. Les structures sont caracterisées en utilisant la diffusion d'Helium, la spectroscopie d'electrons Auger et la diffraction d'electrons lents. Les paramètres qui permettent la croissance de nanostructures de Fe ont été obtenus: chaines monoatomiques, monocouches et alliages de surface. Une comparaison detaillée de la croissance de Fe sur Pt(997) et sur Pt(111) est presentée. Le dépôt de Rh amène à des structures comparables à celle du Fe mais avec une densité de défaut plus elevée. Un mode de croissance compliqué, en bicouche, est observé pour le Ru. Pour le Mo aucune structure ordonnée est observée. La deuxième partie de cette thèse utilise la méthode de dichroisme circulaire magnétique des rayons X ainsi que l'effet magnéto-optique Kerr afin d'étudier les propri étés magnétiques des structures. Les couches extrêmement minces de Fe présentent des propriétés magnétiques qui dépendent de la densité des marches. La relation entre le magnétisme et la structure est montrée en comparant les couches de Fe sur Pt(997) et sur Pt(111). Ensuite, la variété de structures de Fe identifiée dans la première partie est etudiée par du point de vue de magnétisme. Le moment orbital magnétique décroit avec la dimension et donc la coordination dans les structures. C'est montré que l'aimantation est stabilisée simplement par la formation d'une alliage de surface entre le Fe et le substrat de Pt. Cette stabilisation est mise en évidence par l'augmentation du champ rémanent. Finalement, il est demontré qu'il est possible de mesurer les moments magnétiques du Pt induit dans un alliage de FePt contenant seulement 0.5 monocouche de Fe. Les moments magnétiques du Pt sont collineaires aux moments du Fe.