Rare earth adatoms and nanoislands studied by scanning tunnelling microscopy

Coffey Blanco, David
Ciria Remacha, Miguel Ángel (dir.) ; Arnaudas Pontaque, José Ignacio (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2016
(Física de la Materia Condensada)


Abstract: El trabajo de esta tesis se ha centrado en el estudio y caracterización de las propiedades electrónicas y magnéticas del tulio (Tm) a escala atómica. El interés del magnetismo de atómos y estructuras de tierras raras reside en la capa incompleta 4f, altamente localizada, lo cual reduce los efectos de hibridación, dando lugar a un comportamiento de los momentos de spin y orbitales más parecidos a la situación del átomo libre; como contraprestación, la localización de los estados 4f hace que su papel en la conducción y transmisión por túnel no sea siempre evidente. El interés en estructuras de tierras raras (RE) de bajas dimensiones, más allá de la producción de capas delgadas ferromagnéticas o antiferromagnéticas, encuentra su justificación en la mejora de propiedades de interés tecnológico: formación de dominios magnéticos perpendiculares en capas adyacentes de metales de transición (TM), aumentar el momento magnético de multicapas RE-TM, mejorar las características de válvulas de spin, etc... Un sistema nanoestructurado introduce su geometría como una variable adicional, puesto que existe una fuerte relación entre el tamaño de la estructura, su estructura cristalina y sus propiedades magnéticas. Una parte de esta tesis se dedica al estudio de la preparación y caracterización de capas de tulio con una monocapa atómica de espesor, así como de islas nanométricas monocapa de dicho material. Reducir más las dimensiones lleva al límite del átomo individual. Un átomo magnético en una superficie es el sistema de almacenamiento de información más pequeño que se puede concebir, a día de hoy, ya sea almacenando un bit en base 2 mediante un átomo con espín efectivo 1/2, o incluso bits más complejos, con un mayor número de estados, si se tuviera suficiente control sobre el estado de espín del átomo. El estudio del magnetismo de átomos individuales ha crecido mucho en las dos últimas décadas, impulsado por el desarrollo de técnicas experimentales que han hecho posible su investigación. Para experimentos locales, con resolución espacial de átomos individuales, la microscopía de efecto túnel (STM) y, en particular, su versión polarizada en espín, así como la espectroscopía túnel de excitación inelástica, han mostrado ser fundamentales en el estudio de las propiedades magnéticas de átomos individuales, y han sido utilizadas extensamente para la caracterización de átomos de metales de transición sobre distintos sustratos. Con el objetivo de mejorar las propiedades pero manteniéndose en la escala de átomos individuales, esta línea de investigación ha dirigido su atención hacia el estudio de tierras raras, convertiéndose en un tema candente durante el transcurso de esta tesis. La reciente publicación de varios trabajos en revistas de alto impacto, así como la realización límite de un átomo magnético individual con un comportamiento biestable, indican que el estudio de tierras raras a esta escala mantendrá su relevancia en el futuro próximo. En este contexto, los experimentos y conclusiones obtenidos en esta tesis han contribuido a la discusión del uso de STM en la caracterización de átomos de tierras raras, en concreto ayudando a dilucidar la composición de la corriente túnel y cómo ello afecta a la posibilidad de interactuar con los estados 4f. En esta tesis se presenta el estudio de átomos de tulio y de lutecio sobre sustratos de distintas características: metálico, aislante y ferromagnético. El sustrato ferromagnético utilizando en la sección anterior consiste en islas de hierro una monocapa atómica de espesor crecidas sobre tungsteno. Este sistema presenta un comportamiento asimétrico del estado de superfice en ambos materiales. Este hecho es estudiado en detalle y explicado mediante un modelo, teniendo en cuenta la interacción entre ambas capas.

Abstract (other lang.): This thesis has devoted its attention to the study and characterization of electronic and magnetic properties of Thulium at the atomic scale. The interest in studying the magnetism of rare earth adatoms and monolayers resides in the localized character of the 4f states, which protects them from hybridization effects and preserves atomic-like spin and orbital magnetic moments; at the same time, the role of 4f states in conduction and tunnelling is not always obvious. Interest in low-dimensional rare earth magnetic structures, beyond ferromagnetic or antiferromagnetic thin films, has its place in the form of inducing perpendicular magnetic anisotropy in adjacent TM layers, enhancing of magnetic moment in RE-TM multilayers, or improving the characteristics of spin valves; producing nanostructured systems introduces geometry as another variable, as there exists a strong relation between crystal structure, size and magnetic properties. Chapters 3 and 4 deal with the preparation and characterization of the Tm monolayer and monolayer nanoislands. Reducing dimensions further leads to the single atom. A magnetic single atom on a surface is the smallest conceivable system for storing information, be it as a typical base 2 bit represented by spin-up (1) and spin-down (0) states of an atom with an effective spin 1/2, or even more complex, multi-state bits, if such control of the spin state is achieved. The study of the magnetism of single atoms has grown steadily over the last two decades, accompanied by the development of powerful tools for this purpose. For spatially resolved experiments, spin polarized STM and inelastic excitation tunnelling spectroscopy have proven invaluable in the study of the magnetic properties of individual atoms and have been used to extensively characterize Transition Metal atoms and structures on different substrates. In the pursuit of improved properties at the atomic limit, the study of rare earth atoms on metallic and insulating surfaces has become a hot topic during the course of this thesis and, with the recent publication of several studies in high impact journals, promises to stay relevant in the foreseeable future. In 138 Chapter 7. RE adatoms on Fe/W(110): The role of d and f electrons this context, the experiments and findings here reported have contributed to the discussion of STM experiments on RE, in particular regarding the orbital composition of the tunnelling current and how it limits the access to 4f electrons. Chapters 4, 5 and 7 study individual Tm and Lu atoms on different substrates, while chapter 6 is devoted to the ferromagnetic Fe islands that serve as a substrate for the atoms in chapter 7.

Pal. clave: física del estado sólido ; superficies ; estados electrónicos en los sólidos ; magnetismo

Knowledge area: Física de la materia condensada

Department: Física de la Materia Condensada

Nota: Presentado: 28 10 2016
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Física de la Materia Condensada, 2016

Creative Commons License



 Record created 2016-11-24, last modified 2019-02-19


Fulltext:
Download fulltext
PDF

Rate this document:

Rate this document:
1
2
3
 
(Not yet reviewed)