Characterization of oxides surfaces and filmsreal-time growth, interface effects and magnetism

Resumen

Los óxidos son los compuestos más abundantes que existen en nuestro entorno y la humanidad lleva haciendo uso de sus propiedades desde hace miles de años. En concreto, la investigación basada en óxidos de metales de transición ha sido fundamental en el desarrollo de campos tan importantes como la catálisis o el almacenamiento de energía. Entre ellos, la magnetita (Fe3O4) es un material estudiado tanto desde un enfoque fundamental como aplicado. Una parte de la presente tesis está enfocada en el estudio de sus propiedades estructurales y magnéticas en superficie usando técnicas de microscopía de electrones de baja energía polarizados en spin y de fotoemisión. Hoy en día, los avances en tecnología pasan por la miniaturización de dispositivos. Uno de los principales objetivos es adquirir la habilidad para sintetizar materiales a escala nanométrica manteniendo el control de sus propiedades. Sin embargo, las propiedades pueden verse deterioradas por la presencia de defectos. Una parte del presente trabajo se centra en la síntesis de películas de FeO y CoO y composiciones mixtas de ambos estudiando el proceso de crecimiento por medio de microscopía de electrones de baja energía. Finalmente, la observación del proceso de crecimiento en tiempo real se utiliza como herramienta para la síntesis de películas de ferrita de cobalto (CoFe2O4), material muy relacionado con la magnetita y de gran interés en el campo de la espintrónica, con una alta calidad cristalina. La primera parte del trabajo se centra en el estudio de la superficie (001) de un cristal de magnetita. Se ha estudiado la configuración de dominios magnéticos siguiendo su evolución con la temperatura. De este modo, hemos observado que los dominios magnéticos se ven alterados a medida que la temperatura de la muestra aumenta hasta desaparecer al llegar a la temperatura de Curie. Además hemos observado que la transición de reorientación de spin ocurre en dos etapas: primero tiene lugar la nucleación de nuevos dominios con los ejes fáciles de imanación correspondientes a los de la fase de baja temperatura seguido de una reorientación del resto de dominios. Lo observado se ha explicado basándose en la dependencia de la anisotropía magnetocristalina de la magnetita con la temperatura. La caracterización magnética se ha completado mediante la determinación de los momentos magnéticos orbital y de spin de la muestra por medio de dicroismo magnético circular de rayos X. Los valores obtenidos se han explicado en base a la reconstrucción exhibida por la superficie (001) de la magnetita. A continuación nos hemos centrado en el estudio del crecimiento de FeO y CoO sobre Ru(0001). Empleando la técnica de PLD se han sintetizado películas de monóxido de hierro de varios nanómetros de espesor. Estas películas exhiben unas propiedades que se han explicado proponiendo una terminación en superficie con estructura de wurzita distinta de la estructura de ¿sal común¿ exhibida en volumen. Por otra parte, se ha estudiado el crecimiento de FeO y CoO por MBE. Se ha observado que el CoO crece en islas pequeñas, de manera tridimensional mientras que el FeO crece cubriendo la superficie del substrato de manera bidimensional. Finalmente, se han hallado las condiciones para sintetizar películas de monóxidos de composiciones mixtas de hierro y cobalto. La tercera parte del trabajo consiste en el estudio del crecimiento de películas de ferrita de cobalto en Ru(0001) por MBE. El crecimiento se ha seguido en tiempo-real por microscopía de electrones de baja energía. Se han conseguido sintetizar islas monocristalinas, atómicamente planas, con dominios magnéticos varios órdenes de magnitud mayores que los reportados previamente en la literatura. Las muestras se han caracterizado in situ por técnicas de difracción y fotoemisión y ex situ por AFM/MFM.