Departamento de Física
Propriedades estruturais e eletrônicas de superfícies vicinais
Magnetismo, estrutura e morfologia de filmes
de Cobalto depositados sobre Cu(115)
Belo Horizonte, 06 de outubro de 2006.
Divisão do seminário
• Motivação
• Objetivos
• Técnicas usadas
– SMOKE
– STM
– SEXAFS
• Detalhes preliminares
Motivação
• Filmes finos de Co crescidos sobre uma
superfície vicinal Cu(11n) induzem
anisotropia magnética uniaxial.
• Se os “steps” do substrato são os
responsáveis por este comportamento, o
mecanismo exato ainda permanece obscuro.
Objetivos
• Estudar
propriedades
magnéticas,
estruturais e morfológicas de filmes de Co
sobre Cu(115):
magnéticas
 SMOKE
estruturais  SEXAFS
morfológicas  STM
• Entender a origem da anisotropia magnética
em tal sistema.
Técnicas usadas
SMOKE: Surface Magneto-Optical Kerr Effect
Caso polar
Caso Longitudinal
Caso transversal
Efeito Kerr longitudinal ou polar
Luz incidente linearmente
polarizada com E perpendicular
(s-plane) ou paralelo (p-plane)
ao plano de incidência
Luz refletida elipticamente
polarizada
Efeito Kerr transversal
A luz deve ser linearmente
polarizada em p-plane
Luz refletida linearmente
polarizada, mas com
amplitude diferente da
incidente
Modelo esquemático de um experimento
SMOKE
L: laser, P:polarizador, PEM: modulador foto-elástico, A: analisador, Det: detector.
Loop de histerese
Depois da reflexão pela superfície magnetizada
a amplitude da componente principal será
reduzida pelo coeficiente isotrópico de reflexão
de Fresnel. Perpendicular à essa componente
surge a componente Kerr k.
Intensidade da onda refletida
em função do campo magnético
aplicado na amostra.
Técnicas usadas
SEXAFS: Surface Extended X-ray Absorbtion
Fine Structure
• Ótima sonda localizada a nível atômico, capaz de extrair informação
detalhada acerca das distâncias interatômicas que separaram um
determinado átomo central em análise dos seus vizinhos imediatos,
bem como, o número de vizinhos e seus tipos.
• A técnica EXAFS baseia-se no registro de absorção de um
determinado átomo e pelos seus vizinhos. Num dado material sólido
onde haja absorção pelos seus átomos o coeficiente de absorção dos
raios-X, µ(E), apresenta oscilações características que funcionam
como uma impressão digital do átomo em questão.
• Estas oscilações são mais complexas quando existem átomos vizinhos
de natureza diferente, dado que estes funcionam como centros de
dispersão da onda associada ao fotoelétron ejetado (para um
determinado λ) durante a absorção pelo átomo central. Posteriormente,
essa onda espalhada interfere com a primeira. É esta interferência que
gera as oscilações no espectro da absorção.
Modelo esquemático de um experimento
SEXAFS
Esquema ilustrando a origem de oscilações EXAFS devido
a interferência entre fotoelétrons emitidos e espalhados.
Espectro de absorção de raio-X
de uma solução aquosa de RbNO3
e vapor de rubídio.
Técnicas usadas
STM: Scanning Tunneling Microscopy
Detalhes preliminares
• Os três experimentos foram realizados em um câmara de
UHV.
• O substrato Cu(115) é formado por terraços (001) com 2.5
átomos de largura separados por “steps” do tipo (111) ao
longo da direção [-110]. O ângulo de miscut é 15.79o em
relação ao plano (001).
• A alta densidade de “steps” nesta superfície é um
indicador de larga anisotropia magnética.
SMOKE
• A amostra Co/Cu(115) foi investigada através de
SMOKE longitudinal a 300 K.
• O aparato usado permitia rotações azimutais da
amostra em relação ao campo magnético aplicado,
desde a situação de campo paralelo até
perpendicular aos “steps”.
• A figura 2.a mostra uma curva SMOKE para
campo aplicado no plano (115) e perpendicular aos
“steps”.
O loop de histerese mostra
que não há remanescência
(eixo duro), ao contrário do
que acontece para campo
alinhado ao longo dos
“steps”, como observado
previamente.
Assumindo que a magnetização está no plano (001) a
energia livre magnética pode ser escrita como:
E(φ) = Ku sen2(φ) + (K4/4) cos2(2 φ) – MH cos(φ - θ)
Onde φ e θ são, respectivamente os ângulos que a
magnetização (M) e o campo (H) fazem com a
direção [-110]. Ku e K4 são as constantes de anisotropia
uniaxial e biaxial.
Para o sistema Co/Cu(001) a constante K4 foi, previamente,
encontrada negativa indicando direções fáceis paralelas e
perpendiculares à direção [-110]. Por outro lado, Ku é
positiva levando a um eixo fácil de anisotropia uniaxial
na direção [-110].
A medida do campo coercivo (Hs) da figura 2.a nos permite
calcular o valor das constantes K4 e Ku para Co/Cu(115).
 As constantes K podem ser separadas em dois termos: um
de volume Kb e outro de superfície Ks, onde:
K = Kb + Ks/d
 Para K4b foi encontrado o valor –5.5x105 erg/cm3 em
concordância com resultados prévios para Co/Cu(110).
Os valores de K4 x d e Ku x d estão esboçados na figura 2.b.
A origem e o comportamento de Ku serão discutidos após
a descrição da estrutura e da morfologia do sistema, nas
conclusões finais.
STM
• Imagens de STM foram gravadas a 300 K antes e depois da
deposição de Co.
• Para a superfície limpa a figura 1.a mostra a largos domínios da
ordem de 50 nm.
• Com a deposição de 0.01 ML de Co (fig. 1.b) o tamanho dos
domínios diminui radicalmente.
• O deslocamento coletivo de átomos de Cu é responsável por
essa morfologia, uma vez que o número de átomos de Co
depositados é muito menor que o número de átomos deslocados,
como observado previamente para os sistemas Co/Cu(1 1 17) e
Co/Cu(1 1 11).
STM
• Com 1 ML de Co as crescentes ilhas apresentam lados
(111) e terraços (001) orientados da mesma forma que o
substrato, mas a formação de múltiplos “steps” é
evidenciada.
• Com 5 ML ainda permanece a formação de ilhas de Co.
• Com 8 ML a superfície está totalmente coberta, mas a
configuração de “steps” é diferente da superfície limpa.
• Pode-se concluir que o crescimento de Co sobre Cu(115)
não é camada por camada diferentemente do caso
observado para um substrato de Cu(001).
SEXAFS
• O experimento foi realizado usando camadas K do Co como
emissores (7709 eV) a 77 K para filmes entre 1 e 8 ML.
• Devido a simetria do substrato diferentes comprimentos de
ligação com vizinhanças próximas (NN) em torno dos átomos
de Co são esperados:
RPA – ligações no terraço paralelas aos steps
RPE – ligações no terraço perpendiculares aos steps
Rout – ligações fora do plano
• O simulação foi feita através do pacote FEFFIT e a comparação
com os resultados experimentais estão na figura 3.
• Para todos os filmes valores isotrópicos para a distância média
NN dos átomos no plano (RPA = RPE) foram encontrados. Por
isso, os “steps” não induzem qualquer anisotropia “in-plane”.
Conclusões – SEXAFS
• Para 1 ML: existência de ilhas, de acordo com os
resultados de STM. As distâncias Rout são as mesmas para
Co/Cu(001).
• Para 3 ML: a estrutura é completamente isotrópica: RPA =
RPE = Rout. Em contraste com Co/Cu(001) onde o
parâmetro de rede é tetragonalmente distorcido. (RP = 2.55
e Rout = 2.50).
• Para 5 e 8 ML: os átomos de Co se adaptam à estrutura
tetragonal de face centrada (as distâncias NN são iguais no
plano e contraídas perpendicularmente a ele).
Conclusões finais
• A anisotropia uniaxial de filmes de Co crescidos sobre
Cu(115) não é devido a efeitos de anisotropia in-plane
induzida pelos steps.
• Medidas SEXAFS mostram que o efeito magneto-elástico
contribui com apenas 10 % da anisotropia uniaxial medida.
• As medidas de STM foram usadas para calcular a
anisotropia de superfície de Néel, que se revela como a
principal contribuição para a anisotropia uniaxial medida
através de SMOKE, o que está em concordância com
suposições prévias para tais sistemas.