Struktura i właściwości magnetyczne nanocząstek Co na

Struktura oraz właściwości magnetyczne nanocząstek Co na powierzchni cienkich
warstw tlenków kobaltu na Pt(111) i Ru(0001)
Miejsce realizacji:
Środowiskowe Laboratorium Fizyki Powierzchni i Spektroskopii Tunelowej,
Instytut Fizyki Molekularnej Polskiej Akademii Nauk
http://www.ifmpan.poznan.pl/scientificd.php?div=7
Kontakt:
Opiekun:
Prof. IFM PAN dr hab. Tadeusz Luciński, tel.: 61 8695-287,
e-mail: [email protected]
Opiekun pomocniczy: dr Mikołaj Lewandowski, tel.: 61 8695-134,
e-mail: [email protected]
Wprowadzenie:
Praca doktorska dotyczy wzrostu nanocząstek Co na powierzchni cienkich warstw tlenków
żelaza utworzonych na monokryształach Pt(111) i Ru(0001). Miejscem realizacji projektu będzie
Środowiskowe Laboratorium Fizyki Powierzchni i Spektroskopii Tunelowej Instytutu Fizyki
Molekularnej PAN w Poznaniu. Nadrzędnym celem projektu jest opracowanie metody
wytwarzania nowych materiałów o unikatowych właściwościach elektronowych i magnetycznych,
opartych na wysoce zorganizowanych układach nanocząstek metali, w celu ich potencjalnego
zastosowania w układach elektronicznych, pamięciach magnetycznych oraz katalizie
heterogenicznej.
Cel naukowy pracy i proponowane metody badawcze.
Celem naukowym pracy jest wykorzystanie tzw. efektu samoorganizacji materiałów
nanoszonych metodą epitaksji z wiązek molekularnych. Podłoże promujące samoorganizację
powinno posiadać równomiernie rozłożone preferowane miejsca nukleacji nanoszonych
materiałów. Większość powierzchni metali nie oferuje tego typu miejsc. Wyjątkiem są
powierzchnie wicynalne, gdzie krawędzie tarasów służą jako preferowane miejsca nukleacji
nanocząstek/nanodrutów oraz złoto (111) z unikalną rekonstrukcją powierzchniową. Większe
możliwości oferują układy warstwowe typu metal-metal, w których, wskutek różnicy stałych sieci
metali, obserwuje się powstawanie tzw. struktur typu Moiré. Wykazano, iż struktury te mogą
służyć jako matryce do wzrostu nanocząstek metali. Największe możliwości oferują powierzchnie
cienkich warstw tlenków metali z uwagi na różnorodność rekonstrukcji powierzchniowych oraz
właściwości elektronowe mogące wpływać na nukleację i wzrost nanoszonego materiału.
Preparatyka wysoce uporządkowanych warstw tlenków na powierzchniach metali nie jest rzeczą
łatwą. Parametry takie jak temperatura podłoża, ciśnienie tlenu czy stała sieci podłoża mają
kluczowe znaczenie dla wzrostu tlenku. Pomimo tego, opracowano wiele skutecznych metod
wytwarzania cienkich warstw tlenków na powierzchniach monokryształów metali.
Etapy pracy:
1) Pierwszym etapem pracy będzie przygotowanie cienkich warstw tlenków kobaltu na
powierzchni monokryształów Pt(111) i Ru(0001). Procedura będzie uwzględniała
oczyszczenie powierzchni monokryształów poprzez bombardowanie jonami Ar+ i
wygrzewanie w wysokich temperaturach, nanoszenie atomów kobaltu na powierzchnię oraz
utlenianie kobaltu poprzez wygrzewanie w temperaturach 880-1000 K przy ciśnieniu tlenu 1
x 10-6 mbar. Określenie struktury i właściwości tych tlenków będzie miało istotne znaczenie
przy interpretacji danych dotyczących wzrostu nanoszonych materiałów. W celu zbadania
tych właściwości użyte zostaną metody LEED, XPS oraz mikroskopia STM. Jako że tlenki
kobaltu są materiałami magnetycznymi, wykonane zostaną także pomiary MFM w celu
określenia struktury magnetycznej powierzchni. W zależności od potrzeb zostaną również
wykorzystane inne dostępne metody badawcze.
2) Kolejnym etapem będzie zbadanie wzrostu Co na powierzchni tlenku kobaltu na Ru(0001).
Szczególna uwaga poświęcona zostanie zbadaniu ewentualnych efektów transferu ładunku
pomiędzy naniesionym materiałem i podłożem. W tym celu użyte zostaną metody XPS i STS.
3) Ostatnim i najważniejszym etapem projektu będzie zbadanie wzrostu nanocząstek metalu
ferromagnetycznego jakim jest kobalt na powierzchni tlenków kobaltu na Pt(111) i Ru(0001).
W tym celu użyta zostanie mikroskopia STM. Struktury, elektronowa i magnetyczna cząstek,
zostaną ocenione przy użyciu odpowiednio spektroskopii XPS oraz mikroskopii MFM.
Własności magnetyczne zostaną zbadane przy użyciu magnetometru PPMS, efektu Kerra oraz
ramanowskiego rozpraszania światła na stojących falach spinowych Wysoce zorganizowane
układy kobaltu mogą znaleźć potencjalne zastosowania w układach elektronicznych i
pamięciach magnetycznych nowego typu.
Metody badawcze oraz aparatura technologiczna i pomiarowa:
Środowiskowe Laboratorium Fizyki Powierzchni i Spektroskopii Tunelowej Instytutu Fizyki
Molekularnej PAN w Poznaniu wyposażone jest w urządzenia niezbędne do realizacji zadań
przedstawionego projektu badawczego. Eksperymenty będą prowadzone w ultrawysokopróżniowej (ang.: Ultra-High Vacuum (UHV)) komorze (ciśnienie bazowe 1 x 10-10 mbar)
wyposażonej w niezbędne narzędzia badawcze, służące do czyszczenia podłoża oraz preparatyki i
badania nanostruktur tlenowych.
W skład komory wchodzą następujące podkomory:
1) Komora technologiczna, umożliwiająca preparatykę próbek. Zawiera ona system służący do
wygrzewania próbek, działo jonowe umożliwiające czyszczenie podłoża poprzez
bombardowanie jonami argonu Ar+, 7 źródeł do naparowywania materiałów metodą epitaksji
z wiązek molekularnych, dyfraktometr elektronów wysokich energii (ang.: Reflection High
Energy Electron Diffraction (RHEED; STAIB)) umożliwiający obserwację wzrostu warstw
podczas procesu nanoszenia materiałów oraz stację do pomiaru oporu próbek podczas procesu
nanoszenia.
2) Komora analityczna, zawierająca spektrometr fotoelektronów (ang.: X-ray Photoelectron
Spectroscopy (XPS; VG SCIENTA R3000)) umożliwiający analizę struktury elektronowej
badanych struktur oraz dodatkowe działo jonowe pozwalające na trawienie próbek jonami Ar+
w trakcie pomiarów XPS. Ponadto komora ta umożliwia wykonywanie analiz powierzchni
techniką dyfrakcji niskoenergetycznych elektronów LEED
3) Komora mikroskopu ze skanującą sondą (ang.: Scanning Probe Microscopy (SPM; RHK UHV
750 AFM/STM)), który to mikroskop umożliwia obrazowanie topograficznej struktury
powierzchni próbek w trybach skaningowej mikroskopii tunelowej (ang.: Scanning Tunneling
Microscopy (STM)) i mikroskopii sił atomowych (ang.: Atomic Force Microscopy (AFM)), a
także obrazowanie struktury domen magnetycznych w trybie mikroskopii sił magnetycznych
(ang.: Magnetic Force Microscopy (MFM)). Dzięki systemowi chłodzenia próbki ciekłym
helem można obrazować strukturę próbek w zakresie temperatur 70-370 K. Mikroskopia
STM daje również możliwość spektroskopowych pomiarów struktury elektronowej
powierzchni (ang.: Scanning Tunneling Spectroscopy (STS)).
Dodatkowo dostępna jest następująca aparatura do pomiarów magnetycznych i elektrycznych:
1) Magnetometr ze zmiennym gradientem pola (ang.: Alternating Gradient Magnetometer
(AGM)), służący do pomiarów momentu magnetycznego w zakresie pól magnetycznych o
indukcjach ± 2 T.
2) Stanowisko do pomiarów oporu, magnetooporu i efektu Halla w elektromagnesie w zakresie
pól magnetycznych o indukcjach ± 2 T.