Structure and morphology of NiO / Cu(111) and NiO /FeNi / Cu(111) ultra-thin layers and nanostructures

Structure et morphologie de couches ultraminces et nanostructures de NiO / Cu(111) et NiO / FeNi / Cu(111)

Stefan Stanescu (1)

1 IPCMS - Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg

The very first stages of the growth of NiO/Cu(111) interface, were characterized on a microscopic scale including chemical, morphological, and structural aspects. Different elaboration procedures were used and we combined in-situ laboratory and synchrotron radiation techniques. Complete exchange coupled NiO/FeNi/Cu(111) bilayer system have also been investigated. The metallic Ni/Cu(111) interface has been studied, evidencing the close relationship between morphology, structure and magnetic properties. The reduced spin magnetic moments were correlated with the Ni-Cu 3d hybridization and with the Cu capping. The in-plane orbital moment anisotropy, related with the Ni tetragonalization, confirms that the easy axis of magnetization is in the plane for all measured thin nickel films. Ultra-thin NiO films, obtained through MBE evaporation of NiO nuggets, were grown at room temperature and at 250°C. The resulting system can globally be described in terms of a spontaneous NiO/Ni/Cu(111) layering. Confirming the STM real-space observations, GISAXS experiments and calculations allowed evidencing the self-organized nature of the NiO islands obtained at room temperature. Due to the poor oxidizing efficiency of the molecular oxygen, the NiO films deposited from metallic Ni at 250°C, exhibit several differences with respect to those obtained by NiO nuggets evaporation at room temperature. A cluster nucleation/aggregation mechanism was proposed, based on the STM observations. Formation of alpha-Ni2O3 hexagonal phase, or structural distortion of the NiO(111)(sqrt(3)xsqrt(3))R30° structure could both explain the LEED and GIXD results. Exchange coupled NiO/FeNi/Cu(111) bilayer was elaborated using both, NiO nuggets and metallic Ni in oxygen partial pressure evaporation. Sharp NiO/FeNi interfaces were obtained, with textured NiO. Structural analysis of the NiO films deposited on FeNi/Cu(111) films evidenced twinned NiO(111), in much better epitaxy than the oxides deposited on the Cu(111) substrate.

Les premiers stades de la croissance du NiO/Cu(111) ont été caractérisés du point de vue chimique, morphologique et structurale à une échelle microscopique. Pour cela, nous avons utilisé différentes méthodes d'élaboration et combiné différentes techniques de laboratoire in situ ainsi que le rayonnement synchrotron. Les bicouches à couplage d'échange NiO/FeNi/Cu(111) ont aussi été étudiées. L'interface Ni/Cu(111) a été étudié en mettant en évidence les liens entre la morphologie, la structure et les propriétés magnétiques. Les valeurs réduites du moment de spin sont reliées à l'hybridation 3d à l'interface Ni-Cu et au recouvrement de Cu. Dans toute la gamme des épaisseurs étudiées l'anisotropie du moment orbital est dans le plan, déterminant l'orientation de l'axe de facile aimantation. Cette axe peut être reliée à la tétragonalisation du réseau cristallin du Ni. Des couches ultraminces de NiO ont été obtenues par évaporation à partir de pépites de NiO à température ambiante ainsi qu'à 250°C. Les couches minces peuvent être décrite par une bicouche NiO/Ni/Cu(111). Le GISAXS permettent de confirmer les observations STM et de mettre en évidence l'auto-organisation des îlots de NiO. Due à la faible efficacité d'oxydation, les couches minces de NiO déposées à partir du Ni métallique sous oxygène, présentent quelques différences par rapport aux couches déposées à partir des pépites. Le mécanisme de formation des îlots proposé est basé sur un processus de nucléation/agrégation de clusters. Les résultats structurales (LEED et GIXD) peuvent être attribués soit à la formation d'une phase hexagonale alpha-Ni2O3, soit à une distorsion structurale de la maille NiO(111)(sqrt(3)xsqrt(3))R30°. Le système à couplage d'échange NiO/FeNi/Cu(111) a été élaboré en utilisant les deux méthodes d'élaboration du NiO. L'interface NiO/FeNi est très abrupte, présentant une texturation suivant les axes cristallographiques. Les analyses structurales montrent une bonne épitaxie du NiO sur les films d'alliage FeNi.

Mots clés: small angle scattering; surfactant effect; epitaxy; nickel oxide; ultrathin films; magnetic dichroism; surface diffraction

Mots clés: oxyde de nickel; couches ultraminces; dichroïsme magnétique; diffraction de surface; diffusion aux petits angles; effet surfactant; epitaxie

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]; Physique [physics]

Stefan Stanescu. Structure and morphology of NiO / Cu(111) and NiO /FeNi / Cu(111) ultra-thin layers and nanostructures. Condensed Matter [cond-mat]. Université Louis Pasteur - Strasbourg I, 2002. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00010139⟩