Electronic  structure and magnetism of transition metal oxides : the case of Fe3O4

Weimin Wang

Résumé

Magnetite (Fe3O4) is a promising candidate for application in spintronic devices. This ferrimagnet with a high Curie temperature has been theoretically predicted to be a half-metal with a conductive minority-spin (↓) channel and a semiconductive majority-spin (↑) channel, resulting in 100 % spin polarization at the Fermi level. But up to now, any clear experimental evidence is lacking. This thesis presents spin- and angle-resolved photoemission studies on the magnetic and electronic structure of Fe3O4 (001) epitaxially grown on MgO (001). A band structure calculation using generalized gradient approximation plus U (GGA+U) to the density functional theory (DFT) is proposed to explain the experimental results. Although the PES intensity at Fermi level is very low because of the role played by polarons, a dispersion of the Fe 3d-t2g states is observed. The overall behaviour of these bands is in good agreement with the calculation of ground state electronic structure. In order to simulate the spectra, we used the free electron approximation for the final states, ignoring the matrix elements. Calculated ground state data are convoluted by Lorentzian and Gaussian functions to account for the lifetime and electron-phonon coupling effects, respectively. By integrating the spectral intensity over an energy interval of 100meV at Fermi level, we obtained the first experimental evidence of the Fermi surface plot. Determination of electron spin polarization is an ultimate test of both the band calculations and our model of Fe3O4 photoemission spectra. In our spin-resolved photoemission experiments 4.65 and 6.20 eV photons were used. The same sample was used as for spin-integrated ARPES, requiring its transfer through air to another chamber. It was not subject to any cleaning prior to the SRPES measurements that lead to a reduction of the spin polarization as a consequence of the presence of a dead layer on the surface. Nevertheless the spin polarization close to EF reaches - 50% and -72% for 6.20 and 4.65 eV photons respectively. We conclude that Fe3O4 can be described within a band model and in particular that it is half-metallic. We also used femtosecond laser pulses in pump-probe experiments to investigate ultrafast dynamics on atomic scale. Our results show that the lifetime of excited electrons in Fe3O4 is much longer than in an “ordinary” metal. From the spin analysis of excited electrons, we deduce that the demagnetization does not occur in the femtosecond range, which is compatible with half-metallic properties of magnetite.

La magnétite (Fe3O4) est un candidat prometteur pour des applications dans des dispositifs en spintronique. Ce ferrimagnétique avec une température de Curie élevée a été théoriquement prévu pour être un demi-métal avec un canal conducteur pour les spins minoritaire et un semi-conducteur pour les spins majoritaires, résultant en 100% de polarisation en spin au niveau de Fermi. Cependant, jusqu'à présent, aucune preuve expérimentale claire sur ce sujet n'a été faite. Cette thèse présente des études en photoémission résolue en angle et en spin sur la structure électronique et magnétique de couches minces de Fe3O4 (001) épitaxiées sur MgO(001) . Un calcul de la structure de bande utilisant l'approximation du gradient généralisé (GGA + U) est proposé pour expliquer les résultats expérimentaux. Bien que l'intensité de photémission au niveau de Fermi soit très faible en raison du rôle joué par les polarons, une dispersion de la bande Fe 3d-t2g est observée. Le comportement global de cette bande est en bon accord avec le calcul de la structure état électronique représentant état fondamental. Pour simuler les spectres de photoémission, nous avons utilisé l'approximation de l'électron libre à l'état final, tout en ignorant les éléments de matrice de la transition électronique. Dans la simulation, les bandes calculées sont convoluées respectivement par la lorentzienne et la gaussien pour tenir compte de la durée de vie et des effets de couplage électron-phonon. En intégrant l'intensité spectrale sur un intervalle d'énergie de 100 MeV au niveau de Fermi, nous avons obtenu la première preuve expérimentale de la surface de Fermi. Détermination de la polarisation de spin des électrons est un test ultime des calculs de bandes et des spectres de photoémission modélisés. Dans nos expériences de photoémission résolue en spin, nous avons utilisé des photons de 4.65 et 6.20 eV. Le même échantillon comme pour la photoémission intégré en spin a été mesuré, nécessitant son transfert par l'air dans une autre chambre. L'échantillons n'a pas été soumis à un nettoyage avant les mesures résolues en spin ce a conduit à une réduction de la polarisation en spin à cause de la présence d'une couche polluée sur la surface. Néanmoins, une polarisation de spin de - 50% et -72 % a été mesurée au voisinage de EF respectivement pour les photons de 6.20 et de 4.65 eV. Nous en concluons que Fe3O4 peuvent être décrits par un modèle de bande et en particulier qu'il est demi-métallique. Nous avons également utilisé des impulsions femtoseconde laser dans une expérience pompe-sonde pour étudier la dynamique ultra-rapide à l'échelle atomique. Nos résultats montrent que la durée de vie des électrons excités dans Fe3O4 est beaucoup plus longue que dans un métal «ordinaire». L'analyse de la polarisation en spin des électrons excités montre que la désaimantation ne se produit pas dans le domaine de la femtoseconde, ce qui est compatible avec des propriétés demi-métalliques de la magnétite .

Mots clés

Half-metal Spin polarization

Demi-métal Magnétite Photoémission Polarisation de spin

Domaines

Autre [cond-mat.other]