Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/11585
Title: ELECTRONIC AND MAGNETIC PROPERTIES OF IMPURITIES AND CLUSTERS ON METAL SURFACES
Authors: VERONESE, MARCO
Issue Date: 6-Apr-2004
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: La struttura elettronica ed il magnetismo di atomi singoli e impurezze di metalli di transizione deposti su superfici metalliche sono stati studiati per mezzo di tecniche dicroiche di assorbimento dei raggi X (XMCD) e misure di magnetizzazione, in alti campi magnetici ed a temperature criogeniche. Le caratteristiche uniche delle XMCD nell'investigare sia momenti magnetici di spin che orbitali con selettività chimica sono state applicate a sistemi estremamente diluiti, con concentrazione di superficie dell'ordine di 1012 atomi cm-2 , fino al limite di atomi isolati. Questo genere di misure è stato applicato ai sistemi di impurezze di superficie soltanto in ultimi anni grazie alla disponibilità di sorgenti di radiazione di sincrotrone di elevata brillanza. Ad oggi queste misure rappresentano un esempio di punta nello studio sul magnetismo delle impurezze di superficie. l risultati sono riportati per tre gruppi di sistemi: Impurezze di V e Mn sulla superficie dei metalli alcalini (Cs, K, Na); atomi isolati di Mn, V, Fe, Co sulla superficie Cu(100) ed atomi isolati di Co su Pt(111 ).Inoltre è presentato uno studio della distribuzione dei momenti magnetici di uno strato monoatomico di manganese accoppiato alla superficie Fe(1 00). Il manganese su potassio è stato indicato possedere una configurazione elettronica simile a quella atomica d5 . Questa configurazione elettronica è particolarmente stabile per i piccoli cambiamenti di ibridazione indotti dal cambiamento della densità elettronica nei dai metalli alcalini. Se l'ibridazione è ulteriormente aumentata come nel caso di atomi di M n deposti su Al(1 00) le caratteristiche spettroscopiche che si evidenziano in strutture di multipletti atomici negli spettri sono soppresse e con esse il magnetismo. Le impurezze di vanadio sulle superfici alcaline mostrano una configurazione elettronica che non più così simile a quella degli atomi liberi, come ad esempio le configurazioni d o d4 .11 momento orbitale è trovato essere piccolo, minore di 0.5 f.ls, rispetto al momento orbitale delle configurazioni puramente atomiche, ma in similitudine con esse è allineato antiparallelamente al momento di spin. Inoltre il momento orbita le diminuisce risalendo lungo la colonna dei metalli alcalini (gruppo 1 A della tabella periodica degli elementi), cioè andando dal Cs al Li, mentre la densità elettronica è aumentata. Questo effetto è legato all'aumento dell'ibridazione dovuta alla maggiore densità elettronica. l momenti magnetici misurati sono dell'ordine di 3 f.ls e non possono essere spiegati con parametri puramente atomici. Due meccanismi possibili vengono proposti per spiegare l'estinzione parziale del momento orbitale: l'effetto di un debole campo cristallino e l'effetto dell'ibridazione in concomitanza con maggiore larghezza dello stato regato di Friedel nel caso dei primi elementi della serie dei metallo di transizione 3d. Gli atomi isolati di Fe sulla superficie del Cu(1 00) mostrano una grande anisotropia magnetica, di 1,5 me V/atomo ed un momento magnetico orbitale aumentato rispetto al Fedi volume. Il substrato di Cu non contribuisce considerevolmente all'anisotropia come nel caso del Co su platino. All'opposto gli atomi isolati di Co su Cu(100) non mostrano alcuni dicroismo e quindi alcun magnetismo. Questo risultato è spiegato in termini di effetto Kondo, poiché i singoli atomi di Co sono stati trovati per essere un sistema di Kondo con T K=88 K. Un confronto dei dati sperimentali per impurezze di V, M n, Fe e Co su Cu(1 00) con il comportamento magnetico calcolato dei adatomi lungo la serie 3d, mostra un buon accordo generale, ma con deviazioni importanti per le impurezze di Co e di V. Atomi singoli atomi di Co sulla superficie del Pt(111) hanno una straordinaria anisotropia magnetica di circa 9,2 meV/atomo (circa 1000 volte quella del Co di volume) ed ad oggi la più alta energia di anisotropia magnetica misurata per un sistema magnetico. L'origine di un effetto cosi' grande risiede in un momento orbitale aumentato dalla ridotta coordinazione del singolo atomo, alla rottura di simmetria sulla superficie ed all'effetto dell'ibridazione del platino, conseguenza di un mescolamento di stati 3d-5d tra Co ePt, che porta il substrato a contribuire all'anisotropia magnetica totale.
The electronic structure and the magnetism of transition metal single atoms and magnetic impurities on metal surfaces have been studied by means of x-ray absorption dichroic techniques (XMCD, and magnetization measurements) in high magnetic fields and at low temperatures. The unique capabilities of XMCD to probe the both spin and orbital magnetic moments with element selectivity have been applied to diluted systems with low surface concentration (1012 atoms cm-2 ) down to the limit of isolated atoms. This kind of measurements have been applied to surface impurity systems only in the last few year thanks to the availability of high flux and brilliance synchrotron radiation sources. At the present these measurements represent the state of the art in the study of the magnetism of surface impurities. Results are reported for three different classes of systems: Mn and V impurities on the surface of alkali metals (Cs, K, N a); M n, V, Fe, Co single atoms on the Cu(1 00) surface an d Co single atoms on the Pt(111) surface. Furthermore results have been presented, regarding the magnetic moment distribution of a Mn monolayer coupled to the Fe(1 00) surface. Manganese on potassium has been shown to possess an atomic like magnetic d5 electronic configuration. This electronic configuration is particularly stable for small hybridization changes induced by alkali metals of increased electronic density. lf the hybridization is further increased as on Al(100) the spectroscopic features related to atomic multiplets are suppressed together with magnetism. Vanadium impurities on alkali metal surfaces also show atomic multiplet features. The electronic configuration is not an atomic-like configuration as d3 or d4 . The orbital moment is found to be small, less than 0.5 !-ls with respect to the purely atomic configurations and to be antiparallel to the spin. lt decreases along the alkali metals column (group 1A) of the periodic table, as the electronic density is increased, i.e. going from Cs to Li. This effect is related to an increased hybridization with the substrate due to the larger electronic density. The measured magnetic moments are of the order of 3)-ls, and cannot be explained with simple atomic parameters. Two possible mechanisms have been proposed to explain the partial quenching of the orbital moment, the effect of a weak crystal field and the effect of hybridization through the larger width of Friedel resonant bound state for the early elements of 3d transition metal series. Fe single atoms on Cu(100) surface have a large ot1f of plane magnetic anisotropy of 1.5 meV/atom and enhanced orbital magnetic moment with the respect to the bulk. The Cu substrate does not contribute considerably to the anisotropy as in the case of Co o n Pt. At the apposite Co single atoms on Cu(1 00) surface do not show any dichroism an d hence magnetism. This result ca n be explained on the basis of the Kondo effect, since Co single atoms have been found to be a Kondo system with T K=88 K. A comparison of the experimental data for V, Mn, Fe, Co impurities on Cu(100) with the calculated magnetic behavior of adatoms along the 3d series, gives an overall reasonable agreement, with important deviations for V and Co impurities. Co single atoms on the Pt(111) surface have an extraordinary large out of plane magnetic anisotropy of about 9.2 meV/atom due to the interplay between an enhanced orbital moment, consequence reduced coordination of the single atom, at the surface, and the effect of Pt hybridization, consequence of a d-d mixing between Co and Pt orbitals. This result is of particular relevance since this magnetic anisotropy is the highest measured, by now, for any system.
Description: 2002/2003
URI: http://thesis2.sba.units.it/store/handle/item/12556
http://hdl.handle.net/10077/11585
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