Résumé :
Les nanostructures magnétiques peuvent avoir des propriétés très différentes de celles des matériaux massifs. Une des méthodes pour élaborer de petits objets est l’évaporation sur un substrat nanostructuré tel qu’une surface vicinale présentant des marches à l’échelle atomique. La compréhension des propriétés magnétiques de ces systèmes nécessite une caractérisation précise de leur structure et de leur morphologie afin d’évaluer les effets dus aux contraintes épitaxiales et aux dimensions réduites. Nous avons étudié les films de cobalt déposés sur des surfaces de Cu(1 1 11) et Cu(115) par trois techniques. Leur magnétisme a été sondé par effet Kerr magnéto-optique tandis que leur morphologie et leur structure cristallographique ont fait l’objet de mesures respectivement par microscopie à effet tunnel et EXAFS de surface. Les mesures par effet Kerr montrent une anisotropie uniaxiale magnétique avec un axe de facile aimantation parallèle aux bords de marches. L’anisotropie mesurée sur Cu(115), le substrat ayant les terrasses les moins larges, est plus importante. Les expériences de STM montrent la forte mobilité du cuivre dès les faibles taux de couverture ainsi qu’une grande évolution de la morphologie en fonction de la quantité de cobalt déposée. Grâce à l’EXAFS, nous avons montré que dès 3 monocouches (MC) de cobalt sur Cu(1 1 11) et 5 MC sur Cu(115), la structure est quasiment identique à celle observée sur Cu (001) i.e. tétragonale à faces centrées et que la présence de terrasses étroites n’engendrent pas d’anisotropie dans le plan (001). Des simulations de l’anisotropie magnétique prenant en compte les liaisons manquantes à la surface et en bord de marche (modèle de Néel) ainsi que les effets magnétoélastiques induits par la tétragonalisation de la maille montrent que l’anisotropie uniaxiale est très majoritairement due à la morphologie des films et que la distorsion de la maille de cobalt y contribue très peu.
Mots clés : Films magnétiques, cobalt, surface vicinale, cuivre, effet Kerr magnéto-optique, EXAFS de surface, microscopie à effet tunnel, Cu(115), Cu(1 1 11)
Magnetism, structure and morphology of cobalt thin films deposited on copper vicinal surfaces Cu(1 1 11) and Cu(1 1 5)
Abstract :
Magnetic nanostructures can have properties very different from those of bulk materials. One method to make small objects is to evaporate on a nanostructured substrate like vicinal surfaces with atomic steps. The understanding of magnetic properties of these systems requires a precise determination of their structure and morphology to evaluate the effects of their reduced size and their morphology. We have studied thin cobalt films deposited on Cu(1 1 11) and Cu(115) surfaces by three techniques. Magnetic properties were probed by magneto-optic Kerr effect whereas morphology and cristallographic structure were determined respectively by scanning tunneling microscope and surface EXAFS. The Kerr effects results show an uniaxial magnetic anisotropy with the easy axis along the step edge direction. The anisotropy on the substrate with smaller terraces (Cu(115)) is larger. The STM experiments show an important evolution of the morphology with the quantity of deposited cobalt. Thanks to EXAFS, we evidenced that from 3 monolayers (ML) of cobalt on Cu(1 1 11) and 5 ML on Cu(115), the structure is nearly the same as for Co /Cu(001) i.e. face centered tetragonal and we show that the presence of narrow terraces does not induce any structural anisotropy in the (001) plane. Simulations of magnetic anisotropy which account for missing bonds at the surface and at the step edge (Néel model) and magnetoelastic effects induced by the tetragonalisation show that the uniaxial anisotropy is mainly due to the films morphology and that the structural distortion contribution is very small.
Keywords: Magnetic thin films, cobalt, vicinal surface, copper, Kerr effect magneto-optical, surface EXAFS, scanning tunneling microscopy, Cu (115), Cu (1 1 11).
DRECAM/SPCSI