Física de Superficies
Time of flight spectra

(a) Espectro de Tiempo-de-vuelo correspondiente a la dispersión de iones de Ne en las energías dadas en una superficie de Cu(100)


Diffraction pattern

(b) Figura de difracción producido por la dispersión de electrones de baja energía (220 eV) en Cu(100).

* Ambos experimentos ealizados en la línea UHV-LEIS

Las actividades científicas en la línea de Superficies se centran en el crecimiento y caracterización de películas muy delgadas de materiales y en el estudio de sus superficies e intercaras. Muchos materiales de importancia tecnológica encuentran aplicaciones en la forma de películas delgadas.

Un ejemplo de ello lo encontramos en el campo del almacenamiento de información en soportes magnéticos. Se espera no sólo aumentar la capacidad de dispositivos convencionales como discos duros, sino también desarrollar nuevos elementos espintrónicos que permitan la existencia de nuevas arquitecturas informáticas basadas en memorias RAM magnéticas (MRAM) o en uniones túnel magnéticas (MTJ). Para este fin es esencial el control de propiedades como la anisotropía magnética, que puede depender de una manera muy sensible de la composición, morfología y estructura cristalina de las películas.

Cuando las dimensiones de un sistema se aproximan a la escala nanométrica, las propiedades físicas vienen determinadas cada vez en mayor medida por las de las superficies e intercaras. Por otra parte, la sensibilidad a defectos estructurales aumenta. Por ejemplo, es bien conocido que las propiedades magnéticas del hierro volúmico dependen fuertemente del parámetro de red [1]. Debido a esto y a las distintas fases estructurales presentes en películas de Fe epitaxiales, el comportamiento magnético de películas ultrafinas de Fe sobre Cu(100) es muy complejo [2]. Por ello, la realización de una detallada caracterización mediante el empleo de técnicas sensibles a la superficie es de enorme importancia para entender las propiedades de los sistemas y ser capaces de diseñarlos para resolver necesidades específicas.

La línea UHV‐surperficies del CMAM cuenta con una poderosa combinación de equipamiento para el crecimiento de películas delgadas epitaxiales por epitaxia de haces moleculares (MBE) y caracterización  in-situ mediante el empleo de distintas técnicas experientales. Éstas se pueden clasificar en técnicas de caracterización de películas delgadas, entre ellas las basadas en las técnicas estándar de haces de iones que emplean los iones de alta energía aportados por el acelerador del CMAM [espectroscopía de retrodispersión Rutherford (RBS), detección de retroceso elástico (ERDA), etc.] y métodos de caracterización superficial [dispersión de iones de pequeña energía (LEIS), difracción de electrones de pequeña energía (LEED) y espectroscopía de electrones Auger (AES)]. El sistema LEIS-ToF representa un sistema experimental de características muy especiales para la determinación estructural superficial. En él, la muestra es bombardeada por un haz pulsado de iones de gases nobles (He, Ar, Ne...) con energías típicas en el rango de 2 a 6 keV y se registran espectros de tiempo de vuelo (ToF) de las partículas dispersadas y en retroceso. Se pueden obtener barridos polares o acimutales de la intensidad de las partículas dispersadas o en retroceso por medio de rotaciones de la muestra. De esta manera, empleando fluencias iónicas menores que 1012 iones/cm2, se pueden realizar determinaciones estructurales causando un daño mínimo a la muestra [3]. Esto representa una técnica sensible a la superficie y complementaria a LEED en muchos aspectos.

Esta combinación de instalaciones para el crecimiento y técnicas de análisis permite el estudio de muchos materiales interesantes por sus aplicaciones magnéticas. Entre ellos, los materiales que contienen tierras raras muestran propiedades magnéticas peculiares. Los compuestos entre metales de transición y tierras raras pueden combinar altas temperaturas de orden con elevadas anisotropías magnéticas. Por ejemplo, los sistemas Nd-Fe y Sm-Co contienen los materiales magneticamente más duros conocidos y son candidatos prometedores para acercarse al límite superparamagnético en nanoestructuras magnéticas. Otra clase de materiales con propiedades magnéticas interesantes son los óxidos de tierras raras; por ejemplo EuO es un semiconductor ferromagnético que muestra una transición con un cambio asociado de varios órdenes de magnitud en la resisitividad [4].  Se han observado efectos relevantes para la espintrónica en fases superficiales de otros óxidos de tierras raras, como el desdoblamiento Rashba en GdO [5]. También óxidos de metales de transición como CrO2, un “half-metal” ferromagnético [6], pueden mostrar una polarización de espín completa de los electrones de conducción. Hasta el momento se han realizado escasos estudios de caracterización estructural de películas delgadas de estos materiales. Por ello, es de esperar que la información estructural aportada por las técnicas disponibles en este sistema experimental produzca avances significativos en la comprensión de sus propiedades magnéticas.


1 V.L. Moruzzi, P.M. Markus and J. Kübler, Phys. Rev. B 39, 6957 (1989)
2 S. Müller, P. Bayer, C. Reischl, K. Heinz, B. Feldmann, H. Zillgen and M. Wuttig, Phys. Rev. Lett. 74, 765 (1995)
3 S.Y. Grachev, D.M. Borsa and D.O. Boerma, Surf. Sci. 516, 159 (2002)
4 P.G. Steeneken, L.H. Tjeng, I. Elfimov, G.A. Sawatzky, G. Ghiringhelli, N.B. Brookes and D.-J. Huang, Phys. Rev. Lett. 88, 047201 (2002)
5 O. Krupin, G. Bihlmayer, K. S4tarke, S. Gorovikov, J.E. Prieto, K. Döbrich, S. Blügel and G. Kaindl, Phys. Rev. B 71, 201403(R) (2005)
6 J.M. D. Coey and M. Venkatesan, J. Appl. Phys. 91, 8345 (2002)