Growth and characterization of new 2D magnetic materials

Abstract

This thesis presents the experimental investigation of different magnetic two-dimensional (2D) materials on Au(111) and on Bi2Se3. For the experimental characterization, different structural (low-temperature scanning tunneling microscopy (LT-STM) and low-energy electron diffraction (LEED)), chemical (x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and x-ray absorption spectroscopy (XAS)) and magnetic techniques (x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and magnetization curve measurements) have been used to investigate the material properties. The scope of this thesis was to investigate the properties of monolayer (ML) and multilayer samples of new two-dimensional (2D) transition metal di-halides (TMDH) magnetic materials. In 2017 the first 2D magnets were found and characterized and since then, the main focus in the area of new 2D magnetic materials has been on transition metal di-chalcogenide (TMDC) and transition metal tri-halide (TMTH). Only recently also TMDH has been added in the research field. The focus of this work is the characterization of different transition metal di-halide (TMDH) on Au(111) and Bi2Se3. The work in this thesis builds the needed fundamental background for later possible spintronic device applications. In the first and second part of the thesis, FeBr2 was grown on Au(111) and Bi2Se3 to investigate the material properties as a function of thickness and growth temperature. On Au(111), the FeBr2 ML sample shows clear differences in the magnetic properties compared to the bilayer (BL) or trilayer (TL) sample. Additionally to the change in the magnetic properties, the structural properties are changing during the transition from ML to BL. The observed hexagonal superstructure of the first layer of FeBr2 on Au(111) with a periodicity of ≈ 1 nm disappears after the second layer is grown. The origin of the superstructure is related to the strong interaction with the Au(111) surface. These kind of structural changes between the first and second layer of FeBr2 are not observed on Bi2Se3, where a long-range moiré pattern was observed. Here the magnetic properties are unaffected from ML to multilayer coverages. Only for high coverages a possible bulk transition was investigated. Therefore, during the experimental investigation we were able to determine that the strong interaction with the Au(111) substrate leads to a change in the magnetic properties of the first ML of FeBr2. This change is not observed by growing them on Bi2Se3. In the third and last part of the thesis, MnBr2 and MnCl2 have been grown on Au(111) to compare how the different halides affect the magnetic properties for different coverages on Au(111). During the characterization, a temperature-related structural change was investigated for both materials which resulted in specific rotational orientations on Au(111). Nevertheless, this temperature effect does not affect the chemical composition and oxidation state on Au(111). By comparing the magnetic properties of MnBr2 and MnCl2 on Au(111), a difference in the magnetic saturation behavior on Au(111) is observed, which could be related to the weaker interaction of Cl with Au, compared to Br with Au.

Diese Dissertation fasst die Ergebnisse der experimentellen Charakterisierung verschiedener magnetischer zweidimensionaler (2D) Materialien auf Au(111) und Bi2Se3 zusammen. Die Materialien wurden mit Hilfe von Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie (LT-STM) und niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) strukturell charakterisiert. Die chemische und magnetische Charakterisierung erfolgte mit Hilfe von Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) sowie Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und magnetischem Röntgen-Zirkulardichroismus (XMCD). Das Ziel dieser Arbeit war es, die Eigenschaften von Monolagen (ML) und mehrschichtigen Proben neuer magnetischer 2D Übergangsmetall-Dihaliden (TMDH) zu untersuchen. 2017 wurden die ersten 2D-Magnete entdeckt und charakterisiert. Seitdem liegt das Hauptaugenmerk im Bereich der neuen 2D magnetischen Materialien auf Übergangsmetall-Dichalcogeniden (TMDC) und Übergangsmetall-Trihaliden (TMTH). Erst seit kurzem sind auch TMDH stärker in den Fokus der Forschung gerückt. In dieser Arbeit werden verschiedene TMDH auf Au(111) und Bi2Se3 charakterisiert. Die durchgeführten Experimente im Rahmen dieser Dissertation liefern die notwendigen grundlegenden Hintergrundinformationen für spätere Anwendungen im Bereich von spinelektronischen Anwendungen. Im ersten und zweiten Abschnitt dieser Dissertation wird das Wachstum von FeBr2 auf Au(111) und Bi2Se3 beschrieben und die materialspezifischen Eigenschaften als Funktion der Materialdicke und Wachstumstemperatur untersucht. Im Vergleich zu dickeren Proben sind die magnetischen Eigenschaften von einer ML FeBr2 auf Au(111) stark abgeschwächt. Ein weiterer Unterschied von ML und Mehrschichtproben von FeBr2 auf Au(111) ist die Oberflächenstruktur. Im Falle der ersten ML entsteht eine dominante hexagonale Überstruktur der ersten ML von FeBr2 mit einer Periodizität von ≈ 1 nm auf Au(111), welche nach dem vollständigen Wachstum der zweiten ML verschwindet. Die Ursache dieser Überstruktur ist die starke Wechselwirkung des Au(111)-Substrats mit den Br-Atomen des FeBr2. Solche dickenabhängigen Änderungen der Struktur sowie der magnetischen Eigenschaften konnten auf Bi2Se3 nicht beobachtet werden, jedoch kommt es zu einer dominanten langreichweitigen Moiré-Struktur. Auf beiden Substraten konnten keine Änderungen der chemischen Zusammensetzung und des Oxidationszustandes festgestellt werden. Ebenfalls konnte keine Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften im ML-Bereich auf Bi2Se3 festgestellt werden. Die einzige beobachtbare Änderung der magnetischen Eigenschaften tritt in Mehrschicht-Systemen auf, wo es zu einem möglichen Übergang der Materialeigenschaften von ML zu Volumeneigenschaften kommt. Im Laufe der Charakterisierungsprozesse konnte festgestellt werden, dass es zwischen Au(111) und dem jeweiligen 2D-Material aufgrund der starken Wechselwirkung mit dem Substrat zu Änderungen der Eigenschaften der ersten ML kommt, welche im Falle von Bi2Se3 als Substrat nicht auftritt. Im letzten Teil der Dissertation werden MnBr2 und MnCl2 auf Au(111) charakterisiert. Es konnte eine temperaturabhängige Änderung des LEED-Bildes beobachtet werden, welche darauf hindeutet, dass das Material bei höheren Temperaturen präferiert unter bestimmten Winkeln auf dem Substrat wächst. Die chemischen Eigenschaften änderten sich jedoch nicht für die verschiedenen Wachstumstemperaturen. Die magnetischen Eigenschaften unterscheiden sich zwischen MnBr2 und MnCl2 auf Au(111). Dies kann eine Folge der unterschiedlichen Wechselwirkung von Cl oder Br mit Au sein.