Photoemission microscopy and spectroscopy of cobalt-intercalated graphene on silicon carbide

Abstract

Graphene-ferromagnet interfaces possess remarkable properties like induced magnetism in the graphene film, increased magnetic anisotropy in the ferromagnetic film, and chiral magnetism. Previously, the graphene-ferromagnet interface was investigated mainly on metallic substrates. Yet, silicon carbide (SiC) is a promising graphene substrate due to its semi-insulating properties and its industrial relevance. This thesis investigates for the first time the intercalation of thin cobalt films underneath graphene on SiC with emphasis on the structural, chemical, and magnetic properties of the intercalated cobalt films. The 6H-SiC(0001) samples were prepared in an argon atmosphere in order to achieve a homogeneous, large-area growth of the (6 √ 3 × 6 √ 3) -R30∘ (hereafter 6 √ 3) surface reconstruction. The 6 √ 3 structure can be regarded as a graphene layer that is partly covalently bonded to the SiC substrate. It is expected that the 6 √ 3 structure converts into a graphene film upon intercalation. Cobalt films with thicknesses 𝑡Co in a range of 0.4–12 nm were deposited at room temperature, at which no reaction with the 6 √ 3 reconstructed SiC surface was observed. During a controlled annealing procedure, the temperature and film thickness dependence of the intercalation process was investigated in real time by ultraviolet photoemission electron microscopy (UV-PEEM). The intercalation temperature strongly depends on the film thickness with a minimum of 340 ∘C for 𝑡Co = 1.4 nm. Structural and chemical information are provided by low-energy electron diffraction (LEED) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively. A partial conversion of the 6 √ 3 reconstruction into a graphene film is found for low 𝑡Co, whereas a full conversion is observed for high 𝑡Co. The partial conversion is associated with an agglomeration of the cobalt film, as found by x-ray photoemission electron microscopy (X-PEEM) images with chemical contrast recorded at the Co L3-edge. Furthermore, using Si 2p XPS spectra and x-ray absorption spectra (XAS) of the Co L-edge extracted from the X-PEEM images, a self-limited cobalt silicide formation that is independent of 𝑡Co is found at the Co-SiC interface. The magnetic properties of the cobalt film are investigated by X-PEEM images with magnetic contrast recorded at the Co L3-edge. A self-assembled nanowire formation at the SiC step edges is observed for low 𝑡Co, while for intermediate 𝑡Co a step anisotropy dominates the magnetic domain structure, and a bulk-like magnetic domain structure is present for high 𝑡Co.

Grenzschichten zwischen Graphen und ferromagnetischen Materialien besitzen bemerkenswerte Eigenschaften, wie zum Beispiel induzierter Magnetismus innerhalb des Graphen-Films, verstärkte magnetische Anisotropie innerhalb des ferromagnetischen Films und chirale magnetische Strukturen. Bislang wurde die Graphen- Ferromagnet-Grenzschicht hauptsächlich auf metallischen Substraten untersucht. Jedoch ist Siliziumkarbid (SiC) aufgrund seiner halb-isolierenden Eigenschaften und seiner industriellen Relevanz ebenfalls ein vielversprechendes Graphen-Substrat. Diese Arbeit befasst sich erstmalig mit der Interkalation von dünnen Kobalt-Filmen unter Graphen auf SiC, insbesondere mit den strukturellen, chemischen und magnetischen Eigenschaften der interkalierten Proben. Die 6H-SiC(0001) Proben wurden in einer Argon-Atmosphäre präpariert, um ein homogenes, großflächiges Wachstum der (6 √ 3 × 6 √ 3) -R30∘ (hiernach 6 √ 3) Oberflächen-Rekonstruktion zu erreichen. Die 6 √ 3 -Rekonstruktion kann als teilweise kovalent an das SiC gebundene Graphen- Schicht betrachtet werden. Es wird erwartet, dass die 6 √ 3-Struktur durch die Interkalation in einen Graphen-Film umgewandelt wird. Kobalt-Filme mit einer Schichtdicke 𝑡Co von 0.4–12 nm wurden bei Raumtemperatur aufgedampft, bei welcher keine Reaktion des Kobalts mit der 6 √ 3-Oberfläche beobachtet wurde. Während einer kontrollierten Erwärmung wurde die Temperatur- und Schichtdicken- Abhängigkeit des Interkalationsprozesses mittels Ultraviolett-Photoemissions-Elektronen- Mikroskopie (UV-PEEM) in Echtzeit untersucht. Die Interkalations-Temperatur hängt stark von der Kobalt-Schichtdicke ab, wobei das Minimum bei 340 ∘C für 𝑡Co = 1.4 nm liegt. Die strukturellen und chemischen Eigenschaften werden mittels niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Hierbei wird für geringe Kobalt-Schichtdicken eine partielle Umwandlung der 6 √ 3-Struktur in eine Graphen-Schicht beobachtet, wobei eine vollständige Umwandlung erst bei höherer Schichtdicke erreicht wird. Die unvollständige Umwandlung hängt mit einem Zerfall der Kobalt-Schicht in Inseln zusammen, welcher mittels durch Synchrotronstrahlung angeregter Photoemissions- Elektronenmikroskopie (X-PEEM) nachgewiesen wurde. Hierbei wurden Aufnahmen mit chemischem Kontrast an der Co L3-Kante angefertigt. Weiterhin wird mittels XPS-Spektren des Si 2p-Signals und Röntgen-Absorptionsspektren (XAS) der Co LKante eine von 𝑡Co unabhängige, selbst-limitierte Bildung von Kobalt-Silizid an der Co-SiC-Grenzschicht festgestellt. Die magnetischen Eigenschaften der Kobalt- Filme werden mittels an der Co L3-Kante aufgenommenen X-PEEM-Aufnahmen mit magnetischem Kontrast untersucht. Für geringe 𝑡Co zeigt sich eine selbstassemblierte Bildung von Nanodrähten an den SiC-Stufenkanten, für mittleres 𝑡Co eine durch Stufen-Anisotropie dominierte Domänenstruktur und für hohes 𝑡Co eine dem Volumenkristall entsprechende Domänenstruktur.