Study of organic semiconductor / ferromagnet interfaces by spin-polarized electron scattering and photoemission

par Fatima Zohra Djeghloul

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée

Sous la direction de Wolfgang Weber.

Soutenue le 26-11-2013

à Strasbourg , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg) , en partenariat avec Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Bernard Doudin.

Les rapporteurs étaient Henri-Jean Drouhin, Markus Donath.

  • Titre traduit

    Etude des interfaces semi-conducteur organiques/ ferromagnétiques par la diffusion d'électrons polarisés en spin et la photoémission


  • Résumé

    J'ai étudié les interfaces semi-conducteur organiques/ferromagnétique par la diffusion des électrons et la photoémission résolue en spin. Dans la première partie, un comportement inattendu de la réflexion d'électrons dépendante de spin à ces interfaces est observé. En fait, une couverture sous-monocouche des molécules organiques rend l’amplitude de réflexion d’électrons indépendante de spin, c.à.d. que la réflectivité ainsi que la phase de réflexion devient indépendante de l'orientation du spin des électrons incidents. Bien que je ne sois pas en mesure d'identifier la cause de ce phénomène, je montre qu'il s'agit d'un phénomène très général qui est indépendante de l'énergie des électrons primaires, du choix du substrat ferromagnétique, du choix de la molécule organique, et de l'orientation de la polarisation initiale. Il n'est pas du à un changement de l’aimantation de surface, à une dépolarisation des électrons primaires, ou à une interaction directe des molécules avec le substrat ferromagnétique. En outre, la théorie ne prédit pas les résultats expérimentaux et d'autres recherches sont donc nécessaires pour dévoiler la physique derrière ces observations. Dans la seconde partie de ma thèse, les expériences de photoémission résolue en spin sont réalisées au synchrotron SOLEIL. Le résultat principal est l'observation d'un état électronique induite par les molécules organiques près du niveau de Fermi qui est hautement polarisé en spin. Des mesures en fonction de l’épaisseur de la couche organique permettent d’identifier le caractère interfacial de cet état électronique. Enfin, ces résultats sont comparés avec des calculs théoriques effectués à l'institut.


  • Résumé

    I studied organic semiconductor/ferromagnet interfaces by characterizing them by spin-polarized electron scattering and photoemission spectroscopy experiments. In the first part, a completely unexpected behaviour of the spin-dependent electron reflection properties of these interfaces is observed. In fact, sub-monolayer coverage of the organic molecules makes the electron reflection amplitude independent of the spin, i.e. both the reflectivity and the reflection phase become independent of the spin orientation of the incident electrons. Although I am not able at the moment to identify the cause of this phenomenon, I show that it is a very general phenomenon which is independent of the energy of the primary electrons, the choice of the ferromagnetic substrate, the choice of the organic molecule, and of the orientation of the initial spin polarization. It is not due to a change of the surface magnetization, a depolarization of the primary electrons, or a direct interaction of the molecules with the ferromagnetic substrate. Moreover, theory does not predict so far the experimental results and further research is required to unveil the physics behind these observations. In the second part of my thesis, spin-resolved photoemission experiments have been performed at the synchrotron SOLEIL. The main result is the observation of a highly spin-polarized molecule-induced electronic state close to the Fermi level. Measurements as a function of the organic layer thickness allow us to determine the interfacial character of this electronic state. Finally, these results are compared with theoretical calculations performed at the institute.


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