First-Principles Theory of Scanning Tunneling Microscopy Applied to Transition-Metal Surfaces

vorgelegt von

Stefan Heinze

aus Aachen

Hamburg (2000)

Schlagworte: Theorie des STM, Dichtefunktionaltheorie, Übergangsmetalle

The investigation of plain and laterally structured transition-metal surfaces plays a key role in surface chemistry, in nanomagnetism, in the evolving field of magneto-electronics, and for respective applications, e.g. in the magnetic-storage industry. Understanding the structural, electronic, chemical, and magnetic properties at transition-metal surfaces on the nanometer down to the atomic scale is an essential prerequisite towards the development of new devices. The scanning tunneling microscope (STM) is a strong driving force in this field but the unambiguous interpretation of acquired data of transition metals on the atomic scale is at its infancy. In most cases STM images of transition metals are interpreted on the basis of a hard sphere model. It is shown that this is incorrect. The combination of state-of-the-art first-principles calculations of the electronic structure with the Tersoff-Hamann model of the STM provides a powerful and successful approach to interpret STM images of transition-metals on the atomic scale. In this thesis the first systematic investigation of STM images of transition metals on the atomic scale is presented. We cover five different problems:

(i) Images of plain surfaces: The influence of the electronic structure on STM images even in the simple case of pure transition-metal surfaces is demonstrated by the effect of a bias-voltage dependent corrugation reversal for bcc-(110) surfaces. (ii) Chemical identification: The difficulty of discriminating between different chemical species at a surface is treated with an example (CoSi₂(001)) showing how the proper understanding of experimental data can be accomplished by the aid of calculations. (iii) Buried interfaces: Since the intermixing in multi-component systems need not be confined to the surface layer, it is further dealt with the ability of the STM to image also buried structures, even in metal systems. The first direct STM images of buried transition-metal (Ir) structures in a noble-metal surface (Cu(001)) are presented, and the surprising effect is explained and generalized on the basis of the electronic structure. (iv) Magnetic identification using a non-magnetic tip: We explore the feasibility to discriminate different magnetic configurations on the basis of (non-spinpolarized) STM experiments for a complex system (Cr and Mn on Fe(001)). (v) Magnetic imaging with SP-STM: The potential of spin-polarized STM (SP-STM) to image magnetic structures on the ultimate, the atomic scale is discussed with an extension of the Tersoff-Hamann model. Applying this new idea to a Mn monolayer on W(110) leads to the first unambiguous experimental proof of the existence of two-dimensional antiferromagnetism predicted as early as 1988.

Die Untersuchung von einfachen und lateral strukturierten Übergangsmetalloberflächen spielt eine entscheidende Rolle in der Chemie an Oberflächen, im Nanomagnetismus, im sich zur Zeit entwickelnden Gebiet der Magneto-Elektronik und für entsprechende Anwendungen, z.B. in der Datenspeicherindustrie. Die strukturellen, elektronischen, chemischen und magnetischen Eigenschaften von Übergangsmetall-oberflächen auf der nanometer bis zur atomaren Skala zu verstehen, ist eine essentielle Voraussetzung zur Entwicklung neuer Bauelemente. Das Rastertunnelmikroskop (RTM, engl. STM) ist eine starke treibende Kraft auf diesem Gebiet, aber die eindeutige Interpretation der Meßdaten von Übergangsmetalloberflächen auf der ato-maren Skala ist erst an seinem Anfang. In den meisten Fällen werden RTM-Bilder auf der Grundlage eines Harte-Kugel-Modells gedeutet. Es wird hier gezeigt, daß dies nicht korrekt ist. Mit der Kombination von modernen ab initio Rechnungen der elektronischen Struktur und dem Tersoff-Hamann Modell für das RTM ergibt sich ein schlagkräftiger und erfolgreicher Ansatz zur Interpretation von RTM-Bildern von Übergangsmetalloberflächen auf der atomaren Skala. In dieser Arbeit wird die erste systematische Untersuchung von RTM-Bildern von Übergangsmetalloberflächen auf der atomaren Skala vorgestellt. Fünf verschiedene Bereiche werden abgedeckt:

(i) Bilder einfacher Oberflächen: Der Einfluß der elektronischen Struktur auf RTM-Bilder selbst im Fall von reinen Übergangsmetalloberflächen wird durch den Effekt der spannungsabhängigen Korrugationsumkehr für bcc-(110) Oberflächen demonstriert. (ii) Chemische Identifikation: Die Schwierigkeit chemisch unterschiedliche Atome an einer Oberfläche zu diskriminieren wird an einem Beispiel dargelegt (CoSi₂(001)), bei dem ein wirkliches Verständnis der experimentellen Daten nur mit der Hilfe der Rechnungen möglich wird. (iii) Vergrabene Grenzflächen: Da das Durchmischen in Multi-Komponenten Systemen nicht auf die Oberflächenlage beschränkt sein muß, wird weiter die Möglichkeit diskutiert, mit dem RTM auch vergrabene Strukturen abzubilden, sogar in Metallsystemen. Die ersten direkten RTM-Bilder einer vergrabenen Übergangsmetallstruktur (Ir) in einem Edelmetallsubstrat (Cu(001)) werden vorgestellt, und der überraschende Effekt wird auf der Grundlage der elektronischen Struktur erklärt und verallgemeinert. (iv) Magnetische Identifikation mit einer nichtmagnetischen Spitze: Es wird untersucht, inwiefern es bei einem komplexen magnetischen System (Cr und Mn auf Fe(001)) möglich ist, verschiedene magnetische Konfigurationen aufgrund von (nicht-spinpolarisierten) RTM Experimenten zu unterscheiden. (v) Magnetische Abbildung mit SP-RTM: Das Potential des spin-polarisierten RTM (SP-RTM), magnetische Strukturen auf der ultimativen, der atomaren Skala abzubilden, wird mittels einer Erweiterung des Tersoff-Hamann Mo-dells diskutiert. Die Anwendung dieser neuen Idee auf eine Monolage Mn auf W(110) führt zum ersten eindeutigen Nachweis für die Existenz des zwei-dimensionalen Antiferromagnetismus, der bereits 1988 theoretisch vorhergesagt worden ist.