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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-28853
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2006/2885/


A new variable-temperature scanning tunneling microscope and temperature-dependent spin-polarized scanning tunneling spectroscopy on the Cr(001) surface

Aufbau eines temperatur-variablen Rastertunnelmikroskops und spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie an der Cr(001) Oberfläche

Hänke, Torben

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Basisklassifikation: 33.16 , 33.68
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Wiesendanger, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.09.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 24.04.2006
Kurzfassung auf Englisch: Scanning tunneling microscopy (STM) is a powerful tool to study the interplay between structural, electronic, and magnetic properties with high spatial and energy resolution. In this thesis the Cr(001) surface was investigated with regard to its temperature-dependent magnetic structure.
A new STM was designed that provides the ability to operate with high stability at a temperature between 20-300 K. The entire microscope, including both tip and sample, is cooled to provide high spectroscopic resolution at low temperatures. Furthermore, the STM is equipped with an in situ tip exchange mechanism to introduce magnetically coated tips into the STM.
With the new designed STM the spin-density wave (SDW) of Cr(001) has been investigated at temperatures between 20-300K by means of spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM). Although neutron scattering data measured on the same crystal clearly show a spin-flip transition from a transverse (T)-SDW to a longitudinal (L)-SDW at the expected spin-flip temperature TSF = 123K, no change was found on the Cr(001) surface with SP-STM. Throughout the entire temperature range the Cr(001) surface maintains a topological antiferromagnetic order with an in-plane magnetization that reverses between adjacent atomically flat terraces separated by monatomic step edges. The experimental results are interpreted by a suppression of a spin-flip transition in the near-surface region probably driven by the surface anisotropy. The continuous connection of the surface T-SDW to the bulk L-SDW is accomplished by the formation of a 90° domain wall just below the surface. In the last part of the thesis the temperaturedependent surface electronic structure of Cr(001) is investigated by means of scanning tunneling spectroscopy (STS) in the temperature range between 22K and 350 K. Consistent with earlier observations a sharp peak is found in the tunneling spectra close to the Fermi level EF. While the binding energy remains unchanged the peak broadens with increasing temperature. The experimental data are fitted within the framework of two physical models, i.e., in terms of a single-particle band theory and an orbital Kondo effect. Both models lead to a reasonable agreement between the fit and the experimental data at low temperatures. Using the Kondo model a Kondo temperature TK of 123K is obtained. If interpreted in terms of a single-particle band theory the fit results in an electron-phonon massenhancement factor Lambda which is 5-10 times larger than the Cr bulk value.
Kurzfassung auf Deutsch: Rastertunnelmikroskopie (RTM) ist eine hervorragende Methode, das Wechselspiel zwischen strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften mit einer hohen lateralen Empfindlichkeit bei gleichzeitig hoher Energieauflösung zu untersuchen. In dieser Arbeit wird die Cr(001)-Oberfläche in Hinblick auf ihre temperaturabhängige magnetische Struktur untersucht.
Hierfür wurde ein RTM für variable Temperaturen im Bereich von 20-300 K aufgebaut. Das Design des Instruments sieht die Kühlung sowohl der Spitze als auch der Probe vor, um bei tiefen Temperaturen von einer hohen Energieauflösung zu profitieren. Desweiteren ist das RTM mit einem in situ Spitzenwechselmechanismus ausgestattet, um magnetisch beschichtete Spitzen in das Mikroskop zu transferieren.
Mit diesem neuen Mikroskop wurde die Spindichtewelle (SDW) an der Cr(001)-Oberfäche bei Temperaturen von 20-300 K mittels spinpolarisierter Rastertunnelmikroskopie (SP-RTM) untersucht. Obwohl Neutronenstreuexperimente einen “spin-flip”-Phasenübergang von einer transversalen (T)-SDW hin zu einer longitudinalen (L)-SDW bei der erwarteten “spin-flip”-Temperatur von TSF = 123 K im Volumen zeigen, wurde keine Veränderung an der Cr(001)-Oberfläche mittels SP-RTM gefunden. Im gesamten Temperaturbereich behält die Cr(001)-Oberfläche die magnetische Struktur des topologischen Antiferromagnetismus. Die unterdrückung des “spin-flip”-Übergangs in der Oberflächenregion wird durch die Oberflächenanisotropie hervorgerufen, wobei der kontinuierliche Übergang von der T-SDW an der Oberfläche zur L-SDW im Volumen mittels Ausbildung einer 90° Domänenwand unterhalb der Oberfläche erreicht wird. Im letzten Teil der Arbeit wird die temperaturabhängige elektronische Struktur der Cr(001)-Oberfläche mittels Rastertunnelspektroskopie (RTS) untersucht. In Übereinstimmung mit publizierten Ergebnissen beobachte ich eine scharfe Resonanz im Spektrum der differentiellen Leitfähigkeit nahe dem Ferminiveau EF. Während die Bindungsenergie dieses Zustandes nahezu unverändert bleibt, verbreitert sich die Resonanz mit zunehmender Temperatur. Die experimentellen Daten werden im Rahmen zweier theoretischer Modelle, näamlich der Einteilchen-Bandstruktur-Theorie und des orbitalen Kondo-Modells diskutiert. Beide Modelle führen zu einer guten Übereinstimmung mit den experimentellen Daten bei tiefen Temperaturen. Unter Verwendung der Kondo-Modells läßt sich eine Kondotemperatur TK von 123 K ermitteln. Im Rahmen der Einteilchen-Bandstruktur-Theorie ergibt sich ein “electron-phonon mass-enhancement Faktor” Lambda, der um 5-10 Mal höher ist als der Wert, der experimentell für das Cr-Volumen ermittelt wurde.

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