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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-31120
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2006/3112/


Co on Pt(111) studied by spin-polarized scanning tunneling microscopy and spectroscopy

Meier, Focko Karl

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SWD-Schlagwörter: Rastertunnelmikroskopie , Cobalt , Platin , Magnetismus , Elektronenstruktur
Freie Schlagwörter (Deutsch): Rastertunnelspektroskoie , Stapelfehler
Freie Schlagwörter (Englisch): STM , STS , low temperature , low dimension , magnetism
Basisklassifikation: 33.75 , 33.68 , 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Wiesendanger, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.10.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 20.11.2006
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Arbeit wurden die elektronischen Eigenschaften der reinen Pt(111)- Oberfläche, die strukurellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften von
ein- und zweilagigen Co-Nanostrukturen sowie die spin-gemittelte elektronische Struktur von einzelnen Co-Atomen auf Pt(111) mittels Tief-Temperatur-Rastertunnelmikroskopie
(RTM) und -spektroskopie (RTS) untersucht.
Die Experimente auf der reinen Pt(111)-Oberfläche und den Co-Einzelatomen wurden in einer RTM-Anlage durchgeführt, die unter Ultrahochvakuum-Bedingungen bei Temperaturen bis zu 0.3K und bei Magnetfeldern bis zu 14T arbeitet.
Während meiner Arbeit wurde die Anlage in Betrieb genommen. Die Spezifikationsmessungen haben gezeigt, daß die Anlage über einen außerordentlich stabilen
Tunnelkontakt und eine Energieaufösung von 100 μeV verfügt, die nahe am thermischen Limit liegt. Die Untersuchung der elektronischen Struktur der reinen Pt(111)-Oberfläche
wiesen die Existenz eines unbesetzten Oberflächenzustandes nach. Durch den Vergleich der gemessenen Dispersion mit ab initio-Rechnungen zur elektronischen Struktur kann der Zustand einem sp-artigen Oberflächenband oberhalb der unteren Grenze der projektierten Bulkbandlücke zugeordnet werden. Aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung ist der Zustand spinaufgespalten. Die Nähe zu den Bulkbändern führt zu einem starken linearen Beitrag zur Dispersion und somit auch zu einem abweichenden Erscheinen in der gemessenen Zustandsdichte im Vergleich zu den Oberflächenzuständen der (111)-Edelmetalloberflächen.
Eine detaillierte Studie der ein- und zweilagigen Co-Nanostrukturen zeigt, daß beiden Nanostrukturen eine höchst inhomogene elektronische Struktur zu eigen
ist, die sich aufgrund des starken Einflusses der Stapelung bezüglich des Pt-Substrats innerhalb weniger Å ändert. Mit Hilfe von ab initio-Rechnungen kann die unterschiedliche spektroskopische Erscheinung der Co-Atome innerhalb einer
Monolage auf die stapelungsabhängige Hybridisierung der Co-Zustände mit den Substratszuständen zurückgeführt werden. Trotz dieser elektronischen Ungleichmäßigkeit können magnetische Domänen und Domänenwände klar mittels spinaufgelöster RTS beobachtet werden. Desweiteren wurden neue Einblicke hinsichtlich der Anisotropie der Co-Nanostrukturen sowie der starken Abhängigkeit
des Koerzitivätsfeldes von der Morphologie der Co-Doppellageninseln gewonnen.
Die Experimente, die auf den Co-Einzelatomen durchgeführt wurden, zeigen, daß zwei Gruppen von Co-Atomen auf der Pt(111)-Oberfläche zu finden sind. Jede Gruppe zeichnet sich durch eine spezifische spektroskopische Signatur aus.
Eine Analyse der spektroskopischen Messungen und der Atommanipulations-Experimente läßt schlußfolgern, daß die beobachteten Unterschiede auf die zwei möglichen Adsorptionplätze der Co-Atome auf dem Pt-Substrat zurückzuführen sind.
Kurzfassung auf Englisch: In this thesis the electronic properties of the bare Pt(111) surface, the structural, electronic, and magnetic properties of monolayer and double-layer high Co nanostructures as well as the spin-averaged electronic structure of single Co atoms on Pt(111) were studied by low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS).
The experiments on the bare Pt(111) surface and on single Co atoms have been performed in an STM facility operating at temperatures of down to 0.3K and at magnetic fields of up to 14T under ultra-high vacuum conditions. The facility has been taken into operation within the time period of this thesis and its specifications were tested by STS measurements. These characterization measurements show a
very high stability of the tunneling junction and an energy resolution of about 100 μeV, which is close to the thermal limit.
The investigation of the electronic structure of the bare Pt(111) surface reveals the existence of an unoccupied surface state. By a comparison of the measured dispersion to first-principles electronic structure calculations the state is assigned to an sp-derived surface band at the lower boundary of the projected bulk bandgap.
The surface state exhibits a strong spin-orbit coupling induced spin splitting.
The close vicinity to the bulk bands leads to a strong linear contribution to the dispersion and thus to a deviant appearance in the density of states in comparison
to the surface states of the (111) surfaces of noble metals.
A detailed study of Co monolayer and double-layer nanostructures on the Pt(111) surface shows that both kinds of nanostructures exhibit a highly inhomogeneous
electronic structure which changes at the scale of only a few Å due to a strong stacking dependence with respect to the Pt(111) substrate. With the help of first principles calculations the different spectroscopic appearance for Co
atoms within the Co monolayer is assigned to a stacking dependent hybridization of Co states with the substrate states. Despite this electronic inhomogeneity, the
magnetic domains and domain walls are clearly observed by spin-resolved STS. For both types of Co nanostructures the out-of-plane orientation of the magnetic moments is proven. Furthermore, new insights into the anisotropy of the Co nanostructures as well as a strong dependence of the coercivity on the local sample morphology for Co double-layer islands were found.
The experiments performed on single Co atoms on the Pt(111) surface show that two groups of Co atoms are present on the surface. Each group can be characterized by a specific spectroscopic signature. An analysis of the spectroscopy
and atom manipulation experiments proves that the spectroscopic differences are related to the two possible adsorption sites of the Co atoms on the Pt(111) substrate.

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