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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-52151
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/5215/


Single-atom magnetism mapped by spin-polarized scanning tunneling microscopy

Magnetismus einzelner Atome untersucht mit Rastertunnelmikroskopie

Zhou, Lihui

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Rastertunnelmikroskop , Rastertunnelmikroskopie , Magnetismus , Adsorbat , Austauschwechselwirkung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Oberflächenmagnetismus , elektronische Struktur , RKKY-Wechselwirkung
Freie Schlagwörter (Englisch): scanning tunneling microscopy , surface magnetism , electronic structure , exchange interaction , RKKY interaction
Basisklassifikation: 33.61 , 33.68 , 33.05 , 33.60 , 33.75
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Wiesendanger, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.01.2011
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 08.07.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Spin-polarized scanning tunneling spectroscopy is well suited to study the correlation between structural, electronic and magnetic properties with high spatial and energy resolution. This thesis reports on the first observation of magnetization curves of individual atoms by spin-polarized scanning tunneling spectroscopy (single-atom magnetization curves), which is used to investigate Co atoms adsorbed on Pt(111) and Fe atoms adsorbed on Cu(111).
A systematic study of different Co nanostructures on Pt(111) reveals an inversion of the spin polarization in the vacuum above individual Co atoms with respect to larger Co nanostructures, as e.g., dimers and layers, which is attributed to the enhanced rotation symmetry of single atoms. This effect is believed to be general for single magnetic atoms adsorbed on surfaces.
The magnetization of the isolated Co atoms is found to be switching at 0.3 K, which is as yet too rapid to observe, and hence they behave paramagnetically. Fitting to a quasiclassical paramagnetic model, the magnetic moment is deduced to have a mean value of 3.5 $\mu_B$ with a wide spreading.
Co atoms located close to Co nanowires are proven to be stabilized due to the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) coupling with the nanowires which is probably mediated by a surface resonance of Pt(111). As revealed by the investigation of Co pairs the RKKY coupling depends strongly on the distance and especially on the relative direction with respect to the substrate on the atomic scale, which is attributed to the non-spherical Fermi surface of the substrate. The measured pairwise RKKY coupling map is demonstrated to reliably predict the magnetism of more complex nanostructures built from a larger number of atoms. The same indirect exchange interaction between distant individual Co atoms forms a spatially inhomogeneous mean field, giving rise to the spreading in the magnetic moments.
A spin polarization above the Pt(111) surface in the vicinity of the Co nanowires is detected and found to be exponentially decaying in lateral distance from the interface with a long decay length of 1 nm.
The investigation of Fe atoms on Cu(111) also reveals paramagnetism with an out-of-plane easy axis and an RKKY mean field with a comparable strength as for Co adatoms on Pt(111).
Kurzfassung auf Englisch: Spinpolarisierte Rastertunnelspektroskopie ist bestens geeignet zur Untersuchung der Korrelationen zwischen strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften mit hoher Orts- und Energieauflösung. In dieser Arbeit werden die ersten Messungen von Magnetisierungskurven einzelner Atome mit Hilfe von spinpolarisierter Rastertunnelspektroskopie (Einzelatom-Magnetisierungskurven) vorgestellt, welche verwendet werden um Co Atome auf Pt(111) und Fe Atome auf Cu(111) zu untersuchen.
Eine systematische Untersuchung verschiedener Co Nanostrukturen auf Pt(111) zeigt eine Inversion der Spinpolarisierung im Vakuum über einzelnen Co Atomen gegen über größeren Co Nanostrukturen, wie z.B. Dimeren und dünnen Schichten, was auf die höhere Rotationssymmetrie der Einzelatome zurückgeführt wird. Bei diesem Effekt handelt es sich vermutlich um eine allgemeine Eigenschaft einzelner auf Oberflächen adsorbierter magnetischer Atome.
Die Magnetisierungsrichtung einzelner Co Atome schaltet selbst bei 0.3 K mit einer Frequenz die Zeitauflösung des Experiments übersteigt. Daher wird ein paramagnetisches Verhalten der Atome beobachtet. Durch anfitten eines quasi-klassischen paramagnetischen Modells wird auf ein mittleres magnetisches Moment von 3.5 $\mu_B$ geschlossen, mit einer breiten Streuung der Messwerte um den Mittelwert.
Co Atome in der Nähe von Co Nanodrähten zeigen eine Stabilisierung ihrer Magnetisierungsrichtung durch die die Rudermann-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY)-Wechselwirkung mit den Nanodrähten, welche vermutlich über eine Oberflächenresonanz von Pt(111) vermittelt wird. Die Untersuchung von Co Paaren zeigt, dass die RKKY-Kopplung stark vom Abstand und insbesondere von der relativen Richtung, bezogen auf die atomare Oberflächenstruktur des Substrats, abhängt. Dieser Effekt wird der nichtsphärischen Fermi-Fläche des Substrats zugeschrieben. Es wird gezeigt, dass die gemessenen paarweisen RKKY-Kopplungsstärken zuverlässige Vorhersagen über die magnetischen Eigenschaften komplexerer Nanostrukturen welche aus einer größeren Anzahl von Atomen bestehen, erlauben. Eben diese indirekte Austauschwechselwirkung zwischen weit voneinander entfernten einzelnen Co Atomen erzeugt ein räumlich inhomogenes effektives Magnetfeld, welches für die breite Streuung der gemessenen magnetischen Momente verantwortlich ist.
Über der Pt(111) Oberfläche wurde in der Nähe von Co Nanodrähten eine Spinpolarisierung gemessen, welche lateral exponentiell mit einer größen Abklingbreite von 1 nm mit dem Abstand vom Nanodraht abnimmt.
Die Untersuchung von Fe Atomen auf Cu(111) ergibt ebenfalls ein paramagnetisches Verhalten, mit der leichten Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Oberfläche und einem effektiven RKKY Magnetfeld welches mit dem für Co Atome auf Pt(111) vergleichbar ist.

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