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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-67199
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6719/


Interaction of Transition Metal Adatoms and Dirac Materials investigated by Scanning Tunneling Microscopy and X-ray Magnetic Circular Dichroism

Wechselwirkung zwischen Übergangsmetalladatomen und Dirac Materialien untersucht mittels Rastertunnelmikroskopie und magnetischem Röntgenzirkulardichroismus

Eelbo, Thomas

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SWD-Schlagwörter: Graphen , Topologischer Isolator , Übergangsmetall , Rastertunnelmikroskopie , Magnetischer Röntgenzirkulardichroismus , Magnetische Anisotropie
Freie Schlagwörter (Deutsch): Adatom
Freie Schlagwörter (Englisch): adatom
Basisklassifikation: 33.68
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Wiesendanger, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.01.2014
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 22.04.2014
Kurzfassung auf Englisch: In the work at hand two novel classes of materials, graphene and topological insulators, were investigated. These were combined with single adsorbates and nanostructures of the transition metals Fe, Co, and Ni. The choice is motivated by their high technological importance, based on their ferromagnetic properties. The studies comprised both experimental methods, in particular scanning tunneling microscopy and X-ray spectroscopy, as well as theoretical calculations. The results allow for substantial conclusions concerning the electronic and magnetic properties of the adatoms and their influences on the respective substrate.

Graphene is a monatomic thick, flexible, and extraordinarily robust structure, built of carbon atoms. It exhibits peculiar electronic properties (e.g. high electrical conductivities), which originate from the bonding among the C atoms. Two different types of graphene on a SiC substrate were prepared and investigated.

In the first study, the decoupling of graphene was achieved by an additional carbon layer (graphene/SiC). In this case, single specific adsorption sites for Co and Ni and paramagnetic behavior of Fe and Co were found. In contrast, Ni-clusters are nonmagnetic as long as they consist of maximum four atoms. In the second study, the decoupling was achieved by hydrogen-passivation (quasi-free-standing graphene/SiC), which led to surprisingly strong deviating results. In this case, two simultaneously existing adsorption sites were observed for Co and Ni. This hints toward a significant influence of the underlying substrate, that needs to be considered for realistic modeling.

Topological insulators also show very unusual electronic properties. Ideally, three dimensional candidates exhibit no bulk conductivity. On the contrary, they feature conductive spinpolarized surface states.

For Co atoms on a Bi2Se3 substrate, two different adatom species were found, bound in the fcc/hcp position. A preferential orientation of the magnetic moments parallel to the surface plane was observed. At higher coverage, the average alignment of the moments rotated to a direction perpendicular to the surface plane. In this event, a heavy influence on the surface states is expected that, however, was not detected. The final investigation concerned Fe adsorbates on Bi2Te3. In this case, two different species of the atoms were found as well, again bound in the fcc/hcp position. Their magnetic moments showed a strong uniaxial anisotropy, perpendicular to the surface plane, already for the lowest coverage. The expected consequences on the topological insulator’s properties were not detected in this case though, too.
Kurzfassung auf Deutsch: In der vorliegenden Arbeit wurden zwei neuartige Materialklassen, Graphen und topologische Isolatoren, untersucht. Diese wurden mit Einzeladsorbaten und Nanostrukturen der Übergangsmetalle Fe, Co und Ni kombiniert. Die Wahl begründet sich durch deren hohe technologische Relevanz, basierend auf ihren ferromagnetischen Eigenschaften. Die Studien umfassten sowohl experimentelle Methoden, vornehmlich die Rastertunnelmikroskopie und die Röntgenspektroskopie, als auch theoretische Berechnungen. Die Ergebnisse erlauben wesentliche Rückschlüsse auf die elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Adatome, bzw. deren Auswirkungen auf das jeweilige Substrat.

Graphen ist eine monatomar dicke, flexible und ungemein belastbare Struktur, die aus Kohlenstoffatomen aufgebaut ist. Es weist besondere elektronische Eigenschaften auf (z.B. hohe elektrische Leitfähigkeiten), die aus der Bindung der C-Atome untereinander resultieren. Es wurden zwei verschiedene Graphen-Typen auf einem SiC Substrat präpariert und untersucht.

In der ersten Studie wurde die Entkopplung des Graphens durch eine zusätzliche Kohlenstofflage erreicht (Graphen/SiC). In diesem Fall wurden einzelne spezifische Adsorptionspositionen für Co und Ni Atome, sowie paramagnetisches Verhalten für Fe und Co aufgedeckt. Im Gegensatz dazu sind Ni-Cluster nichtmagnetisch, solange sie aus maximal vier Atomen bestehen. In der zweiten Studie wurde die Entkopplung durch eine Wasserstoff-Passivierung erreicht (quasi-freistehendes Graphen/SiC), was zu überraschend stark abweichenden Ergebnissen führte. In diesem Fall wurden für Co und Ni Atome zwei simultan existierende Adsorptionspositionen beobachtet. Das weist auf einen wesentlichen Einfluss des unterliegenden Substrats hin, der für eine realistische Beschreibung beachtet werden muss.

Topologische Isolatoren zeigen ebenfalls sehr ungewöhnliche elektronische Eigenschaften. Optimalerweise weisen dreidimensionale Kandidaten keine Leitfähigkeit im Inneren auf. Allerdings besitzen sie leitfähige spin-polarisierte Oberflächenzustände.

Für Co Atome auf einem Bi2Se3 Substrat wurden zwei verschiedene Adatomarten, gebunden in der fcc/hcp Position, gefunden. Eine Vorzugsrichtung der magnetischen Momente parallel zur Oberfläche wurde beobachtet. Bei höherer Bedeckung drehte die gemittelte Ausrichtung senkrecht zur Oberfläche. In diesem Fall wird ein erheblicher Einfluss auf die Oberflächenzustände erwartet, welcher aber nicht detektiert wurde. Die letzte Untersuchung befasste sich mit Fe Adsorbaten auf Bi2Te3. In diesem Fall wurden ebenfalls zwei verschiedene Sorten der Atome gefunden, wiederum adsorbiert in der fcc/hcp Position. Deren magnetische Momente zeigten schon für geringste Bedeckungen eine starke uniaxiale Anisotropie, senkrecht zur Oberfläche. Allerdings wurden die erwarteten Auswirkungen auf die Eigenschaften des topologischen Isolators auch in diesem Fall nicht detektiert.

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