Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy at Low Temperatures : development of a 1 K-Instrument and Local Characterization of Heterogenous Metal Systems

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ultrahochvakuum-Rastertunnelmikroskop (STM) für Temperaturen unter 1 K mit 14 T Magnet entwickelt und gebaut. Es ermöglicht lokale Rastertunnelspektroskopie (STS) mit extrem hoher Energieauflösung und die Untersuchung physikalischer Effekte wie z.B. Supraleitung, die nur bei tiefen Temperaturen auftreten. Ferner ermöglicht die Kombination von tiefsten Temperaturen und hohen Magnetfeldern die Detektion der Zeemann-Aufspaltung einzelner Moleküle und die Untersuchung stark korrelierter Elektronensysteme. Der experimentelle Aufbau wird im ersten Teil der Dissertation beschrie-ben. Die hohe räumliche und energetische Auflösung des Mikroskops bei sehr tiefen Temperaturen wird mittels STS an einzelnen Co-Atomen auf einer Au(100) Oberfläche und der Messung der BCS-Bandlücke von supraleitendem Pb demonstriert. Darüber hinaus zeigen spektroskopische Messungen der Au(100)-Bildladungszustände mit hoher Ortsauflösung einen starken Einfluss der (5x27) Rekonstruktion auf die elektronische Struktur der Oberfläche.Während unlegierte Oberflächen bereits intensiv studiert wurden, sind Struktur und elektronischen Eigenschaften binärer Metalloberflächen weitaus weniger gut charakterisiert. Im zweiten Teil werden daher STM/STS-Untersuchungen zum Wachstum von Pb auf Ag(111) und zu den elektronischen Eigenschaften der entstehenden Strukturen für Bedeckungen unterhalb einer Monolage (ML) vorgestellt. Es zeigt sich, dass Pb auf Ag(111) trotz der Mischungslücke im Festkörper eine Oberflächenlegierung in der ersten Atomlage bildet. Ein komplexer Mechanismus führt zur Legierung bei Raumtemperatur: Während des Aufdampfens von Pb bilden sich reine Bleiinseln auf der Silberoberfläche, die sich über die Oberfläche bewegen. Während dieser Bewegung gelangt das Blei durch statistische Austauschprozesse mit Silberatomen in die Substratoberfläche.STS auf einem einzelnen Pb Atom in der Silberoberfläche zeigt einen gebundenen Zustand direkt unterhalb der Bandkante des Ag(111) Oberflächenzustandes aufgrund der Wechselwirkung des Pb Atoms mit dem umgebenden 2D Elektronengas. Das demonstriert die Universalität dieses Effektes, der bislang nur für verschiedene Adatome beobachtet wurde.Durch thermisches Ausheilen von 0.33 ML Pb entsteht eine geordnete (√3x√3)R30° Pb/Ag-Oberflächenlegierung, die bemerkenswerte elektronische Eigenschaften besitzt. Ein zweidi-mensionaler (2D) Zustand mit parabolischer Dispersion zu niedrigen Energien hin ist in der 2D Struktur entstanden, währendhingegen die nicht modifizierte Ag(111) Oberfläche einen Shockley-artigen Oberflächenzustand mit umgekehrter Dispersion aufweist. Darüber hinaus zeigen Photoemissionsexperimente eine starke Aufspaltung des neuen Zustandes aufgrund von Spin-Bahn-Kopplung. Die gefundene Aufspaltung ist viermal größer als die des Au(111)-Oberflächezustands und kann über die resultierende Singularität in der Zustandsdichte erstmals auch mittels STS detektiert werden.Höhere Pb-Bedeckungen bewirken aufgrund der Mischungslücke eine Segregation der Blei-atome aus der Oberfläche. Die segregierte reine Bleilage ist um 4.5° zur Substratorientierung rotiert. Dies bewirkt eine Rekonstruktion der Silberoberfläche und äußert sich in der Ausbildung eines Moiré-Musters.Zum Abschluss werden die elektronischen Eigenschaften dieser reinen Bleilage und deren Wechselwirkung mit dem Silbersubstrat beleuchtet. Eine spannungsabhängige Umkehr des Bildkontrasts lässt sich auf den wechselnd starken Beitrag von Energiebändern, deren Bandkante sich in Abhängigkeit von der lateralen Position verschiebt, zum Tunnelstrom zurück-führen. Die räumliche Ausdehnung der Elektronenwellenfunktionen in diesen Bändern verursacht vermutlich Schwebungseffekte, die zu einer zusätzlichen langreichweitigen periodischen Modulation der Zustandsdichte führen und in STM-Bildern zu sehen sind.