Local Spectroscopy of Correlated Electron Systems at Metal Surfaces

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WAHL, Peter, 2004. Local Spectroscopy of Correlated Electron Systems at Metal Surfaces [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz

@phdthesis{Wahl2004Local-5238, title={Local Spectroscopy of Correlated Electron Systems at Metal Surfaces}, year={2004}, author={Wahl, Peter}, address={Konstanz}, school={Universität Konstanz} }

Wahl, Peter application/pdf Wahl, Peter Lokale Spektroskopie an korrelierten Elektronensystemen auf Metalloberflächen deposit-license 2011-03-24T14:54:16Z 2011-03-24T14:54:16Z Local Spectroscopy of Correlated Electron Systems at Metal Surfaces 2004 eng In dieser Arbeit werden elektronische Vielteilcheneffekte an Metalloberflächen mit einem Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop (STM) und insbesondere auch mit Rastertunnelspektroskopie (STS) untersucht. Das STM wird sowohl zur Charakterisierung der Probe eingesetzt als auch zur Präparation durch gezielte Manipulation von einzelnen Molekülen. Die Kombination von Charakterisierung und Präparation auf atomarer Skala macht das STM zu einem einzigartigen Werkzeug in der Oberflächenphysik. Der Hauptteil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Kondoeffektes von einzelnen magnetischen Adatomen über Moleküle und Cluster bis hin zu einem Kondogitter, es werden aber auch die Eigenschaften eines zweidimensionalen Elektronengases an der Oberfläche studiert.<br />Dabei werden die Eigenschaften von Elektronen, die von der STM-Spitze in die Bildpotenzialzustände der Substratoberfläche injiziert werden, studiert. Die Bildpotenzialzustände bilden Quanteninterferenzmuster nahe Defekten, wie sie früher schon an den Oberflächenzustände der Edelmetall-(111)-Oberflächen beobachtet wurden. Da die Bildpotenzialzustände sich relativ weit ins Vakuum erstrecken, wird der Einfluß der Spitze des Mikroskopes diskutiert. Vielteilcheneffekte äussern sich lediglich in der effektiven Masse der Quasiteilchen sowie in deren begrenzter Lebensdauer.<br />Der Kondoeffekt beschreibt Phänomene an magnetischen Streuern in einer nichtmagnetischen, metallischen Umgebung. Dabei bildet sich um ein magnetisches Atom bei Temperaturen unterhalb der charakteristischen Kondotemperatur eine Wolke von Leitungsbandelektronen, die mit ihrem Spin den Spin des magnetischen Atoms abschirmen. Es bildet sich ein nichtmagnetischer Vielteilchenzustand aus. Die Auswirkungen dieses Zustandes auf makroskopische Transporteigenschaften wurde bereits vor 70 Jahren entdeckt, während sie erst vor 40 Jahren<br />durch J. Kondo theoretisch erklärt wurden. Kürzlich hat der Kondoeffekt neues Interesse durch zwei Experimente, die das Studium des Kondoeffektes von einzelnen magnetischen Einheiten erlauben, geweckt: einerseits in Transportmessungen an Quantenpunkten, bei denen die lokale Besetzung auf eine ungerade Anzahl von Elektronen eingestellt wurde, so daß der Quantenpunkt einen Spin trägt, andererseits mit STS an einzelnen magnetischen Adatomen auf einer Edelmetalloberfläche. Die Signatur des Kondoeffektes ist eine scharfe<br />Resonanz in der lokalen Zustandsdichte, deren Breite proportional zur Kondotemperatur ist. Aus der Kondotemperatur können Rückschlüsse auf die Kopplung zwischen dem Spin des magnetischen Atoms und den Leitungsbandelektronen gezogen werden. In dieser Arbeit wird zunächst eine systematische Untersuchung des Kondoeffektes von einzelnen Kobaltadatomen auf den Edelmetall (111)- und (100)-Oberflächen durchgeführt. Die beobachteten Trends werden durch ein einfaches Modell erklärt. Desweiteren wird gezeigt, wie die Kopplung zwischen dem Spin des magnetischen Adatoms und dem Substrat durch die Adsorption von Liganden beeinflußt werden kann. Dabei werden auf der Oberfläche durch Adsorption von Kohlenmonoxid Kobaltkarbonylkomplexe gebildet. Die Adsorption der Liganden führt zu einer Delokalisierung der Elektronen im d-Orbital des Kobaltatoms, und dadurch zu einer Erhöhung der Kondotemperatur. Diese Erhöhung ist Ausdruck einer stärkeren Kopplung zwischen den Substratelektronen und dem d-Orbital des Kobaltadatoms.<br />Über die spektroskopische Charakterisierung des Kondoeffektes der Komplexe hinaus kann mit Hilfe des STMs die Kondoresonanz auch räumlich auf dem Komplex zugeordnet werden. Dadurch wird es möglich, den Spin des Kobaltatoms im Komplex mit sehr hoher Auflösung zu lokalisieren.<br />Mit Hilfe des Kondoeffektes kann auch die magnetische Wechselwirkung zwischen benachbarten Adatomen studiert werden. Es zeigt sich, das die magnetische Kopplung für Abstände größer als ~6Å vernachlässigbar wird. Eine Kette von drei wechselwirkenden Atomen zeigt in Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen die Ausbildung einer Lücke an der Fermienergie.<br />Schließlich wird ein dreidimensionales Kondosystem mit Rastertunnelmikroskopie untersucht. Als Substrat wurde YbAl_3 ausgewählt, das bereits mit verschiedenen Methoden studiert wurde. Wir haben unsere Proben zunächst anhand von SQUID Messungen charakterisiert um sicherzustellen, daß sie die erwarteten Eigenschaften aufweisen. Die Ergebnisse sind in hervorragender Übereinstimmung mit der Literatur. Die Untersuchung der Oberfläche mit STM zeigt die Kondoresonanz, die bereits früher mit Photoemissionsspektroskopie gesehen wurde. Die Resonanz zeigt eine Substruktur, die auf die Bildung eines Kondogitters, also eines kohärenten Zustandes der Kondowolken hindeutet.

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