Martin Schmitt

• In der vorliegenden Arbeit werden die strukturellen und magnetischen Eigenschaften verschiedener 3d-Übergangsmetalloxidketten (TMO-Ketten) auf Ir(001) und Pt(001) untersucht. Diese weisen eine (3 × 1) Struktur mit periodisch angeordneten Ketten auf, die nur über die Sauerstoffbindung an das Substrat gekoppelt sind. Während die Struktur durch experimentelle und theoretische Untersuchungen bestätigt ist, liegen für die magnetischen Eigenschaften ausschließlich Rechnungen vor. Zur Überprüfung dieser theoretischen Vorhersagen wird die Methode derIn der vorliegenden Arbeit werden die strukturellen und magnetischen Eigenschaften verschiedener 3d-Übergangsmetalloxidketten (TMO-Ketten) auf Ir(001) und Pt(001) untersucht. Diese weisen eine (3 × 1) Struktur mit periodisch angeordneten Ketten auf, die nur über die Sauerstoffbindung an das Substrat gekoppelt sind. Während die Struktur durch experimentelle und theoretische Untersuchungen bestätigt ist, liegen für die magnetischen Eigenschaften ausschließlich Rechnungen vor. Zur Überprüfung dieser theoretischen Vorhersagen wird die Methode der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie (SP-STM) verwendet, die die Abbildung der magnetischen Ordnung mit atomarer Auflösung erlaubt. Die Untersuchungen beginnen mit der Vorstellung der Ir(001) Oberfläche, die eine (5 × 1) Rekonstruktion aufweist. Eine Aufhebung dieser Rekonstruktion erreicht man durch das Heizen des Ir-Substrats in Sauerstoffatmosphäre unter Bildung einer (2 × 1) Sauerstoffrekonstruktion. Die Qualität der Oberfläche hängt dabei von der Wachstumstemperatur T und dem verwendeten Sauerstoffdruck pOx ab. Die bei T = 550°C und pOx = 1 × 10^−8 mbar hergestellte Sauerstoffrektonstruktion dient als Ausgangspunkt für die folgenden Präparationen von CoO2, FeO2 und MnO2-Ketten. Dazu wird jeweils eine drittel Monolage (ML) des Übergangsmetalls auf die Oberfläche des Substrates gedampft und die Probe unter Sauerstoffatmosphäre ein weiteres Mal geheizt. Auf diese Weise kann die (3 × 1) Struktur der bekannten Ketten bestätigt und die Gruppe der TMO-Ketten um die CrO2-Ketten erweitert werden. In der einschlägigen Fachliteratur wurden Vorhersagen bezüglich der magnetischen Struktur der TMO-Ketten publiziert, wonach entlang und zwischen CoO2-Ketten eine ferromagnetische (FM) und für FeO2 und MnO2-Ketten eine antiferromagnetische (AFM-) Kopplung vorliegt.Während die Überprüfung dieser Vorhersagen mit SP-STM für CoO2 und CrO2-Ketten keine Hinweise auf magnetische Strukturen liefert, liegen bei FeO2 und MnO2-Ketten unterschiedliche magnetische Phasen vor. In der Tat kann mit den experimentell gefundenen Einheitszellen die AFM-Kopplung entlang beider Ketten bestätigt werden. Im Gegensatz widersprechen die Kopplungen zwischen den Ketten den Berechnungen. Bei FeO2-Ketten liegt eine stabile FM Ordnung vor, die zu einer magnetischen (3 × 2) Einheitszelle mit einer leichten Magnetisierung in Richtung der Oberflächennormalen führt (out-of-plane). Die MnO2-Ketten weichen ebenfalls von der berechneten magnetischen kollinearen Ordnung zwischen benachbarten Ketten ab und zeigen eine chirale Struktur. Durch die Rotation der Mn-Spins um 120° in der Probenebenen (in-plane) entsteht eine magnetische (9 × 2) Einheitszelle, deren Periode durch neue DFT-Rechnungen bestätigt wird. Nach diesen Berechnungen handelt es sich um eine Spinspirale, die durch die Dzyaloshinskii-Moriya (DM-) Wechselwirkung bei einem Energiegewinn von 0,3 meV pro Mn-Atom gegenüber den kollinearen FM Zustand stabilisiert wird. Diese wird ähnlich wie bei bereits publizierten Clustern und Adatomen auf Pt(111) durch die Rudermann-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY-) Wechselwirkung vermittelt und erklärt den experimentell gefundenen einheitlichen Drehsinn der Spiralen. Die RKKY-Wechselwirkung zeigt eine starke Abhängigkeit von der Fermi-Oberfläche des Substrats. Im folgenden Kapitel werden deshalb mit TMO-Ketten auf Pt(001) die strukturellen und magnetischen Eigenschaften auf einem weiteren Substrat analysiert, wobei zum Zeitpunkt der Arbeit nur die Existenz der CoO2-Ketten aus der Literatur bekannt war. Vergleichbar mit Ir(001) besitzt auch Pt(001) eine rekonstruierte Oberfläche, die sich aber stabil gegenüber Oxidation zeigt. Dadurch muss die drittel ML des Übergangsmetalls direkt auf die Rekonstruktion aufgedampft werden. Das Wachstum des Übergangsmetalls ist dabei von der Temperatur des Substrats abhängig und beeinflusst das Ergebnis der nachfolgenden Oxidation. Diese erfolgt analog zum Wachstum der Ketten auf Ir(001) durch das Heizen der Probe in Sauerstoffatmosphäre und resultiert nur für das Aufdampfen des Übergangsmetalls auf kalte Pt(001) Oberflächen in Ketten mit der Periode von 3aPt. Auf diese Weise kann nicht nur die (3 × 1) Struktur der CoO2-Ketten bestätigt werden, sondern auch durch atomare Auflösung die Gruppe der TMO-Ketten um MnO2-Ketten auf Pt(001) erweitert werden. Im Gegensatz dazu sind die nicht magnetischen Messungen im Fall von Fe nicht eindeutig. Zwar liegen auch hier Ketten im Abstand des dreifachen Pt Gittervektors vor, trotzdem ist die (3 × 1) Struktur nicht nachweisbar. Dies liegt an einer Korrugation mit einer Periode von 2aPt entlang der Ketten, was ein Hinweis auf eine Peierls Instabilität sein kann. Entsprechend dem Vorgehen für Ir(001) werden für die TMO-Ketten auf Pt(001) SP-STM Messungen durchgeführt und die Vorhersage einer AFM-Kopplung für CoO2-Ketten überprüft. Auch hier können, wie im Fall von CoO2-Ketten und im Widerspruch zur Vorhersage, für beide Polarisationsrichtungen der Spitze keine magnetischen Strukturen gefunden werden. Darüber hinaus verhalten sich die MnO2-Ketten auf Pt(001) mit ihrer chiralen magnetischen Struktur ähnlich zu denen auf Ir(001). Dies bestätigt die Annahme einer indirekten DM-Wechselwirkung, wobei durch die 72° Rotation der Mn-Spins eine längere Periode der zykloidalen Spinspirale festgestellt wird. Die Erklärung dafür liegt in der Abhängigkeit der RKKY-Wechselwirkung vom Fermi-Wellenvektor des Substrats, während sich die DM-Wechselwirkung beim Übergang von Ir zu Pt nur wenig ändert.…
• In this work the structural and magnetic properties of various 3d transition-metal oxide (TMO) chains on Ir(001) and Pt(001) are investigated. These exhibit a (3 × 1) structure with periodically arranged chains that are only coupled to the substrate by oxygen bonds. While the structure is confirmed by experiments and theory, the magnetic coupling is merely available by theory. To verify these theoretical predictions, the method of spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM) is used, which enables the detection of magneticIn this work the structural and magnetic properties of various 3d transition-metal oxide (TMO) chains on Ir(001) and Pt(001) are investigated. These exhibit a (3 × 1) structure with periodically arranged chains that are only coupled to the substrate by oxygen bonds. While the structure is confirmed by experiments and theory, the magnetic coupling is merely available by theory. To verify these theoretical predictions, the method of spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM) is used, which enables the detection of magnetic nanostructures by the high lateral resolution. First the Ir(001) surface is introduced, which exhibits a (5×1) reconstruction. Removal of this reconstruction is achieved by heating the Ir substrate in oxygen atmosphere to form a (2 × 1) oxygen reconstruction. The observed surface quality depends on both, the temperature T and the oxygen pressure pOx during growth. The best result is achieved with T = 550°C and pOx = 1 × 10^−8 mbar and thus serves as the starting point for the following preparations of CoO2, FeO2 and MnO2 chains. In each case one third of the monolayer (ML) of the transition-metal is evaporated onto the substrate and the sample is heated once more under an oxygen atmosphere. After this procedure not only the (3 × 1) structure of the known chain system is confirmed, but also the group of TMO chains could be extended by the CrO2 chains. In the literature, predictions have been published regarding the magnetic structure of the TMO chains. According to these, the coupling is ferromagnetic (FM) along and between CoO2 chains and antiferromagnetic (AFM) for FeO2 and MnO2 chains. While SP—STM results do not suggest a magnetic structure for CoO2 and CrO2, the measurements reveal magnetic structures for FeO2 and MnO2 chains. Comparing the calculations with the experimentally observed magnetic order, the AFM coupling along both TMO—chains can be confirmed. Contradictory to the theoretical predictions, the interchain coupling differs. For FeO2 chains we find stable FM coupling which lead to a magnetic (3 × 2) unit cell with an easy magnetization direction parallel to the surface normal (out-of-plane). The MnO2 also deviate from the calculated collinear order between adjacent chains and show a chiral system. The in-plane rotation of the Mn spins by 120° form a magnetic (9 × 2) unit cell whose period is confirmed by new DFT calculations. According to these calculations, the spin spiral is stabilized by the Dzyaloshinskii—Moriya interaction (DMI) with an energy gain of 0,3 meV per Mn atom with respect to the collinear FM state. Similar to already published systems consisting of magnetic clusters and adatoms on a Pt(111) surface, the DMI is mediated by the Rudermann—Kittel—Kasuya—Yoshida (RKKY) interaction and explains the experimentally found uniform direction of rotation of the spirals. The RKKY interaction depends on the Fermi surface of the substrate. Based on this fact, the growth of TMO chains is investigated in the following chapter, where only the existence of CoO2 chains is known from literature at the time of this work. Similar to Ir(001), Pt(001) also has a reconstructed surface that is now stable to oxidation. As a consequence, the transition-metal is evaporated directly on the reconstructed surface. Both the growth of the transition metal on the Pt(001) and the topography after the following growth procedure of TMO chains depend on the substrate temperature during evaporation. This procedure follows the TMO growth on Ir(001) by heating the sample in oxygen atmosphere and only results in a stripe pattern with a period of 3aPt for the evaporation on cold Pt(001). In this way not only the (3 × 1) structure of the CoO2 can be confirmed, but also the group of TMO chains is extended by MnO2 chains through atomic resolution scans. In contrast, the non-magnetic measurements in the case of Fe are not obvious. Although there are chains with the expected period of 3aPt, the (3 × 1) structure is not fully resolved along the chains due to a corrugation with a period of 2aPt along the chains, which could be an indication of a Peierls instability. Following the procedure for Ir(001) SP-STM investigations are performed to verify the prediction of an AFM coupling for CoO2 chains. Indeed, no magnetic structures of CoO2 chains are observed for both directions of tip polarization identical to the same chains on Ir(001). In addition, the MnO2 chains with their chiral magnetic structure on Pt(001) behave similarly to those on Ir(001). This confirms the assumption of an indirect DM interacation, where the 72° rotation of the Mn spins indicates a longer period of the cycloidal spin spiral. The explanation for this can be found in the dependence of the RKKY interaction on the Fermi wave vector of the substrate, while the DM interaction changes only slightly due to the transition from Ir to Pt.…