In dieser Arbeit berichte ich von der Untersuchung von Lanthanidmetalloberflächen mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und -spektroskopie (STS) bei Temperaturen zwischen 10 und 100 Kelvin. STS vereint die Vorteile, mit hoher Energie- und Ortsauflösung sowohl die besetzte als auch die unbesetzte elektronische Zustandsdichte abtasten zu können.
Dadurch konnte erstmalig die Ausbildung von Quantentopfzuständen (quantum-well states) in ultradünnen Yb(111)/W(110)-Filmen gezeigt werden. Die Daten erlauben die Bestimmung der Dispersion des Volumenbandes in der Gamma-L-Richtung und die Auswertung der Elektronendynamik in diesem Band.
An den dreiwertigen Lanthanidmetallen wurde die Austauschaufspaltung der (0001)- Oberflächenzustände in Abhängigkeit des 4f-Spinmoments, der Temperatur und der Schichtdicke untersucht. Zum erstenmal konnte eine leichte Abweichung von der linearen 4f-Spinabhängigkeit nachgewiesen werden, welche mit der Lanthanidenkontraktion erklärt werden kann. Die Temperatur- und Schichtdickenabhängigkeiten zeigen, daß die Oberflächenzustände aufgrund ihrer relativ starken Lokalisierung nicht nur auf die langreichweitige magnetische Ordnung empfindlich sind, sondern stark durch Nahordnungsphänomene beeinflußt werden.
Die Auswertung der Lebensdauer-Verbreiterungen der Oberflächenzustände erlaubt Aussagen über die einzelnen Streumechanismen (Elektron-Elektron-, Elektron- Phonon- und Elektron-Magnon-Streuung), welche die Elektronendynamik beeinflussen. Der Einfluß der Elektron-Magnon-Streuung auf die Lebensdauer der unbesetzten spinpolarisierten Zustände scheint dabei von großer Bedeutung zu sein. Aus temperaturabhängigen Messungen läßt sich die Stärke der Elektron- Phonon-Kopplung bestimmen. Der Einfluß der Defektstreuung wurde an einzelnen Adsorbaten gezielt untersucht. Dabei wurde zusätzlich auf der Dy(0001)-Oberfläche ein adsorbatinduzierter Zustand gefunden, welcher ein "Schalt"-Verhalten zu zeigen scheint.
Die Rastertunnelspektren an den dreiwertigen Lanthanidmetallen zeigen unerwartete Strukturen unmittelbar an der Fermikante. Diese sind vermutlich auf Vielteilcheneffekte an der (0001)-Oberfläche aufgrund der Wechselwirkung des lokalisierten Oberflächenzustands mit den Leitungselektronen zurückzuführen.
An einzelnen, in der Lu(0001)-Oberflächenlage eingebetteten magnetischen Atomen (Gd und Ho) wurde ein neuartiges spektroskopisches Signal gefunden, welches als Kondo-Resonanz interpretiert wird. Der Kondo-Effekt ist in diesen Systemen zunächst unerwartet. Die Resultate deuten darauf hin, daß er nur an der Oberfläche auftritt. Die laterale Ausdehnung der Resonanz läßt sich mit der Größe der Kondo-Abschirmwolke erklären.
In this thesis I report on the investigation of lanthanide-metal surfaces by scanning tunnelling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) at temperatures between 10 and 100 Kelvin. STS combines the advantages to probe the occupied as well as the unoccupied electronic density of states with high energy and lateral resolution.
For the first time, we found quantum-well states in ultrathin films of Yb(111)/W(110). We determined the bulk-band dispersion in Gamma-L direction and analyzed the electron dynamics within this band.
For the trivalent lanthanide metals, we investigated the exchange splitting of the (0001) surface states as a function of 4f-spin moment, temperature, and film thickness. The observed small deviation from the previously reported linear 4f-spin dependence is explained by the lanthanide contraction. The temperature and thickness dependencies show that the surface states - due to their relatively high degree of localization - are not solely sensitive to long-range magnetic order, but are also strongly influenced by the short-range magnetic order.
Thorough analysis of the lifetime broadening of the surface states provides information about different scattering mechanisms that determine the electron dynamics: electron-electron, electron-phonon, and electron-magnon scattering. The relatively short lifetimes for the spin-polarized unoccupied surface states is most likely due to strong electron-magnon scattering. The electron- phonon coupling can be derived from temperature-dependent measurements. The influence of defect scattering was studied specifically at single adsorbates. Thereby, an adsorbate-induced state was found at the surface of Dy(0001) which seems to exhibit some kind of "switching" behavior.
Scanning tunneling spectra from the trivalent lanthanide metals exhibit unexpected features directly at the Fermi energy. These features are presumably caused by manybody effects due to the interaction of the localized surface states with conduction electrons.
In the vicinity of single magnetic defect atoms (Ho and Gd) that are embedded within the surface layer of Lu(0001), we found a novel spectroscopic signal. We interpret this feature as the signature of a Kondo resonance. The Kondo effect is unexpected in these systems. The results indicate that it only appears at the surface. The lateral extent of the resonance can be explained by the size of the Kondo screening cloud.
