Structural, electronic and magnetic properties of ultrathin epitaxial manganese films

Abstract

This thesis focuses on low-dimensional materials, namely ultrathin Mn films and graphene, on metallic substrates. Their surface structure as well as electronic and magnetic properties were investigated by scanning tunneling microscopy (STM) using a ferromagnetic ring-shaped bulk iron probe with in- plane magnetic sensitivity at room temperature. The surface of a few atomic monolayer thick antiferromagnetic Mn films with expanded face-centered tetragonal structure on Co/Cu(001) exhibits a submicrometer-scale layerwise contrast in scanning tunneling spectroscopy (STS) differential conductance maps. The main contribution to this large-scale layerwise modulation of contrast observed as a function of Mn thickness proves to be not spin- polarized tunneling from a layered antiferromagnetic spin alignment, but layer-dependent electronic properties of the Mn film due to different levels of intermixing with Co atoms. On the atomic scale, a geometrical reconstruction with a (12×2) periodicity and an apparent surface corrugation of up to 0.3 Å exists in two orthogonal domains on the fourfold-symmetric substrate. Simultaneously recorded differential conductance maps show different textures in the two orthogonal domains, demonstrating noncollinearity in the Mn surface spin structure. This noncollinearity is attributed to competing Mn–Mn interatomic exchange interactions in the magnetically frustrated and reconstructed film structures. In the Mn/Cu(001) system, two-dimensional (2D) alloying phases are present at surfaces with sub- monolayer (ML) coverage of Mn. A layer-plus-island growth mode is favored at coverages above 1 ML during room-temperature deposition. Effective ways to achieve a 2D structure for thicker Mn films on Cu(001) are modifying the interface by creating a “missing-row”-reconstruction by oxygen or by nano- seeding Co islands. In the Mn/Ni(111) system, a layer-by-layer growth of the Mn film was observed at room temperature. A metastable lattice distortion exists in 1 ML Mn/Ni(111) below 200 K. On both Ni(111) and Cu(001), the detailed structure of Mn films of 8 ML thickness deposited below 200 K is also investigated. The growth of graphene (Gr) on Ni(111) between 800 K and 900 K exhibits both (1×1)-epitaxial and rotated phases. Compared to (1×1) Gr, the relatively weaker bonding between the rotated Gr and Ni(111) leads to the formation of either Ni2C or another Gr layer underneath, depending on the bulk carbon concentration of the substrate. The rotated Gr has been studied in detail in terms of bias dependence of the amplitude of Gr superlattice corrugations, the Ni2C-induced electronic property modification of Gr, as well as the oxygen influence of the Gr-covered Ni2C. An STS study of sub-ML Mn deposited on the Gr/Ni2C surface is also presented.

Diese Arbeit befasst sich mit niederdimensionalen Materialien, im Speziellen mit ultradünnen Mn-Filmen und Graphen auf metallischen Substraten. Mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) wurden die Oberflächenstruktur sowie die elektronischen und magnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur unter Benutzung von ringförmigen ferromagnetischen massiven Eisensonden, die eine magnetische Empfindlichkeit in der Ebene bieten, untersucht. Die Oberfläche von wenige Atomlagen dicken antiferromagnetischen Mn-Filmen mit einer tetragonal expandierten flächenzentrierten Struktur auf Co/Cu(001) weist auf der Submikrometerskala einen rastertunnelspektroskopischen Kontrast der ortsaufgelösten differentiellen Leitfähigkeit auf. Es konnte gezeigt werden, dass der Hauptbeitrag zu dieser auf größerer Längenskala auftretenden lagenweisen Modulation des Kontrasts in Abhängigkeit von der Mn-Schichtdicke nicht spinpolarisiertes Tunneln aus einer lagenweisen antiferromagnetischen Spinanordnung, sondern eine lagenabhängige elektronischen Eigenschaft des Mn- Films, die auf Grund unterschiedlicher Co-Konzentration auftritt, ist. Auf atomarer Skala bildet sich eine strukturelle Rekonstruktion aus, die eine (12×2)-Periodizität und eine scheinbare Oberflächenkorrugation von bis zu 0.3 Å in zwei zueinander orthogonalen Domänen auf dem vierfach symmetrischen Substrat aufweist. Gleichzeitig aufgenommene Bilder der differentiellen Leitfähigkeit zeigen eine unterschiedliche Textur innerhalb der zwei orthogonalen Domänen, was auf eine Nichtkollinearität der Spinanordnung der Mn-Oberfläche schließen lässt. Diese Nichtkollinearität wird auf miteinander konkurrierende Austauschwechselwirkungen zwischen den Mn-Atomen in der magnetisch frustrierten und rekonstruierten Schichtstruktur zurückgeführt. Bei Submonolagen-Bedeckungen von Mn bilden sich auf Cu(001) zweidimensionale (2D) Legierungsphasen auf der Oberfläche. Bei Abscheidung bei Raumtemperatur tritt bei Bedeckung von mehr als 1 Monolage (ML) ein Lagen-plus-Inselwachstum auf. 2D-Strukturen lassen sich in dickeren Mn-Schichten auf Cu(001) effizient durch Veränderung der Grenzfläche mit durch Sauerstoffadsorption hervorgerufener „missing-row“-Rekonstruktion oder durch Nano-Modifikation mit Co-Inseln erzielen. Für Mn/Ni(111) wurde lagenweises Wachstum des Mn-Films bei Raumtemperatur beobachtet. Unterhalb von 200 K weist 1 ML Mn/Ni(111) eine metastabile Gitterverzerrung auf. Die detaillierte Struktur von 8 ML dicker Mn-Filme, die unterhalb von 200 K abgeschieden wurden, wird sowohl auf Ni(111) als auch auf Cu(001) ebenfalls gezeigt. Das Wachstum von Graphen (Gr) auf Ni(111) weist zwischen 800 K und 900 K sowohl (1×1)-epitaktische als auch rotierte Phasen auf. Abhängig von der Kohlenstoffkonzentration im Substrat führt die verglichen mit (1×1) Gr relativ schwache Bindung zwischen rotiertem Gr und Ni(111) entweder zur Bildung von Ni2C oder einer weiteren Lage Gr, die unterhalb der ursprünglichen liegt. Das rotierte Gr wurde sowohl hinsichtlich der Bias-Abhängigkeit der Amplitude der Übergitter-Korrugation, der Ni2C- induzierten elektronischen Modifikationen des Gr, als auch des Einflusses von Sauerstoff auf das Gr-bedeckte Ni2C im Detail untersucht. Des Weiteren wird eine Rastertunnelspektroskopie-Untersuchung der auf der Gr/Ni2C-Oberfläche abgeschiedenen Sub-ML Mn gezeigt.