Scanning tunnelling microscopy of Co-impurified noble metal surfaces [Elektronische Ressource] : Kondo effect, electronic surface states and diffusive atom transport / vorgelegt von Norbert Quaas

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: georg-august-universitat_gottingen
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 57
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Scanning Tunnelling Microscopy of Co-impuri ed
Noble Metal Surfaces:
Kondo-E ect, Electronic Surface States
and Di usiv e Atom Transport
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult aten
der Georg-August-Universit at zu G ottingen
vorgelegt von
Norbert Quaas
aus Bremen
G ottingen, 2003D 7
Referent: Prof. Dr. R.G. Ulbrich
Korreferent: Prof. Dr. K. Sch onhammer
Tag der mundlic hen Prufung: 10. Dezember 2003The real voyage of discovery consists
not in seeing new landscapes
but in having new eyes.
Marcel ProustUbersicht
Die Eigenschaften von nanoskaligen Strukturen auf (111)-orientierten Ag- und Cu-Filmen
wurden mit dem Rastertunnelmikroskop (STM) untersucht. Spezielles Interesse gilt den
elektronischen Zust anden der Ober ache und den von eingebetteten Ubergangsmetall-
atomen hervorgerufenen E ekten. Die (111)-orientierten Edelmetallober achen besitzen
elektronische Ober achenzust ande, die als ein zweidimensionales, nicht wechselwirkendes
Elektronengas in den obersten Atomlagen des Kristalls beschrieben werden k onnen. In-
selstrukturen von nur einer atomaren H ohenstufe k onnen dieses Elektronengas lokal ein-
schlie en, was zur Quantisierung dieser Zust ande fuhrt. Diese Quantisierung wird hier an-
hand von Tunnelspektroskopiebildern sichtbar gemacht. W ahrend solche Messungen nur
bei tiefen Temperaturen m oglich sind, zeigten vorbereitende Experimente bei Raumtem-
peratur, dass Inseln hier zum Zerfall neigen und sich innerhalb von einigen Stunden
au osen k onnen. In diesem Zusammenhang wurde in dieser Arbeit ebenfalls die Dynamik
von di usiv em Massentransport entlang von Stufenkanten quantitativ untersucht. Wenn
die Edelmetall lme mit Ubergangsmetallen verunreinigt werden, etwa mit Co Atomen,
entsteht eine verdunn te magnetische Legierung. Die lokalen magnetischen Momente der
Fremdatome bringen einen zus atzlichen Freiheitsgrad mit ein, der den Leitungselektro-
nen die M oglichkeit zur Spin-Umklappstreuung an den Co Atomen bietet. Bei niedri-
gen Temperaturen fuhrt diese Umklappstreuung zu typischem anomalen Verhalten in den
physikalischen Eigenschaften der Edelmetallmatrix, bekannt als der Kondo-E ekt. Das
Tunnelmikroskop bietet direkten Zugang zu einzelnen atomaren Ober achendefekten und
erlaubt es, die elektronischen Eigenschaften lokal in deren Umgebung zu messen. Die
Kondo-Temperatur eines solchen Systems wurde durch Tunnelspektroskopie an einzelnen
Co Atomen in einer Cu Ober ache bestimmt.Abstract
The scanning tunnelling microscope (STM) was used to investigate the properties of
nanoscale structures on (111)-oriented Ag and Cu lms. The special focus is on their
electronic states and the properties of single transition metal impurities embedded in such
lms. The (111) noble metal surfaces exhibit electronic surface states that can be de-
scribed as a two-dimensional non-interacting electron gas located in the topmost crystal
layers. Island structures with only monatomic height are capable of con ning the sur-
face state electrons, which results in quantization of these states. This quantization is
visualized using scanning tunnelling spectroscopy mappings of such islands. While these
measurements are possible only at low temperatures, preparatory room temperature stud-
ies demonstrate that island structures tend to disintegrate on time scales of several hours.
In this context, the dynamics of di usiv e mass transport along monatomic step edges has
also been investigated in this work. If transition metal impurities such as Co atoms are
dissolved in a noble metal lm, they form a dilute magnetic alloy. The local moments
of the impurity atoms introduce an additional degree of freedom that enables spin- ip
scattering of the conduction electrons at the impurity atoms. Towards low temperatures,
this spin- ip scattering gives rise to typical anomalies in the fundamental physical prop-
erties of the host crystal, known as the Kondo-e ect. The tunnelling microscope o ers
direct access to single surface impurities and allows to locally probe the electronic states
in their vicinity. The Kondo-temperature of such a system was determined via tunnelling
spectroscopy of single Co impurities in a Cu surface.6Contents
1 Introduction 11
2 Scanning Tunnelling Microscopy 15
2.1 The principle of STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Constant-current imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1 Multi-bias mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Spectroscopic mode (STS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.1 Data acquisition and processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Experimental 25
3.1 New sample preparation chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.1 Concept and UHV system design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.2 Preparation equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.3 Surface preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 The scanning tunnelling microscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
78 CONTENTS
4 Self-di usion on Ag(111) at T = 295 K 39
4.1 Studying surface di usion with the STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.1 Energetics and structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2 Theory of surface di usion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.1 The low-density limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.2 Driving forces { the Gibbs-Thomson relation . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.1 Preparation and measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3.2 Observing di usion at dislocations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.3 Entropy-driven step edge di usion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5 Surface states on Ag(111) and Cu(111) at T < 8 K 57
5.1 Bulk properties and band structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2 Surface states on the [111] surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3.1 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3.2 Surface states resolved with the STM . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3.3 Quantum con nemen t of surface state electrons . . . . . . . . . . . . 65
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71CONTENTS 9
6 Kondo e ect of Co atoms in Cu(111) at T < 8 K 73
6.1 Probing single Kondo-impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2 The Kondo-E ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2.1 Phenomenology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2.2 Theoretical models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.3.1 Preparation and measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.3.2 Classi cation of defect patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3.3 Spectroscopy of surface layer Co impurities . . . . . . . . . . . . . . 89
6.3.4 Spectroscopy of subsurface impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.3.5 Co complexes { thermal stability of Co Cu . . . . . . . . . . 100n 0:001 0:999
6.3.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7 Summary 109
A Eigenstates of a particle in a hexagonal box 111
B Low-density limit in step edge di usion 113
Literature 115
Lebenslauf 123
Danksagung 12510 CONTENTS