SP-STM

SEMINAR SP-STM

Hamburg 29.Januar 2008 Petronela-Antonia Bauer

Proseminar SP-STM

Hamburg 29.Januar 2008 Petronela-Antonia BauerSP-STM

Einleitung

Motivation

Theorie

Funktion

Realisation

Ergebisse

Ausblick

Proseminar SP-STM


Motivation

Erforschung magnetischer Eigenschaften von Materie

Eigenschaften in reduzierten Dimensionen(Electronic structure of matter: Reduced dimensions Stefan Blügel)

Chirale effekte von Spinwellen (M.Bode et al. Nature 2007, 447 190)

Manipulation der magnetischen Eigenschaften:

Spinschaltung (S. Krause et al., Science 2007, 317 1537)

Auf molekularer Ebene (M.Crommie Science 2005,309 1501)


Theorie STM

Tunnelstrom

1D Tunneleffekt

Keine realistische Beschreibung da Spitze undProbe ein mehratomiges 3 dim. System sind.

(M.Gyamfi Diplomathesis 2007)

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Theorie SMT

3-Dimensionaler Fall:

Spitze und Probe sind Oberflaechenatome(Ladungsdichteunterschiede zwischen Volumen- und Oberflaechenatomen)Atomare, ideale Spitze ist immer ein Atom im Clusterverband.(Spitzen sind nicht identisch reproduzierbar)

Ueberlappende Wellenfunktionen (Bei wenigen Å zwischen Probe und Spitze) Das STM-Signal ist eine Faltung aus Spitzen- und Probeatom

Inelastische Effekte (Photoneneanregung, Exitonen,Plasmonen,Phononen,Spinflips)Dynamische Fluktuationen des Tunneleffekts sind wie auch die inelastischenIn allen Naeherungen bislang unberuecksichtigt.

Naeherungsansatz:

Zeitabhaengige Stoerungstheorie

Ladungsdichtekonturplot HOMO

Eigenzustaende unterhalb des HOMO

S.Bluegel / Ohnisi u. Tsukada, Solid.State Commun. 71,391(1989)

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Theorie STM

Tersoff-Hamann Model

Spitze

Probe

d Abstand Probe Spitze (a priori nicht bekannt)

RElektronen nahe der Fermienergietragen zum Tunnelstrom bei und derTunnelstrom haengtexponentiel vom Abstand zwischenProbe und Spitze ab.

Bei dieser Naeherung von Tersoff und Hamannwird ein einzelnes Spitzenatom kugelfoermiggenaehert und nur die s-Wellenfunktion (l=0)betrachtet.

Allerdings treten bei vielen Metallen p,d und f orbitale auf.Chen erweiterte dieses Modell fuer diese Faelle.


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Uebergangs-Tunnelmatrixelement wird mit Fermis“golden rule” nach dem Bardeen-Modellberechnet mit folgendem Ansatz:

Potential von Spitze und Probe sind als getrenntvon einander durch eine virtuelle Trennflaeche zubehandeln.

Im spinpolarisierten Fall wird Bs und Bt zumPotential Us und Ut addiert.

S.Bluegel “STM”


Funktion

Funktionsweise

Tunnelstrom ist spinerhaltenedund von der Spinpolarisationabhaengig.

(A.Kubetzka Disertation 2002)

TMR= Gp-Gap = Rap-Rp

Gap Rp

Winkelabhaengigkeit der Leitfaehigkeit

G=G0 (1+P1P2cosø) mit G0=(Gp+Gap)/2

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Realisation

Spitzentypen

Antiferromagnetische: Spitzen mit ferromagnetischer ultra duenner Schicht (Reduktion des Streufeldes)

Ferromagnetische: Grosses Streufeld(3d Transitionsmetalle), groesserer Scan-Abstand zwischen Spitze und Probe moeglich

Optisch gepumpte GaAs: setzt spinpolarisierte elektonen beim Ferminveau frei ohne Magnetfeld oder Anwesenheit magnetischer Materiealien.(magneto-optische Effekte schwer von SP-Tunneleffekt zu trennen)

Nicht magnetische: Herkoemliche Wolfram Spitzen koennen Domaenenwaende abbilden.(Spingemittelte Elektronenstruktur bewirkt das Signal)(Bode et al.Condens. Matter 2003 15 S 679)

Die Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe zu vermindern also die Streufeldreduktion ist sehr wichtig, sie kann die magnetische Struktur der Probe modifizieren

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Realisation

Messmodi:

Konstantstrommodus: Realraummethode topographische Aufloesung der Elektonendichte

Konstante Hoehe:Nur bei sehr ebenen Proben moeglich

Zeitgemittelte:Nur ein schmaler Probenstreifen wird immer wieder gescannt um einen zeitliche Veraenderung zu testen.

Spektroskopie:Elektronendichteverteilung LDOS

M.Gyamfi,Diplomathesis 2007

C60 auf Cu(100)

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Realisation

Spitzenpreparation:Herzstueck des STMs Oft ist es eine Wolfram Spitze auf welche ferromagnetische duenne Schichten aufgedampft werden und danach kurz auf 2200 Grad erhitzt werden (geflasht) Verunreinigungen werden dadurch entfernt und die Adhaesion der Schicht verstaerkt.Die Spitzenform wird durch das Schmelzen runder und weiter.Mit solchen Spitzen koennen auch unter ambienteren Bedingungen unversehrt bleiben Falls sie im Tunnelkontakt verbleiben.

Chemisches Aetzen der Spitze Spitze vor und nach dem “Flashen”

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Realisation

Bedingungen:

UHV

Vibrationsdaemmung

Kuehlung

Praezisons-Anaeherung

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Realisation

UHV UHV-Bedingungen sind noetig um Adatome auf Proben und Spitzen zu vermeiden, die diese modifizieren oder gar zerstoeren.Oelfreie Vibrationsarme Pumpen die ein Endvakuum von mindestens10-11mbar ereichen.

Ionengetter Pumpe vibrationslos Turbomolekularpumpe

Drehschieber Vorpumpe

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Realisation

Kuehlung:

Magnetische Effekte sind Temperaturabhaengig.Dynamische Effekte werden verringert und Vakuumbedingungen verbessertSupraleitende Magnete benoetigen tiefe Temperaturen.Tieftemperatur Ultra Hoch Vakuumsysteme sind eine technische Herausforderung.

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Realisation

Praezisionsanaeherung

Piezoelektrische Materialien ermoeglichen eine Angstroemgenaue Steuerung der Spitze und Probe.

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Ergebnisse

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Ausblick

Spinrichtung im Spitzenatom durch dreidimensionales Magnetfeld (Vektormagnet) modelierbar.3D Spinausrichtung erfassbar. Dreidimensionale magnetische Effekte erforschbar auf atomarer Skala.Spinwellendrehrichtung (Neel?oder Bloch?) z.Bsp. Ermittelbar.

Vektormagnet M.Gyamfi,Diplomarbeit 2007Sp-STM Kondoeffect k.Patton et al.2007M. Crommie Manipualting magnetism in single Moleculs Sience 2005

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Hamburg 29.Januar 2008 Petronela-Antonia Bauer

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit

Bild: Aufnahme eines Ferrofluids

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