Elektronische Struktur von Lanthanid-Ketten auf Si(111)
Final Report Abstract
An Beamline 7.0.1 der Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory, U.S.A.) wurden auf vizinalem Si(lll) Submonolagen von Gd bzw. Tb bei erhöhter Temperatur aufgedampft und anschließend getempert. Für Gd ließen sich 5x2-0berflachenrekonstruktionen herstellen, wie durch Untersuchungen mittels LEED verifiziert wurde. Durch vergleichende Photoemissionsmessungen der elektronischen Bandstruktur von Si(lll)7x7 (unbedampfte Si Oberfläche) mit Si(lll) 5x2-Gd (ca. 0.3 Monolagen Bedeckung) und Si(lll)\/3 x \/3-Gd (höherer Bedeckungsgrad) konnten die quasi eindimensionalen Oberflächenbänder der 5x2-Gd Ketten zweifelsfrei identifiziert und charakterisiert werden. Es wurde gezeigt, dass die Si(lll)5x2-Gd Oberflächenrekonstruktion halbleitenden Charakter mit einer Bandlücke von 0.5±0.1eV aufweist. Dies steht im Widerspruch zu bislang veröffentlichten Studien von Okuda, et a/,, [OTM+04], die solche 5x2-Gd Ketten als metallisch ansehen. Unsere Messungen zeigen, dass die in Referenz [OTM+04] gefundenen elektronischen Zustände an der Fermikante höchstwahrscheinlich auf Rückstände von Si(lll)7x7-Bereichen auf den dort untersuchten Proben zurückzuführen ist. Darüber hinaus durchgeführte detaillierte Photoelektronenbeugungsuntersuchungen an den Si 2p Rumpfzuständen identifizieren drei Si Atompositionen unterschiedlicher chemischer Umgebung. In Kombination mit einer theoretischen Modellierung sind eingehende Erkenntnisse über die komplexe räumliche Struktur der Si(lll)5x2- Gd Oberfläche zu erwarten. Hinweise auf eine magnetische Ordnung innerhalb der Gd- Ketten bei einer Temperatur von 15 K wurden weder in den Oberflächenbändern (Ausbildung einer Austauschaufspaltung), noch in den Gd 4/ Rumpfniveauspektren (magnetischer Dichroismus) beobachtet. Dieses Resultat stellt im Hinblick auf die kleine magnetische Anisotropie einzelner Gd-Atome keine Überraschung dar. Bei der Präparation von Si(lll) Proben mit einer 5x2-Tb Oberflächenrekonstruktion — einzelne Tb Atome weisen eine hohe magnetische Anisotropie auf, die bei entspechender Ankopplung an das Kristallfeld zu einer magnetischen Ordung in einer Dimension fuhren kann — ergaben sich unerwartete Schwierigkeiten. Es zeigte sich, dass sie sich trotz fast identischer chemischer Eigenschaften nicht analog zu Gd präparieren lassen. Terbium scheint -— wenn überhaupt — in einem kleineren Temperaturintervall eindomänige 5x2-Überstrukturen auszubilden, als Gd. Proben mit koexistierenden Domänen von Si(lll)7x7, Si(lll)5x2-Tb und Si(lll)V3 x V3-Tb waren die Folge; an diesen wurden Photoemissionsstudien durchgeführt. Sie brachten im Vergleich zu den Untersuchungen an den mit Gd bedampften Si(lll) Wavern keine überraschenden Erkenntnisse. Insbesondere zeigten die Tb-induzierten Oberflächenbänder, wie auch die Tb 4/ Rumpfniveauspektren, keine Hinweise auf magnetische Ordnung bei T= 15 K. Es ist geplant, mithilfe eines Rastertunnelmikroskops das Wachstum von 5x2-Tb auf Si(lll) zu charakterisieren. Solche Proben sollen dann in einem künftigen Projekt an Beamline 7.0.1 der ALS eingehend untersucht werden, wobei gegebenenfalls die dort zur Zeit im Aufbau befindliche Photoemissionsapparatur mit nanofokussierter Synchrotronstrahlung zum Einsatz kommen soll.
