Authors:	Regel, Johannes Benjamin
Advisor:	Elmers, Hans-Joachim
Title:	Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy of Surface States with Different Step Decorations on Re(0001) and Mobility Investigations of Ni on Re(0001) at low Temperatures
Online publication date:	11-Feb-2021
Year of first publication:	2021
Language:	english
Abstract:	In this thesis, topographic and electronic properties of the pristine Re(0001) surface covered by 0 to 20 atomic layers of Au and Ni are studied using scanning tunneling microscopy and spectroscopy. Growth, mobility, surface structures, and surface states of these systems were investigated. The experimental results represent a step towards a fundamental understanding of surface properties, which are relevant for a wide range of applications such as chemical catalysis, quantum information technology, and spintronics. In the first part of the thesis, quasiparticle interference patterns formed by a surface state on Re(0001) were investigated using scanning tunneling spectroscopy. The Tamm surface state exhibited a Rashba type band splitting, revealing a strong spin-momentum locking. The energy dispersion was inferred from Fourier-transformed differential conductivity maps for occupied and unoccupied states. An analysis of the phase of interference patterns at step edges revealed a change of sign in the effective energy barrier for backscattering above and below the Fermi level. The attenuation of the interference pattern with increasing distance indicated interband scattering as the significant scattering mechanism. Step decorations by Ni had a negligible influence on the pattern, excluding spin-flip scattering as a dominant contribution. The one-dimensional Au/Re line interface, however, reversed the scattering barrier behavior, indicating a coupling of Au and Re surface states. Using spin-resolved scanning tunneling spectroscopy, we investigated the spin-dependent scattering of spin waves. In the second part of this thesis, a movement of Ni adatoms at 4.6K on a Re(0001) single crystal was investigated, while the surface was rigid at room temperature. Measurements at intermediate temperatures revealed increasing mobility with decreasing temperature. This inverse mobility behavior can be explained tentatively by a combination of a small force induced by the tip of a scanning tunneling microscope (STM) and the weakened bonding of Ni adatoms due to an increase of the mismatch between their lattice constants at low temperature. To achieve a better understanding of the physics resulting in this unique behavior, investigations at various temperatures, coverages, and tunneling parameters were performed. Different types of movement and decreasing mobility with increasing temperature and layer thickness were observed. In addition, measurements with a Fe coated tip on ultrathin Ni films revealed an unexpected spectroscopic contrast. Close inspection of the spectroscopic and topographic results indicated that Fe atoms are transferred from the tip to the sample surface during scanning. In dieser Arbeit werden die topographischen und elektronischen Eigenschaften einer reinen Re(0001)-Oberfläche und der Oberfläche mit einer Bedeckung von 0 bis 20 Atomlagen aus Au oder Ni, mittels Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie untersucht. Dabei werden Wachstum, Mobilität, Oberflächenstrukturen und Oberflächenzustände dieser Systeme studiert. Die experimentellen Ergebnisse stellen einen Schritt zu einem grundlegenden Verständnis der Oberflächeneigenschaften dar, die für eine Vielzahl von Anwendungen wie chemische Katalyse, Quanteninformationstechnologie und Spintronik relevant sind. Im ersten Teil der Arbeit werden Quasiteilchen-Interferenzmuster, die durch einen Oberflächenzustand auf Re(0001) gebildet werden, mittels Rastertunnel-Spektroskopie untersucht. Der Tamm-Oberflächenzustand weist eine Bandaufspaltung vom Rashba-Typ auf, die eine starke Spin- Impuls-Kopplung offenbart. Die Energiedispersion wird aus Fourier-transformierten differentiellen Leitfähigkeitskarten für besetzte und unbesetzte Zustände abgeleitet. Eine Analyse der Phase von Interferenzmustern an Stufenkanten zeigt eine Änderung des Vorzeichens der effektiven Energiebarriere für die Rückstreuung oberhalb und unterhalb des Fermi-Niveaus. Die Dämpfung des Interferenzmusters mit zunehmendem Abstand deutet auf Interbandstreuung als Streumechanismus hin. Die Stufendekoration durch Ni hat einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Interferenzmuster, womit die Spin-Flip-Streuung als Beitrag ausgeschlossen werden kann. Die eindimensionale Au/Re-Grenzfläche kehrt jedoch das Verhalten der Streubarriere um, was auf eine Kopplung von Au und Re Oberflächenzuständen hinweist. Mittels spinaufgelöster Rastertunnelspektroskopie untersuchen wir die spinabhängige Streuung von Spinwellen. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird die Erhöhung der Mobilität von Ni-Clustern bei 4.6K auf Re(0001) diskutiert, während die Oberfläche bei Raumtemperatur starr ist. Messungen bei Zwischentemperaturen zeigen eine zunehmende Mobilität mit abnehmender Temperatur. Dieses umgekehrte Mobilitätsverhalten lässt sich durch eine Kombination aus einer kleinen Kraft, die durch die Spitze eines Rastertunnelmikroskops (STM) induziert wird, und der geschwächten Bindung der Ni-Adatome aufgrund einer Zunahme der Fehlanpassung der Gitterkonstanten mit abnehmender Temperatur erklären. Um ein besseres Verständnis der Physik zu erhalten, die zu diesem einzigartigen Verhalten führt, werden Untersuchungen bei verschiedenen Temperaturen, Bedeckungen und Tunnelparametern durchgeführt. Man beobachtet unterschiedliche Bewegungsarten und eine abnehmende Mobilität mit zunehmender Temperatur und Schichtdicke. Darüber hinaus zeigen Messungen mit einer Fe-beschichteten Spitze auf ultradünnen Ni-Filmen einen unerwarteten spektroskopischen Kontrast. Eine genaue Prüfung der spektroskopischen und topografischen Ergebnisse zeigt, dass Fe-Atome beim Scannen von der Spitze auf die Probenoberfläche übertragen werden.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-5641
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-b57a406b-7fde-4188-b013-6c5225207e267
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	ix, 117 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen