Universität zu Köln

Klinkhammer, Jürgen (2013). Electronic Structure and Magnetism of EuO Films on the Nanometer Scale. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This thesis deals with thin films of the ferromagnetic semiconductor EuO. These are prepared by molecular beam epitaxy under ultra high vacuum conditions and their properties are investigated in-situ by means of low energy electron diffraction, magneto-optical Kerr effect (MOKE), scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS). The experiments are carried out in a low temperature STM apparatus with a base temperature of 5.3K. The development of a highly sensitive MOKE instrument is in the technical focus of this work. EuO is grown in (100) orientation on a ferromagnetic Ni(100) single crystal as well as on single crystalline graphene on Ir(111). An antiferromagnetic coupling between the magnetic moments of the Ni(100) and the EuO(100) film turns out. The 3.3nm thin stoichiometric films of EuO on graphene show a Curie temperature Tc=75K, which is increased with respect to films of the same thickness grown on other substrates and even with respect to bulk EuO. Point defects in EuO films are analyzed with help of atomically resolved STM images. The defect concentration can be quantified using highly-resolved STM topography images. The mobility of the oxygen vacancies is shown by a series of topography STM images and a mobility of the vacancies along the EuO<011> directions is found. Investigations of the electronic structure of the EuO(100) surface are performed by STM and STS, which require a high sample quality, i.e, a topographically very well ordered and flat surface with a minimum of defects. The ultra thin films of EuO on graphene described in thesis are of such high quality. A local n-doping and an upward band bending is found at the oxygen vacancy sites. Tunneling spectroscopy maps of the ferromagnetic EuO(100) surface show standing wave patterns, which are the characteristic fingerprint of the surface state in EuO(100). The energy vs. momentum space of the surface state is explored by evaluating the surface state scattering patterns. A dispersion relation determined this way of the surface state is free electron like, with an effective mass of the mass of a free electron. The same measurements are performed in the paramagnetic phase of EuO at 81K. Thereby the surface state is shifted in energy. The shift indicates indirectly the spin degeneracy of the surface state in the paramagnetic phase, which is lifted in the ferromagnetic phase of EuO. This behavior is analogous to the well known spin splitting of the EuO conduction band. The spin splitting of the surface state (measured with this work) amounts to 0.66eV.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Elektronische Struktur und Magnetismus von EuO Schichten auf der Nanometer Skala German
Translated abstract:	Abstract Language Diese Arbeit befasst sich mit dünnen Schichten des ferromagnetischen Halbleiters EuO. Diese werden mit Molekularstrahlepitaxie im Ultrahochvakuum gewachsen und ihre Eigenschaften in-situ mit niederenergetischer Elektronenbeugung, magneto-optischem Kerr-Effekt (MOKE), Rastertunnelmikroskopie (RTM) und Rastertunnelspektroskopie (RTS) untersucht. Die Experimente werden in einer Tieftemperatur RTM Apparatur mit einer Basistemperatur von 5,3K ausgeführt. Die Entwicklung eines hochempfindlichen MOKE-Instruments steht im technischen Fokus dieser Arbeit. EuO wird in (100) Orientierung sowohl auf einem ferromagnetischen Ni(100) Einkristall, als auch auf einkristallinem Graphen auf Ir(111) gewachsen. Eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den magnetischen Momenten von Ni(100) und EuO(100) stellte sich heraus. Die ultradünnen stöchiometrischen EuO Schichten auf Graphen zeigen eine Curie Temperatur Tc von ca. 75, was eine Erhöhung im Vergleich mit EuO Volumenproben und besonders dünnen EuO Schichten auf anderen Substraten darstellt. Die Analyse von Punktdefekten in EuO Schichten auf Graphen wurden mittels atomar aufgelösten Mikroskopieaufnahmen durchgeführt. Die Defektstellen wurden mittels hochaufgelösten RTM Abbildungen als Sauerstoffleerstellen identifiziert. Die Dynamik dieser Sauerstoffleerstellen wird mit einer Folge von RTM Topographie-Abbildungen gezeigt und ein Hüpfen entlang der EuO<011> Richtungen wird entdeckt. Untersuchungen der elektronischen Struktur der EuO(100) Oberfläche werden mit RTM und RTS durchgeführt, was eine hohe Probenqualität erfordert, d.h. eine topographisch sehr gut geordnete und ebene Oberfläche mit einer geringen Defektzahl. Die ultra dünnen EuO Schichten auf Graphen dieser Arbeit sind von solch einer hohen Qualität. Eine lokale Bandverbiegung zu höheren Energien wurde an den Sauerstofffehlstellen gemessen, was eine lokale n-Dotierung der EuO Filme zeigt. Tunnelspektroskopiekarten der ferromagnetischen EuO(100) Oberfläche zeigen stehende Wellenmuster, welche der charakteristische Fingerabdruck des Oberflächenzustands in EuO(100) sind. Die Dispersionsrelation des Oberflächenzustandes wurde systematisch durch die Auswertung seiner Streumuster erforscht. Die auf diese Weise ermittelte Dispersionsrelation des Oberflächenzustandes stellt sich als die eines freien Elektrons heraus. Analoge Messungen wurden bei 81K in der paramagnetischen Phase von EuO ausgeführt. Dabei wird der Oberflächenzustand energetisch verschoben. Diese Verschiebung ist ein indirektes Indiz für die Spin-Entartung des Oberflächenzustandes in der paramagnetischen Phase, welche in der ferromagnetischen Phase aufgehoben wird. Dieses Verhalten ist analog zur wohlbekannten Rotverschiebung durch die Spin-Aufspaltung des EuO Leitungsbandes. Die in dieser Arbeit gemessene Spin-Aufspaltung des Oberflächenzustandes beträgt 0,66eV. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Klinkhammer, Jürgen klinkhammer@websites24.eu UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-53116
Date:	5 May 2013
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language EuO, STM, STS, Tunneling Spectroscopy, Semicondurctor, Surfaces, Thin Films English
Date of oral exam:	28 June 2013
Referee:	Name Academic Title Michely, Thomas Prof. Dr. Bürgler, Daniel Priv. Doz.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5311