Spinstrukturen in Manganoberflächen auf bcc- und fcc-Einkristallen aus 5d-Elementen, untersucht mittels spinpolarisierter Rastertunnelmikroskopie: Mn-W(001) und MnO\(_x\)-Ir(001)

Autor: Weber, Paula Martika
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2024
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Druh dokumentu: Doctoral Thesis<br />Doctoral Thesis
DOI: 10.25972/OPUS-37163
Popis: Die Entstehung kollinearer und nicht-kollinearer Spinstrukturen wird auf verschiedene magnetische Wechselwirkungen zurückgeführt. Für Anwendungen in der Medizin und in der Datenspeicherung ist es notwendig zu verstehen, unter welchen Parametern Frustrationen auftreten, um diese entweder zu vermeiden oder zu nutzen. In dieser Arbeit werden kollineare und nicht-kollineare Spinstrukturen auf zwei verschiedenen Materialsystemen untersucht. Das erste Materialsystem besteht aus drei atomaren Lagen Mangan auf einer (001) Oberfläche eines Wolfram-Einkristalls und das zweite Materialsystem enthält Mangan, welches verbunden mit Sauerstoff kettenförmig auf einer (001) Oberfläche eines Iridium-Einkristalls vorliegt. Spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie (SP-RTM)-Messungen und -Simulationen der dreilagigen, pseudomorphen Manganoberfläche ergeben eine nicht-kollineare Spinstruktur. Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen legen eine kollineare ↑↓↓- Spinkonstellation nahe. Unter Berücksichtigung der chiralen biquadratischen Paarwechselwirkung befinden sich konische Spinspiralen mit kleinem Öffnungswinkel nah an dem energetisch niedrigsten Zustand. Spinaufgelöste DFT-Berechnungen sind abhängig von der genäherten, geometrischen Relaxation der atomaren Struktur. Kombinierte SP-RTM-Methoden weisen auf einem dreilagigen Materialsystem Spinspiralen nach und zufolge der DFT ist der kollineare bzw. nicht-kollineare Zustand des Systems durch den Abstand seiner Lagen bedingt. SP-RTM-Messungen auf den Manganoxidketten weisen je nach Präparation eine kollineare antiferromagnetische (AFM) oder eine nicht-kollineare Spinstruktur nach. Zudem wird präsentiert, dass sich diese Spinstrukturen durch zwei verschiedene Sauerstoffdrücke und die Zufuhr von Wärme während der Präparation ineinander umschalten lassen. Durch niederenergetische Elektronenbeugung mit variabler Spannung werden zwei atomare Strukturen bestimmt, welche sich durch ihren Oxidationsgrad unterscheiden. Die nicht-kollineare Spinstruktur ist bereits in der Fachliteratur als 120° chirale Spinspirale, verursacht durch die Dzyaloshinskii-Moriya-verstärkte Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY)-Wechselwirkung, bekannt. Nach aktuellen, kollinearen DFT-Berechnungen ist die kollineare Spinstruktur als AFM entlang der Ketten und als ferromagnetische Kopplung zwischen den Ketten ermittelt. Aufgrund des Nachweises eines höheren Oxidationsgrades wird eine stärkere RKKY-Austauschwechselwirkung auf der Basis der Heisenberg-Austauschwechselwirkung vermutet. Hier korreliert die Entstehung kollinearer oder nicht-kollinearer Spinstrukturen mit dem Oxidationsgrad.
The formation of collinear and non-collinear spin structures is attributed to various magnetic interactions. For applications in medicine and data storage, it is necessary to understand under which parameters frustrations form in order to either avoid or use them. In this work, collinear and non-collinear spin structures on two different material systems are investigated. The first material system is composed of three atomic layers of manganese on a (001) surface of a tungsten single crystal and the second material system contains manganese combined with oxygen in a chain on a (001) surface of an iridium single crystal. Spin polarised scanning tunnelling microscopy (SP-STM) measurements and simulations of the three-layer pseudomorphic surface of manganese reveal a non-collinear spin structure. Density functional theory (DFT) calculations suggest a collinear ↑↓↓ spin constellation. Considering the chiral biquadratic pair interaction, conical spin spirals with a small opening angle are close to the energetically lowest state. Spin-resolved DFT calculations show a dependence on the approximated geometric relaxation of the atomic structure. Combined SP-RTM methods identify spin spirals on a three-layer material system and, according to DFT, the collinear or non-collinear state of the system depends on the spacing of its layers. Depending on the preparation, a collinear antiferromagnetic (AFM) or a non-collinear spin structure is revealed on the manganese oxide chains using SP-STM. Furthermore, it is presented that these spin structures can be switched into each other during the preparation by two different oxygen pressures and the supply of heat. Using intensity-voltage dependent low energy electron diffraction, two atomic structures are determined, which differ in their degree of oxidation. The non-collinear spin structure is already known in the literature as a 120° chiral spin spiral caused by the Dzyaloshinskii-Moriya-enhanced Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction. According to present collinear DFT calculations, the collinear spin structure is calculated as AFM along the chains and ferromagnetic coupling between the chains. Based on the evidence of a higher degree of oxidation, a stronger RKKY interaction based on the Heisenberg exchange interaction is suspected. In this case, the formation of collinear or non-collinear spin structures correlates with the degree of oxidation.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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