Vorlesung Nanostrukturphysik IIa

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Vorlesung Nanostrukturphysik IIa Spin-polarisierte Rastertunnelmikroskopie (SP-STM) S O M M E R S E M E S T E R 2

1 Vorlesung Nanostrukturphysik IIa Spin-polarisierte Rastertunnelmikroskopie (SP-STM) S O M M E R S E M E S T E R U N I V E R S I TÄT D E S S A A R L A N D E S P R O F. D R. H A R T M A N N M I C H A E L P E N T H

2 Gliederung Grundlagen Spin-polarisiertes Elektronentunneln in ebenen Tunnelkontakten Spin-polarisiertes Vakuumtunneln in STM Tunnelspitze Operationsmodi Beispiele

3 Grundlagen Rastertunnelmikroskopie: Beschreibung durch Bardeen (1961) Modell für Spitze von Tersoff und Hamann (1983, 83) Bau eines STM durch Binnig und Rohrer (1987) Spin-polarisiertes Tunneln: Ferromagnet-Oxid-Supraleiter Tunnelkontakt (1971) Ferromagnet-Isolator- Ferromagnet (1975) MRAM (2005) Spin-polarisiertes STM (1990)

4 Grundlagen SP-Tunnelkontakte Spin-polarisiertes Elektronentunneln in ebenen Tunnelkontakten Tunneln zwischen Ferromagnet und Supraleiter Erste Beobachtung von spin-abhängigem Tunneln und quantitative Beschreibung an supraleitenden Aluminiumdünnschichten MESERVEY ET AL., 1970 [1] 4

5 Grundlagen SP-Tunnelkontakte Al-Oxid-Ni-Übergang: Zustandsdichte am Ferminiveau abhängig vom Spin Änderung der Leitfähigkeit TEDROW AND MESERVEY, 1971 [2] 5

6 Grundlagen SP-Tunnelkontakte Spin-Polarisation: N = Anzahl der tunnelnden Elektronen mit parallelem bzw antiparallelem Spin an der Fermikante[12] TEDROW AND MESERVEY, 1971 [2] 6

7 Grundlagen SP-Tunnelkontakte Spin-Polarisation: TEDROW AND MESERVEY, 1973 [3] 7

8 Grundlagen SP-Tunnelkontakte Tunneln zwischen zwei Ferromagneten: Beobachtet von Jullière (1975) und von Maekawa und Gäfvert (1982) Beschrieben von Slonczewski (1989): Ansatz mittels stationärer Wellengleichung und freiem Elektronengas G = Leitfähigkeit, G fbf = Leitfähigkeit für den nichtmagnetischen Fall, P fb = Effektive Spinpolarisation SLONCZEWSKI, 1989 [4] 8

9 Grundlagen SP-Tunnelkontakte Tunneln zwischen zwei Ferromagneten: Schematische Darstellung des Potentialverlaufes für zwei metallische Ferromagneten getrennt durch eine Isolatorschicht.. h i = Vektoren der internen Magnetfelder h B um Ө gegenüber h A verschoben SLONCZEWSKI, 1989 [4] 9

10 Grundlagen SP-Tunnelkontakte Tunneln zwischen zwei Ferromagneten: Handelt es sich um zwei verschiedene Elektroden wird zu Für parallele und antiparallele Ausrichtung erhält man Daraus erhält man die effektive Polarisation des Tunnelkontaktes P fbf : SLONCZEWSKI, 1989 [4] 10

11 Gliederung Grundlagen Spin-polarisiertes Elektronentunneln in ebenen Tunnelkontakten Spin-polarisiertes Vakuumtunneln in STM Tunnelspitze Operationsmodi Beispiele

12 Grundlagen SP-STM Spin-polarisiertes Vakuumtunneln in STM: Motivation: Tunnelkontakte mit Oxidschicht als Barriere waren aufgrund von Inhomogenitäten hinderlich. Ersetzen der Oxidschicht durch Vakuum Einsatz von magnetischen Spitzen in STM

13 Grundlagen SP-STM Spin-polarisiertes Vakuumtunneln in STM: Grundlage der STM: Bardeen (1961) und Tersoff und Hamann (1983) Bardeen beschrieb die Abhängigkeit des Tunnelstromes vom Abstand. Dieser Formalismus berücksichtigt den elektronischen Zustand von Probe und Messspitze. Letztere wurde durch Tersoff und Hamann mit einer runden Spitze approximiert BARDEEN 1961 [5], TERSOFF UND HAMANN 1983 [6] 13

14 Grundlagen SP-STM Spin-polarisiertes Vakuumtunneln in STM: Bei Verwendung einer magnetischen Spitze tritt eine zusätzliche Abhängigkeit des Tunnelstromes vom Spin auf. Theoretische Beschreibung: Modifikation der Theorie von Bardeen durch Ersetzen der Wellenfunktionen für Probe und Spitze durch Spinoren: Tunnel-Leitfähigkeit abhängig von der spin-aufgelösten lokalen Zusandsdichte an der Fermikante von Probe und Spitze und dem Winkel zwischen den Magnetisierungen WIESENDANGER, 2009 [7] 14

15 Grundlagen SP-STM WIESENDANGER, 2009 [7] 15

16 Grundlagen SP-STM Erste Versuche mit SP-STM: CrO 2 Spitze an Cr(001) Probe mit alternierend magnetisierten Terrassen mit atomaren Höhenunterschied: mit I = I 0 (1+P) I = I 0 (1 P) WIESENDANGER ET AL., 1990 [8] 16

17 Grundlagen SP-STM Erste Versuche mit SP-STM: CrO 2 Spitze an Cr(001) Probe mit alternierend magnetisierten Terrassen mit atomaren Höhenunterschied: Spin verursacht Messung alternierender Höhenunterschiede (Const-I-Mode): h 1 = h + Ds 1 + Ds 2 und h 2 = h Ds 1 Ds WIESENDANGER ET AL., 1990 [8] 17

18 Grundlagen SP-STM Abhängigkeit der Polarisation von der Bias Spannung: Gleichungen für die Polarisation gelten für kleine Bias-Spannungen. Bei bekannter LDOS einer Elektrode kann aus der Bias-Spannungsabhängigkeit das LDOS der anderen Probe berechnet werden (SP-Scanning-Tunneling Spectroscopy, SP-STS) CrO 2 -Vakuum-Cr(001) Tunnelkontakt WIESENDANGER ET AL., 1991 [9] 18

19 Gliederung Grundlagen Spin-polarisiertes Elektronentunneln in ebenen Tunnelkontakten Spin-polarisiertes Vakuumtunneln in STM Tunnelspitze Operationsmodi Beispiele

20 Tunnelspitze 1980er: Optische Aufladung von GaAs-Spitzen mit polarisiertem Licht als Optimum beschrieben, scheitert aber an Spin-Relaxation und Lebensdauer[10] Einsatz magnetischer Materialien als Spitze: Vollmagnetische Spitzen (mono-, polykristallin, amorph) Magnetisch ummantelte Spitzen Spitzen mit magnetischem Cluster Einsatz von 3d-Übergangsmetallen, Seltene Erden und Legierungen aus diesen WIESENDANGER, 2009 [7] 20

21 Tunnelspitze Vollmagnetische Spitzen: Material: Fe, Cr, CoFeNiSiB Spinkontrast: Fe: 40-45%, Cr: 20% Letztes Atom der Spitze bestimmt Spin- Kontrast. Problem: Streufelder der Spitze beeinflussen den Zustand der Probe! Besonders Materialien hoher magnetischer Sättigung. (z.b. Fe) a) ferromagnetische und b) antiferromagnetische Spitze WIESENDANGER, 2009 [7] 21

Reduziert Streufelder, jedoch wird die Spitze durch die Erhitzung stumpf.

22 Tunnelspitze Ummantelte Spitzen: In-situ Epitaxie nach vorhergehender Hochtemperaturreinigung im UHV. Reduziert Streufelder, jedoch wird die Spitze durch die Erhitzung stumpf. Aber: Bei ferromagnetischen Schichten kommt es dennoch zu hohen Streufeldern, vermutlich durch Clusterbildung WIESENDANGER, 2009 [7] 22

Tunnelspitze Spitzen mit magnetischem Cluster: Einfache Herstellung durch Verwendung einer normalen STM- Spitze, an die hohe Spannungspulse (z.

23 Tunnelspitze Spitzen mit magnetischem Cluster: Einfache Herstellung durch Verwendung einer normalen STM- Spitze, an die hohe Spannungspulse (z.b. 10V, 60µs) angelegt werden. Anlagerung eines Clusters magnetischen Materials von der Probe an der Spitze WIESENDANGER, 2009 [7] 23

24 Gliederung Grundlagen Spin-polarisiertes Elektronentunneln in ebenen Tunnelkontakten Spin-polarisiertes Vakuumtunneln in STM Tunnelspitze Operationsmodi Beispiele

25 Operationsmodi Operationsmodi: Constant-current mode z-position wird so geregelt, dass Strom konstant bleibt. Spin-resolved spectroscopic mode Messung der differentiellen lokalen Tunnelleitfähigkeit di du in Abhängigkeit von der Bias-Spannung, x- und y-koordinate, während die Bias-Spannung mit einer kleinen Modulationsspannung versehen wird. Modulated tip magnetization mode Umschalten der Magnetisierung in höherer Frequenz als die Cut-Off-Frequenz der Feedback-Loop, wodurch das gemessene Signal proportional zur Magnetisierung der Probe ist WIESENDANGER, 2009 [7] 25

26 Operationsmodi Operationsmodi: Constant-current mode Spin-resolved spectroscopic mode Modulated tip magnetization mode WIESENDANGER, 2009 [7] 26

27 Gliederung Grundlagen Spin-polarisiertes Elektronentunneln in ebenen Tunnelkontakten Spin-polarisiertes Vakuumtunneln in STM Tunnelspitze Operationsmodi Beispiele

28 Beispiele Co(0001) Modulated tip magnetization mode WIESENDANGER, 2009 [7] 28

29 Beispiele Nanokristallines Fe Spin-resolved spectroscopic mode WIESENDANGER, 2009 [7] 29

30 Beispiele Co Atome auf Pt(111) Spin-resolved spectroscopic mode MEIER ET AL., 2008 [11] 30

31 Quellen [1]Meservey, R., P. M. Tedrow, and P. Fulde, 1970, Magnetic field splitting of quasiparticle states in superconducting aluminum films, Phys. Rev. Lett. 25, [2]Tedrow, P. M., and R. Meservey, 1971, Spin-dependent tunneling into ferromagnetic nickel, Phys. Rev. Lett. 26, [3]Tedrow, P.M., and R. Meservey, 1973, Spin polarization of electrons tunneling from films of Fe, Co, Ni, and Gd, Phys. Rev. B 7, [4]Slonczewski, J. C., 1989, Conductance and exchange coupling of two ferromagnets separated by a tunnelling barrier, Phys. Rev. B 39, [5] Bardeen, J., 1961, Tunneling from a many body point of view, Phys. Rev. Lett. 6, [6] Tersoff, J., and D. R. Hamann, 1983, Theory and application for the scanning tunneling microscope, Phys. Rev. Lett. 50, [7] Wiesendanger, R., 2009, Spin mapping at the nanoscale and atomic scale, Review of Modern Physics, Volume 81, Oct-Dec 2009, DOI: /RevModPhys

32 Quellen 2 [8] Wiesendanger, R., D. Anselmetti, and H.-J. Güntherodt, 1990, Advances in STM design and instrumentation, Europhys. News 21, [9] Wiesendanger, R., D. Bürgler, G. Tarrach, A. Wadas, D. Brodbeck, H.-J. Güntherodt, G. Güntherodt, R. J. Gambino, and R. Ruf, 1991, Vacuum tunneling of spin-polarized electrons detected by scanning tunneling microscopy, J. Vac. Sci. Technol. B 9, [10] Shinohara, R., K. Yamaguchi, H. Hirota, Y. Suzuki, T. Manago, H. Akinaga, T. Kuroda, and F. Minami, 2000, Lifetime and spin relaxation time measurements of micro-fabricated GaAs tips, Jpn. J. Appl. Phys. 39, [11] Meier, F., L. Zhou, J. Wiebe, and R. Wiesendanger, 2008, The magnetization of individual adatoms, Science 320, [12]Wagner, S., 2004, Bestimmung der effektiven Spinpolarisation von La 2/3 Ba 1/3 MnO 3, Diplomarbeit an der Technischen Universität München

33 Weiterführende Literatur Wiesendanger, R., 2009, Spin mapping at the nanoscale and atomic scale, Review of Modern Physics, Volume 81, Oct-Dec 2009, DOI: /RevModPhys

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