Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der magnetischen Kopplung von individuellen magnetischen Atomen an ferromagnetische Elektroden durch nichtmagnetische Zwischenschichten. Zwei sehr unterschiedliche Systeme werden für diesen Zweck ausgewählt, nämlich Graphen/Ni(111) und Pd Adsorptionsschichten auf Co/Ir(111).
Der Magnetismus der freien und Graphen-bedeckten (111)-Oberfläche eines Nickel-Einkristalls wird sowohl mit drei magnetisch sensitiven Methoden abgebildet als auch in ab initio Rechnungen studiert. Dabei werden Längenskalen vom Nanometer- bis in den Millimeterbereich untersucht. Mittels Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie (SP-STM) werden Domänenwände mit Breiten von 60 bis 90 nm gefunden, die durch externe senkrechte Magnetfelder bewegt werden können. Auch auf der Graphenbedeckten Oberfläche wird Spin-Kontrast beobachtet, was bedeutet, dass die Elektronen-Zustandsdichte im Vakuum oberhalb der Graphenschicht deutlich spin-polarisiert ist. In übereinstimmung mit Dichtefunktional-Rechnungen (DFT) wird eine im Vergleich zur freien Oberfläche erhöhte atomare Korrugation gemessen, was auf auf pz-Orbitale des Kohlenstoffs und die Unterdrückung der Ni-Oberflächenzustände zurückzuführen ist. Letztere führt außerdem zu einer Umkehrung der Spin-Polarisation gegenüber der freien Oberfläche. Raumtemperatur-Kerr-Mikroskopie zeigt eine Streifen-Domänenstruktur mit Streifenbreiten von 3 - 6 μm. Unter dem Einfluß eines Magnetfeldes in der Ebene beginnen sich die Domänenwände ab 13 mT zu bewegen, und bei 140 mT wird ein Eindomänenzustand erreicht. Mittels Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse (SEMPA) wird eine weitere, 330 nm breite V-förmige Modulation innerhalb der Streifen gefunden. Qualitativ lässt sich dieses Muster auf die eine Verzweigung der bulk-Domänen an der Oberfläche zurückführen, die das Streufeld verringert. Weiterhin werden einzelne Eisen-, Kobalt- und Chromatome auf der Graphen-bedeckten Ni(111)-Oberfläche mit Rastertunnelspektroskopie untersucht. Diese Messungen erweisen sich wegen der Restverunreinigung an der Ni(111)-Oberfläche als schwer interpretierbar.
Pd-Adsorptionsschichten auf Co/Ir(111) und einzelne, oben adsorbierte Co-Atome werden sowohl von experimenteller als auch theoretischer Seite untersucht. Mit SP-STM werden die Morphologie und die Spin-aufgelösten elektronischen Eigenschaften von Mono- und Doppellagen Pd auf Co/Ir(111) untersucht. Durch Messen der differentiellen Tunnelkonduktanz kann das pseudomorphe Wachstum mit zwei Stapelungen der Pd-Monoschicht leicht elektronisch unterschieden werden. Spin Kontrast wird sowohl auf den Pd-Monound Doppellagen als auch auf den Co-Atomen erreicht, was bedeutet, dass die elektronische Zustandsdichte oberhalb der Oberflächen und Atome spinpolarisiert ist. Tatsächlich zeigen DFT-Rechnungen, dass die Pd-Atome der Mono- und Doppellagen ein induziertes magnetisches Moment von ungefähr 0.3 μB beziehungsweise 0.2 μB besitzen; auf den Mono- und Doppellagen adsorbierte Co-Schichten besitzen ein magnetisches Moment von etwa 2.0 μB/Atom. Die Berechnungen zeigen auch, dass Co-Adsorptionsschichten ferromagnetisch an das Co/Ir(111) darunter gekoppelt sind. Die Größe der magnetischen Austauschkopplungen ist jedoch reduziert um einen Faktor drei von einer Mono- zu einer Doppellage Pd als Abstandshalter zwischen den Co-Schichten.
The aim of this thesis is the study of magnetic coupling of individual magnetic atoms to ferromagnetic electrodes via non-magnetic spacer layers. Two very different systems are chosen for this purpose, namely graphene/Ni(111) and Pd adlayers on Co/Ir(111).
The magnetism of the bare and graphene-covered (111) surface of a Ni single crystal is studied by employing three different magnetic imaging techniques and ab initio calculations, covering length scales from the nanometer regime up to several millimeters. With low temperature spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM), domain walls with widths of 60 - 90 nm are found and can be moved by small perpendicular magnetic fields. Spin contrast isalso achieved on the graphene-covered surface, which means that the electron density in the vacuum above graphene is substantially spin-polarized. In accordance with density functional theory (DFT) calculations, an enhanced atomic corrugation with respect to the bare surface is observed, due to the presence of the carbon pz orbitals and as a result of the quenching of Ni surface states. The latter also leads to an inversion of spin-polarization with respect to the pristine surface. Room temperature Kerr microscopy shows a stripe like domain pattern with stripe widths of 3 - 6 μm. Applying in-plane-fields, domain walls start to move at about 13 mT and a single domain state is achieved at 140 mT. Via scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA) a second type of modulation within the stripes is found and identified as 330 nm wide V-lines. Qualitatively, the observed surface domain pattern originates from bulk domains and their quasi-domain branching is driven by stray field reduction. Individual Fe, Co and Cr atoms on graphene/Ni(111) are studied by means of scanning tunneling spectroscopy (STS). However, the systems obtained are difficult to investigate due to residual contamination of Ni(111).
Pd adlayers on Co/Ir(111) and single Co atoms adsorbed on top are studied from both experimental and theoretical side. With SP-STM, the morphology and the spin-resolved electronic properties of mono- and double-layer Pd on Co/Ir(111) are investigated. By measuring the differential tunneling conductance, pseudomorphic growth with two stackings of the Pd monolayer can easily be distinguished electronically. Spin contrast is achieved on both the Pd mono- and double-layer and on Co adatoms on top, which means that the electron density above the surfaces and adatoms is spin-polarized. Indeed, based on DFT calculations, the surface Pd atoms of mono- and double-layer are found to carry an induced magnetic moment of about 0.3 μB and 0.2 μB, respectively; Co layers adsorbed on top of a Pd mono- and double-layer possess a magnetic moment of about 2.0 μB/atom. The calculations also show that Co adlayers are ferromagnetically coupled to the Co/Ir(111) underneath. The size of the magnetic exchange coupling is, however, reduced by a factor of three from a mono- to a double-layer Pd spacer between the Co layers.