In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen an Eisen (Fe) Nanostrukturen auf zwei unterschiedlichen Iridium (Ir) Oberflächen vorgestellt. Über Messungen mittels der spin-polarisierten Rastertunnelmikroskopie (SP-STM) wurde in beiden Probensystemen ein komplexer, nicht-kollinearer magnetischer Grundzustand gefunden.
Fe-Atome, die bei Raumtemperatur auf die (5x1)-rekonstruierte Ir(001) Oberfläche aufgebracht werden, ordnen sich in den Gräben der Rekonstruktion zu Ketten mit einer Breite von lediglich zwei Atomen an. Die Adsorptionsplätze der Fe-Atome können durch die hohe Ortsauflösung der Rastertunnelmikroskopie (STM) bestimmt werden, und die elektronischen Eigenschaften werden mittels Rastertunnelspektroskopie (STS) untersucht. In SP-STM Messungen in einem externen Magnetfeld wurden auf allen Ketten eine Modulation mit einer Periodizität von drei atomaren Abständen entlang der Kettenachse festgestellt. Diese Modulation ist sowohl in Konstantstrom-Bildern als auch in Karten der differentiellen Leitfähigkeit zu sehen, und wird durch eine Spinspirale hervorgerufen. Bei der Messtemperatur (T=8K) kann ohne ein externes Magnetfeld kein magnetisches Signal gemessen werden, da die Spinspirale wie ein Makrospin thermisch fluktuiert. Rechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) zeigen, dass dieser nicht-kollineare Grundzustand durch das Zusammenspiel der antisymmetrischen Dzyaloshinskii-Moriya (DM) Wechselwirkung und einer extrem schwachen Heisenberg-Austauschwechselwirkung hervorgerufen wird.
Die erste atomare Lage Fe auf der Ir(111) Oberfläche wächst pseudomorph und setzt die fcc Kristallstruktur fort, was zu einer hexagonalen Anordnung der Fe-Atome führt. In SP-STM Messungen zeigt diese Fe-Lage eine fast quadratische magnetische Überstruktur, deren Einheitszelle aus ungefähr 15 Atomen besteht. Messungen von vier verschiedenen Komponenten der Probenmagnetisierung können zu der kompletten Magnetisierungsdichte überlagert werden, welche durch ein Gitter von magnetischen Skyrmionen hervorgerufen wird. Diese magnetische Struktur kann auch in spingemittelten STM-Messungen gemessen werden, da ihre Nichtkollinearität den anisotropen magnetischen Tunnelwiderstand (TAMR) bedingt. STM-Bilder mit sowohl atomarer Auflösung als auch TAMR-Kontrast zeigen, dass das Skyrmionengitter inkomensurabel zu dem atomaren Gitter ist. DFT-Rechnungen ergeben auch für dieses Probensystem, ähnlich wie bei den Fe Ketten auf der Ir(001) Oberfläche, eine sehr schwache Heisenberg-Austauschwechselwirkung. Das führt dazu, dass die DM-Wechselwirkung und die oft vernachlässigte Vierspin-Wechselwirkung tragende Rollen spielen und für das Skyrmionengitter als den magnetischen Grundzustand verantwortlich sind.
In this thesis, investigations of iron (Fe) nanostructures on the reconstructed (001) and on the (111) surface of an iridium (Ir) single crystal are presented. Both sample systems exhibit complex, non-collinear magnetic ground states which are studied by means of spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM).
Fe atoms deposited on the (5x1)-reconstructed Ir(001) surface grow in the trenches of the reconstruction, thereby forming chains with a width of only two atoms. High-resolution scanning tunneling microscopy (STM) measurements allow the determination of the favorable adsorption sites of the Fe atoms, and the electronic properties of the Fe chains are investigated using scanning tunneling spectroscopy (STS). SP-STM measurements in an external magnetic field reveal a modulation with a periodicity of three atomic distances along the chain axes. This modulation is visible in constant current images as well as in maps of the differential conductance and can be attributed to a spin spiral ground state. Without an external magnetic field, the spin spiral fluctuates as a macrospin at the measurement temperature (T=8K) due to thermal excitations, which leads to a vanishing contrast in SP-STM measurements.Density functional theory (DFT) calculations reveal a combination of extremely weak Heisenberg exchange and the antisymmetric Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interaction as the microscopic origin of this non-collinear ground state.
The first atomic layer of Fe on the Ir(111) surface predominately continues the face-centered cubic (fcc) structure of the Ir single crystal which leads to a hexagonal arrangement of the Fe atoms. In SP-STM measurements, the Fe layer exhibits an almost square magnetic superstructure with a unit cell consisting of approx. 15 atoms. Measurements of four different magnetization components are superimposed and reveal a lattice of skyrmions as the ground state of this sample system. The magnetic structure can be detected in spin-averaged STM measurements due to its non-collinearity, which gives rise to the tunneling anisotropic magnetoresistance (TAMR). Atomically resolved STM images with simultaneously acquired TAMR-contrast show that the skyrmion lattice is incommensurate to the atomic lattice. DFT calculations reveal that the Heisenberg exchange in this sample system is extremely weak, similar to the Fe chains on the Ir(001) surface. Therefore, the DM interaction and the often neglected four-spin interaction play crucial roles, and drive the Fe layer into the skyrmion lattice ground state.