Diese Dissertation präsentiert Studien zum Magnetismus von Fe-Adatomen und FeH-Komplexen auf Pt(111), der Magnetisierungsdynamik von Fe-Nanomagneten auf Cu(111) und den elektronischen und magnetischen Eigenschaften von sowohl Fe-Adatomen auf Bi2Se3 als auch von Fe-Atomen, die in die obersten atomaren Schichten von Bi2Se3 eingebaut sind. Dabei wurden die Proben mit Hilfe von (spinpolarisierter) Rastertunnelmikroskopie (SP-RTM) und inelastischer Rastertunnelspektroskopie (IRTS) untersucht. Fe-Adatome und zwei FeH-Komplexe auf Pt(111) werden sowohl auf dem fcc- als auch auf dem hcp-Muldenadsorptionsplatz gefunden. Die mittels IRTS untersuchte magnetische Anisotropie weist in Stärke und Orientierung eine Abhängikeit vom Adsorptionsplatz auf: Während die Oberflächennormale für alle drei Spezies auf dem fcc-Platz die leichte Achse ist, stellt sie für Fe-Adatome und einen der FeH-Komplexe auf dem hcp-Platz die harte Achse dar. Die Energien und Lebenszeiten der beobachteten Spinanregungen unterscheiden sich drastisch auf den beiden Adsorptionplätzen. Der zweite FeH-Komplex auf dem hcp-Platz zeigt den Kondoeffekt und gleichzeitig eine schwache Anisotropie mit harter Achse senkrecht zur Oberfläche.
Künstlich hergestellte Fe-Nanomagnete aus fünf bis sieben ferromagnetisch gekoppelten Atomen weisen eine Anisotropie mit leichter Achse senkrecht zur Oberfläche auf. Bei niedrigen Temperaturen ist ihre Magnetisierung vermutlich intrinsisch stabil. In SP-RTM Messungen induziert der Tunnelstrom Magnetisierungsumkehrungen zwischen zwei metastabilen, senkrecht zur Oberfläche orientierten Grundzuständen (GZ), beobachtbar im Experiment als Telegraphensignal. Die dazwischenliegenden Zustände sind zeitlich nicht auflösbar. Aufgrund des durch die Kopplung ans Substrat bestimmten energetischen Szenarios, ist Gleichgewichtsquantentunneln zwischen den GZ verboten. Quantentunneln mit vorausgehender Spinanregung trägt dagegen zur Magnetisierungsumkehr bei. Außerdem verursachen Tunnel- und thermisch angeregte Substratvielektronen Übergänge zwischen den GZ durch sequentielle Spinanregungen. Da der Tunnelstrom spinpolarisiert ist, wird ein GZ dabei statistisch bevorzugt und eine Asymmetrie zwischen den beiden GZ ist im Nullfeld beobachtbar. Sie spiegelt das quantenmechanische Äquivalent zum quasiklassischen Spindrehmomenttransfereffekt wider.
Fe-Adatome auf Bi2Se3 werden auf den fcc- und hcp-Muldenadsorptionsplätzen beobachtet und sind vertikal stark in die Oberfläche relaxiert. Sie besitzen die magnetisch leichte Achse in der Oberflächenebene und sind Ladungsdonatoren. Das führt durch Bandverbiegung und der Bildung von Quantentrogzuständen zur Störung der elektronischen Oberflächenstruktur. Fe-Atome, die durch vorsichtiges Erwärmen in die Oberfläche von Bi2Se3 eingebaut werden, substituieren dort vornehmlich Bi-Atome und ändern ihr Dotierverhalten zu neutral oder Elektronakzeptor. Sie besitzen ein erhebliches magnetisches Moment und ermöglichen so die magnetische Oberflächendotierung.
In this thesis, the magnetic properties of Fe adatoms and FeH complexes on Pt(111), the magnetization dynamics of Fe-nanomagnets on Cu(111), and the electronic and magnetic properties of Fe adatoms on Bi2Se3 as well as of Fe substitutional atoms in the topmost layers of Bi2Se3 are investigated by means of (spin-polarized) scanning tunneling microscopy (SP-STM) and inelastic scanning tunneling spectroscopy (ISTS). Fe adatoms and two FeH complexes on Pt(111) are adsorbed on both fcc or hcp hollow sites. The magnetic anisotropy is found to exhibit a site dependence in strength as well as orientation. While all investigated species on the fcc site show an out-of-plane easy-axis, easy-plane anisotropy is found for both Fe adatoms and one FeH complex on the hcp site. The corresponding excitation energies and lifetimes exhibit a distinct behavior for the species residing on the two sites. The second FeH complex on the hcp site shows Kondo screening in combination with a weak easy-plane anisotropy.
Artificially constructed Fe-nanomagnets on Cu(111) consisting of five to seven ferromagnetically coupled atoms show an out-of-plane easy-axis anisotropy. Their magnetization is probably intrinsically stable at low temperatures. In SP-STM measurements, the tunneling current induces magnetization reversals between the two metastable ground states with out-of-plane orientation which is observeable as two-state telegraph noise. Intermediate states with short lifetimes are not resolvable by STM. The coupling to the substrate causes an energetic scenario where equilibrium quantum tunneling (QT) between the ground states through the anisotropy barrier is prohibited. However, non-equilibrium QT where a spin excitation preceeds QT contributes to the magnetization reversal. In addition, sequential spin excitations due to tunneling electrons from the tip and thermally-excited substrate electrons cause transitions over the barrier. Since the tunneling electrons are spin-polarized, one transition direction is statistically favored. Hence, a zero-field asymmetry of the ground states is observed that reflects the quantum mechanical equivalent of a quasi-classical spin transfer torque effect.
Fe adatoms on the Bi2Se3 surface are localized on the fcc and hcp hollow adsorption sites, showing strong vertical relaxation. They exhibit a magnetic easy axis within the surface plane and act as charge donors. This leads to a disturbance of the surface electronic structure by band bending and the formation of quantum well states. In an alternative surface doping scheme, Fe adatoms are incorporated into the surface of Bi2Se3 by gentle heating. The Fe atoms most likely substitute Bi and change their doping behavior to neutral or electron acceptors. In addition, they carry a considerable magnetic moment allowing for magnetic surface doping without charge doping.