Kurzfassung
In dieser Arbeit wurden die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von in situ präparierten, größenselektierten reinen und legierten Clustern auf magnetischen und nicht magnetischen 3d Übergangsmetalloberflächen anhand von Röntgenabsorptionsspektroskopie sowie zirkularem magnetischen Röntgendichroismus (XAS, XMCD) untersucht. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften von kleinen, größenselektierten und deponierten Clustern besitzen eine starke Größenabhängigkeit, welche unter anderem durch die Hybridisierung mit dem unterliegenden Substrat beeinflusst wird. Weiteres Legieren einer bestimmten Clustergröße führt zu zusätzlichen Veränderungen, welche von der Stöchiometrie des Clusters abhängen. XAS und XMCD Methoden ermöglichen die Entwicklung der elektronischen und magnetischen Clustereigenschaften elementspezifisch zu untersuchen. Aus den XMCD Spektren können anhand von magneto-optischen Summenregeln die magnetischen Bahn- als auch die Spinmomente separat bestimmt werden.
In einem ersten Experiment wurden größenselektierte, mit bis zu fünf Atomen große CoRh Legierungscluster auf einer aus der Oberflächenebene heraus magnetisierten Ni/Cu(100) Oberfläche deponiert und mit XAS als auch XMCD untersucht. Anhand der an den Co L2,3-Kanten aufgenommenen XAS Spektren wurde eine bezüglich Sauerstoff erhöhte chemische Reaktivität der mit Rh legierten Cluster nachgewiesen. Die Reaktivität der Cluster hängt im besonderen Maße von ihrer Größe als auch ihrer Zusammensetzung ab. Die starke Größenabhängigkeit der oxidierten Cluster wurde von XMCD Messungen und der einhergehenden Analyse anhand der Summenregeln bestätigt. Außerdem zeigt die Analyse einen Wechsel von ferro- zu antiferromagnetischer Kopplung zwischen Co, Rh und Ni.
In einem zweiten Experiment wurden größenselektierte Co1-3 Cluster auf der noblen Cu(100) Oberfläche deponiert und bei Magnetfeldern mit Stärken bis zu 7 T untersucht. XAS und XMCD Spektren belegen eine reduzierte Cluster-Substrat Hybridisierung gegenüber anderen (100) Übergangsmetalloberflächen. Anhand der Summenregeln konnte gezeigt werden, dass aufgrund der reduzierten Hybridisierung die Verhältnisse der Bahn- zu Spinmomente erhöht sind. Die Erhöhung wurde mit einem Anstieg des Bahnmomentes begründet. Anhand von aufgenommenen Magnetisierungskurven wird ein Wechsel der leichten Magnetisierungsachse, von parallel zur Oberfläche für Co1 zu senkrecht zur Oberfläche für Co2,3, vermutet.
Hierzu wurden neue Experimentierkammern aufgebaut, die magnetfeld- und temperaturabhängige Messungen an in situ präparierten Proben unter UHV Bedingungen ermöglichen. Die Magnetfelder können Stärken von bis zu 7 T erreichen und die Temperaturen auf bis zu 50 mK abgesenkt werden. Die Experimentierkammern sind generell für die Röntgenabsorptionsspektroskopie mittels Synchrotron-Strahlungsquellen der dritten Generation geeignet, die einen hohen Photonenfluss bei gleichzeitig hohem Auflösungsvermögen ermöglichen.
In this thesis, the electronic and magnetic properties of in situ prepared, size-selected, pure and alloy clusters on magnetic and non-magnetic 3d transition metal surfaces are studied by means of x-ray absorption as well as x-ray magnetic circular dichroism spectroscopy (XAS, XMCD). The chemical and electronic properties of small, size-selected and deposited clusters exhibit a strong size dependence which is also influenced by the hybridization with the underlying substrate. Further alloying of a certain cluster size results in additional modifications as a function of the stoichiometry. XAS and XMCD techniques allow to study the changes of the electronic and magnetic cluster properties in an element-selective way. From the XMCD spectra, the orbital and spin magnetic moments can be derived separately by applying magneto-optical sum rules.
In a first experiment, size-selected CoRh alloy clusters up to five atoms are deposited on an out-of-plane magnetized Ni/Cu(100) surface and studied by means of XAS and XMCD. XAS spectra are taken at the Co L2,3-edges and reveal an enhanced chemical reactivity towards oxidation of the clusters when alloyed with Rh. The reactivity of the clusters highly depends on the cluster size and their composition. XMCD measurements together with the sum rule analysis confirm the strong size dependence of the oxidized clusters and show transitions from ferro- to antiferromagnetic coupling between Co, Rh and Ni.
In the second experiment, size-selected Co1-3 clusters are deposited on a noble Cu(100) surface and studied in magnetic fields up to 7 T. XAS and XMCD spectra show that among other 3d transition metal (100) surfaces the cluster-substrate hybridization is reduced. This reduction of hybridization results in higher orbital to spin magnetic moment ratios as is shown by sum rule analysis. The increase is interpreted as an enlarged orbital magnetic moment. From magnetization curves, there is evidence of an in-plane to out-of-plane easy axis transition from Co1 to Co2,3.
New experimental chambers are introduced which enable magnetic field and temperature dependent measurements of in situ prepared samples under UHV conditions. The magnetic fields can reach up to 7 T, and the temperatures can be lowered down to 50 mK. The chambers and measurement setups are realized in order to perform soft x-ray absorption spectroscopy measurements by using third-generation synchrotron radiation sources which combine both, high photon flux and high resolving power.