Die vorliegende Arbeit behandelt die erstmalige, eindeutige, experimentelle Realisierung der magnetischen Austauschkraftmikroskopie (MAKM). Die MAKM basiert auf der Rasterkraftmikroskopie (hier im dynamischen Nichtkontaktmodus) und erlaubt die atomar aufgelöste, spinsensitive Abbildung von Oberflächen, unabhängig von deren elektrischer Leitfähigkeit, durch Messung der kurzreichweitigen magnetischen Austauschkräfte zwischen den Spins des vordersten Atoms der Messsonde und dem darunterliegenden Probenatom.
Im ersten Teil der Arbeit wird das generelle Konzept der magnetischen Austauschkraftmikroskopie erklärt und es werden die experimentellen Anforderungen diskutiert. Außerdem wird ausführlich auf Techniken zur Präparation und Charakterisierung der verwendeten Messsonden und der Proben eingegangen.
Die Messergebnisse werden im zweiten Teil der Arbeit vorgestellt. In einem Magnetfeld mit einer Flussdichte von 5 T wurden Messungen bei einer Temperatur von 8 K durchgeführt, bei denen mit Hilfe einer eisenbeschichteten Messsonde simultan die chemische (1×1)- und die magnetische (2×1)- Oberflächeneinheitszelle der (001)-Oberfläche des antiferromagnetischen Isolators NiO abgebildet werden konnte. Der magnetische Kontrast ist dabei sowohl im Topographie- als auch im Dissipationskanal sichtbar. In manchen der auf diese Weise gemessenen Bilder treten diskrete Änderungen im magnetischen Kontrast auf, die mit Umkonfigurationen des vordersten Spitzenendes erklärbar sind. Außerdem wurden mit nickel- bzw. gadoliniumbedampften Messsonden auf der NiO(001)-Oberfläche sowie mit eisenbedampften Messsonden auf der MnO(001)-Oberfläche Messungen im Magnetfeld durchgeführt, bei denen die atomar aufgelöste Abbildung der chemischen Einheitszelle gelang, eine magnetische Abbildung jedoch nicht möglich war.
Bei weiteren Messungen wurde mittels atomar aufgelöster Rasterkraftspektroskopie mit einer nickelbeschichteten Messsonde ein Spektroskopiefeld aus 64×64 Kurven auf der NiO(001)-Oberfläche aufgenommen. Durch eine Optimierung der Messparameter und aufgrund der großen Stabilität des verwendeten Mikroskops gelang es, eine praktisch driftfreie Messung durchzuführen. Allerdings war es nicht möglich, in diesem Messmodus magnetische Auflösung zu erzielen. Jedoch konnten aus den Messdaten das Wechselwirkungspotential, die Kraft, sowie die dissipierte Energie zwischen Spitze und Probe mit hoher räumlicher Auflösung rekonstruiert werden. Bei der Analyse der Spektroskopiefelder lag das Hauptaugenmerk nicht wie üblich auf den Eigenschaften der Probe, sondern es wurde die Wechselwirkung der Spitze mit der symmetrischen (001)-Oberfläche der Probe ausgenutzt, um Aussagen bezüglich der Struktur und der Relaxationseffekte der vordersten Spitzenatome zu machen.
The present work deals with the first unambiguous experimental realisation of magnetic exchange microscopy (MExFM). MExFM is based on atomic force microscopy (here in the dynamic non-contact mode) and allows the atomically resolved, spin-sensitive mapping of surfaces, independent of their electrical conductance, by measuring the magnetic exchange force between the spins of the foremost probe tip atom and the surface atom underneath.
In the first part of this work the general concept of magnetic exchange force microscopy is explained and experimental prerequisites are discussed. Furthermore, techniques for preparation and characterization of the probes and the samples that were used are adressed in detail.
Experimental results are presented in the second part of this work. Using an iron-coated probe tip, measurements were carried out at a temperature of 8 K and in a magnetic field with a flux density of 5 T. It was possible to image the chemical (1×1)- and the magnetic (2×1)-surface unit cell of the (001)-surface of the antiferromagnetic insulator NiO simultaneously. A magnetic contrast is present in the topography- as well as in the dissipation-channel. Some of the presented images show discrete jumps in the magnetic contrast, which can be explained by reconfigurations of the foremost tip apex. Besides that, nickel- and gadolinium-coated probes were used for measurements in a magnetic field on the (001)-surface of NiO and iron-coated probes for the (001)-surface of MnO. In these cases an atomically resolved mapping of the chemical unit cell was obtained whereas a magnetic imaging was not possible.
Further measurements were performed by using atomically resolved scanning force spectroscopy with a nickel-coated probe resulting in the successful measurement of a spectroscopy field with 64×64 curves on the NiO(001)-surface. By optimizing measurement parameters and because of the high stability of the microscope that was used, it was possible to perform an almost drift-free measurement. However, a magnetic imaging was not possible in this mode. Using the data, a reconstruction of the interaction potential, the force and the dissipated energy between probe and sample were done with high spatial resolution. Instead of the usual approach where one is mainly interested in sample properties, the data are analyzed with respect to the structure and the relaxation effects at the foremost tip apex atoms.