Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3885
Die elektronische Bandstruktur der (5d6s)- Valenzzustände in
ferromagnetischem Gd(0001) konnte experimentell bestimmt werden. Für die
Interpretation der Spektren ist die Beachtung der Lebensdauerverbreiterung der
photoemittierten Elektronen wesentlich. Die gemessenen
Photoemissionsspektren wurden mit Ergebnissen spin-aufgelöster LSDA-
Rechnungen verglichen. Die Dispersion des (5d6s)-Bandes kann konsistent
innerhalb der Einteilchen-Bandtheorie beschrieben werden, wenn die
Verbreiterung der Lebensdauer der Photoelektronen in den Rechnungen
berücksichtigt wird. Im Gegensatz zu vorherigen Untersuchungen konnte
gezeigt werden, dass für die Beschreibung der Valenzbandzustände der selten-
Erd Metalle die über Korrelationseffekte induzierte Verringerung der
Bandbreite eine wesentlich geringere Rolle spielt.
Die Struktur des Valenzbandes von ferromagnetischem Gadolinium-Filmen ist
zusätzlich als Funktion der Temperatur untersucht worden. Dabei zeigte sich
eine klare Abweichung von einem Stoner-Verhalten, welches Volumen-artigem
Selten-Erd Metallen zugeordnet war. Die Spektren zeigen, daß die Verringerung
der Austausch-Aufspaltung der Volumenzustände mit steigender Temperatur
(wie sie im Stoner-Modell vorhergesagt ist) von einer Verringerung der spin-
Polarisation begleitet ist, wobei dieses Verhalten eher einem Spin-mixing
zugeordnet ist. Es zeigt sich, dass sich beide Einflüsse zu unterschiedlichen
Anteilen mischen, je nachdem, welche effektive Austauschaufspaltung der
jeweils betrachtete Zustand aufweist. Eine Beschreibung des
Temperaturverhaltens in Selten-Erd Metallen kann also im Gegensatz zum
bisherigen Wissensstand weder ausschließlich im Stoner- noch im Spin-Mixing-
Modell erfolgen.
Weiterhin wurde die Adsorption von Sauerstoff und Wasserstoff auf der
Gd(0OO1)-Oberfläche untersucht. In einem ersten Schritt findet eine
Chemisorption der Sauerstoff und Wasserstoffmoleküle auf der Oberfläche statt.
Diese Belegung kann durch photo-stimulierte Desorption effektiventfernt
werden. Eine weitere Exposition mit Sauerstoff (bis zu 1 L) führt zur
Ausbildung einer Gd-Oxid-Schicht auf dem reinem Gadolinium. Diese oberste
Schicht weist Sauerstoff-induzierte Valenzbandzustände auf, deren Struktur mit
Spin-aufgelöster Photoemission untersucht wurde. Dabei zeigten sich erstmals
Hinweise auf eine magnetische Ordnung der Gd-Oxid-Schicht. Bei
Raumtemperatur bildet die Gd-Oberfläche eine Diffusionsbarriere für
Wasserstoff, wohingegen Sauerstoff in den Festkörper eindringen kann.
Die Oxidation von dünnen Gadoliniumfilmen führt zur Ausbildung
halbleiterartigem Gd-Oxids, charakterisiert durch eine starke Bandverbiegung,
dessen Stärke sich auch als Funktion einer weiteren nachfolgenden Gd- und O2-
Belegung beschreiben lässt. Nach der Exposition dicker (>10 ML) Gd-Filmen
mit bis zu 10 L Sauerstoff bildet sich das gegenüber einer weitereD Oxidation
inerte Gd2O3. Ein epitaktisches Wachstum kann einerseits für diese
Isolatorschicht auf dem darunter liegenden Gadolinium, als auch umgekehrt für
Gd auf einer darunter liegenden Oxidschicht erzielt werden. Damit ist die
Präparation epitaktisch gewachsener Dreischichtsysteme bestehend aus zwei
durch eine Gd2O3-Schicht getrennten Gd-Lagen möglich. Diese Anordnung
entspricht einer TMR-Struktur und bietet aufgrund des epitaktischen Aufbaus
gute Voraussetzungen für theoretische Untersuchungen.
The electronic band structure of the (5d6s)-valence states in ferromagnetic
Gd(0001) has been experimentally determined. The spin analysis shows the
importance of including the photoelectron lifetime broadening in the
interpretation of the experimental band structure. The photoemission results are
compared with spin-polarized LSDA calculations of the sufface and bulk Gd
band structure. The comparison demonstrates that the (5d6s)-band dispersion
can be consistently described within single particle band theory if the effects of
the photoelectron lifetime broadening are included. Contrary to previous
investigations, these results reduce the importance of band narrowing due to
correlation effects in the description of rare earths valence states.
The valence band structure of ferromagnetic Gd films has been studied as a
function of the temperature, revealing a clear deviation from the Stoner
behaviour that was attributed so far to the bulk magnetism in rare earths. The
spectra evolution shows that a decrease in exchange splitting of the bulk states
with increase in temperature (as predicted by the Stoner model) is accompanied
by a decrease of the spin polarization, which is expected for a Spin mixing-like
behaviour. The two different behaviours are found to mix together in different
way depending on the effective exchange coupling of the considered state. The
finite temperature effects in rare earths caIinot be described within the pure
Stoner or Spin mixing models proposed until now in the literature.
The effects of oxygen and hydrogen adsorption on Gd(OOO1) surface has been
investigated.
Malagoli, Mariacristina
Electronic and Magnetic Properties of Local-moment Systems: Rare Earth Metals and Oxides
II, 113 S., 2001
Die magnetischen und elektronischen Eigenschaften von Gd und Gd-Oxid sind
mit Spin- und Winkel-aufgelöster Photoemission unter Verwendung von
Synchrotronstrahlung untersucht worden.
The magnetic and electronic properties of Gd and Gd-oxide local moment
systems have been investigated by means of spin and angular resolved
photoemission with synchrotron radiation.
In the first stage both hydrogen and oxygen chemisorbs on the sufface and can
be efficiently removed due to a photon stimulated desorption.
Further oxygen exposures (up to 1 L) give rise to a surface 2-dimensional Gd-
oxide on top of the ferromagnetic Gd film. This oxide is characterized b y
oxygen-induced states in the valence band, whose spin polarization has been
studied by spin resolved photoemission, providing the first evidence of the
magnetic order of the sufface. While, at room temperature, the adsorption of
hydrogen is limited to the sufface of the Gd film, oxygen penetrates into the
bulk.
The oxidation of thin Gd films gives rise to oxides with semiconducting
properties, showing a strong band bending, whose value is a function of the
subsequent Gd and oxygen exposures.
After the exposure to about 10 L of oxygen of thick (> 30 ML) Gd films the
Gd2O3 sesquioxide is formed, which do not react with oxygen anymore. This
insulating oxide grows epitaxially on Gd films, which in turn has been found to
grQw epitaxially on the oxide films. This result opens the possibility to prepare
and investigate an epitaxially ordered structure composed of two Gd-
ferromagnetic-metal films with interposed sesquioxide insulating film. This
structure corresponds to the basic TMR configuration and, being epitaxially
ordered, can be easier studied from the theoretical point of view.
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