Scanning Tunneling Spectroscopy of Rare Earth Hexaborides

von Philipp Buchsteiner
Dissertation
Datum der mündl. Prüfung:2020-09-25
Erschienen:2020-12-22
Betreuer:Dr. Martin Wenderoth
Gutachter:Dr. Martin Wenderoth
Gutachter:Prof. Dr. Stefan Mathias
Zum Verlinken/Zitieren: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8381

 

 

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Zusammenfassung

Englisch

Rare earth hexaborides are a well-suited model system for the exploration of correlation physics. The varying 4f occupation of the rare earth elements result in a richness of correlated electron phenomena, which harbor both, an ideal playground for fundamental science and an immense potential for technological applications. Especially the surface physics of hexaborides has gained special attention due to fact that lanthanum hexaboride (LaB6) is commonly in use as electron emitter, because of the surprisingly low work function of the (001) surface. However, a thorough understanding of the atomic and electronic structure of hexaboride surfaces is still missing. In this thesis, the (001) cleavage planes of LaB6 and PrB6 are investigated by complementary experimental and theoretical techniques. Using scanning tunneling microscopy and low-energy electron diffraction a chainlike (2x1) reconstruction is found on the LaB6 (001) cleavage plane, apart from a widely disordered surface. Density functional theory (DFT) resolves this reconstruction as La chains on a B6 layer. Scanning tunneling spectroscopy reveals a peak in the differential conductance below the Fermi energy, which is, as determined by DFT slab calculations, a boron dangling bond feature, which is hybridized with La d-states. On the PrB6 (001) cleavage plane a chainlike (2x1) reconstruction is found, too, as well as two uniform terminations. The uniform terminations are assigned as complete Pr or B6 layers. The Pr termination and the chainlike (2x1) reconstruction show a peak in the differential conductance at -0.7 eV and at -1.1 eV, respectively, which are tentatively associated with 4f-related states.
Keywords: rare earth hexaborides; scanning tunneling microscopy; scanning tunneling spectroscopy; local density of states; surface states; surface reconstruction; electronic structure; dangling bonds; 4f electrons; low-energy electron diffraction; density functional theory; gamma ray diffraction

Deutsch

Die Hexaboride der seltenen Erden sind ein geeignetes Modelsystem zur Erforschung von Korrelationsphysik. Die variierende 4f-Besetzung der seltenen Erden führt zu einer großen Anzahl von elektronischen Korrelationseffekten, welche sowohl für die Grundlagenforschung als auch für technologische Anwendungen eine wichtige Rolle spielen. Besondere Aufmerksamkeit wurde der Oberflächenphysik von Hexaboriden geschenkt, da Lanthanhexaborid (LaB6) aufgrund seiner überraschend geringen Austrittsarbeit der (001) Oberfläche weitreichend als Elektronenemitter eingesetzt wird. Allerdings mangelt es noch an einem tiefen Verständnis der atomaren und elektronischen Struktur von Hexaboridoberflächen. In dieser Arbeit wurden die (001) Spaltflächen von LaB6 und PrB6 mit verschiedenen experimentellen und theoretischen Methoden untersucht. Mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie und niederenergetischer Elektronenbeugung wurde eine kettenartige (2x1) Rekonstruktion auf der LaB6 (001) Spaltfläche gefunden, abseits von einer weitestgehend ungeordneten Oberfläche. Dichtefunktionaltheorie (DFT) konnte diese Rekonstruktion als La-Ketten auflösen, die auf einem B6 Gitter angeordnet sind. Rastertunnelspektroskopie zeigt eine Signatur in der differentiellen Leitfähigkeit unterhalb der Fermienergie, die mit Hilfe von DFT Oberflächenrechnungen als Zustand der ungesättigten Bor-Bindungen, welche mit La d-Zuständen hybridisiert sind, aufgelöst wird. Auch auf der (001) Spaltfläche von PrB6 wurde eine kettenartige (2x1) Rekonstruktion gefunden und zusätzlich einheitliche Terminierungen. Diese einheitlichen Terminierungen ordnen wir vollständigen Lagen aus Pr oder B6-Einheiten zu. Die Pr Terminierung und die kettenartige (2x1) Rekonstruktion zeigen in der differentiellen Leitfähigkeit spektrale Signaturen bei -0.7 eV, bzw. bei -1.1 eV. Wir diskutieren den möglichen Einfluss der 4f-Zustände auf diese Signaturen.
 
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