Atomic force microscopy in the picometer regime - resolving spins and non-trivial surface terminations - University of Regensburg Publication Server

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	29 September 2014
Referee:	Prof. Dr. Franz J. Gießibl
Date of exam:	19 September 2014
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Giessibl > Group Franz J. Giessibl
Keywords:	atomic force microscopy, scanning tunneling microsocpy, scanning probe microsocpy, qPlus sensor, needle sensor, signal-to-noise ratio, subatomic resolution, spin resolution, exchange interaction, topological insulator
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	30782

Abstract (English)

Atomic Force MIcrosocpy (AFM) offers the unique possiblity to study conductive as well as insulating surfaces at the atomic scale. While achieving atomic or sub-molecular resolution with low temperature AFM is well established nowadays, the resolution of subatomic features and magnetic exchange interactions remains a challenge. The first part of this work deals with the characterization and ...

Abstract (English)

Atomic Force MIcrosocpy (AFM) offers the unique possiblity to study conductive as well as insulating surfaces at the atomic scale. While achieving atomic or sub-molecular resolution with low temperature AFM is well established nowadays, the resolution of subatomic features and magnetic exchange interactions remains a challenge. The first part of this work deals with the characterization and improvement of the signal-to-noise ratio (SNR) of quartz-based force sensors, namely the qPlus and the needle sensor.

The second issue is the resolution of non-trivial surface terminations. Subatomic features on a copper (Cu) adatom on Cu(110) were resolved. Another example for a non-trivial surface termination is the cleaved TlBiSe2 surface which consists of disordered Tl islands. This directly explains the absence of trivial surface states in photoemission experiments.

The third main topic is the resolution of the antiferromagnetic structure of nickel oxide (001) at the atomic scale. Additionally, the exchange interaction for this system was quantitatively measured with dynamic force spectroscopy. The results with SmCo tips indicate that tip materials with a large magnetocrystalline anisotropy energy should be selected to detect magnetic exchange forces.

Translation of the abstract (German)

Die Rasterkraftmikroskopie (RKM) bietet die einzigartige Möglichkeit leitfähige wie auch isolierende Oberflächen auf atomarer Skala zu untersuchen. Das Erreichen von atomaren und submolekularer Auflösung mittels Tieftemperatur-RKM ist zwischenzeitlich kein Problem mehr, jedoch stellt die Auflösung subatomarer Strukturen und von magnetischen Austauschkräften nach wie vor eine Herausforderung dar. ...

Translation of the abstract (German)

Die Rasterkraftmikroskopie (RKM) bietet die einzigartige Möglichkeit leitfähige wie auch isolierende Oberflächen auf atomarer Skala zu untersuchen. Das Erreichen von atomaren und submolekularer Auflösung mittels Tieftemperatur-RKM ist zwischenzeitlich kein Problem mehr, jedoch stellt die Auflösung subatomarer Strukturen und von magnetischen Austauschkräften nach wie vor eine Herausforderung dar. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung und Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SRV) von Kraftsensoren, die aus Quartz basieren, namentlich des qPlus und des Nadelsensors.

Das zweite Hauptthema der Arbeit ist Auflösung von nicht-trivialen Oberflächenterminierungen. Dabei wurden subatomare Strukturen auf einem einzelnen Kupfer (Cu) Atom, das auf einer Cu(110) Oberfläche adsorbiert ist, aufgelöst. Ein weiteres Beispiel für eine nicht-trivialen Oberflächenterminierung ist die gespaltene Oberfläche von TlBiSe2, die aus ungeordneten Tl Inseln besteht. Dies erklärt auch das Fehlen von trivialen Oberflächenzuständen in Photoemissionsexperimenten.

Im dritten Hauptthema geht es um die Auflösung der antiferromagnetischen Struktur der Nickeloxid (001) Oberfläche auf atomarer Skala. Desweiteren wurde die Austauschwechselwirkung für dieses System quantitativ mit dynamischer Kraftspektroskpie gemessen. Die Ergebnisse mit SmCo Spitzen zeigen, dass Spitzenmaterialien mit hoher magnetocrystalliner Anisotropie gewählt werden sollten um magnetische Austauschkräfte zu detektieren.

Atomic force microscopy in the picometer regime - resolving spins and non-trivial surface terminations

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