Tools for Investigating Molecular Magnetism: A New Mott Detector and Resonant Photoelectron Diffraction with Circular Dichroism

This thesis deals with topics that are related to the theme of molecular magnetism. The setup of a new electron spin detector, resonant x-ray photoelectron diffraction with structural and magnetic contrast, and endohedral fullerenes on surfaces are presented. In the first part, we describe the design and construction of a Mott detector for spin resolved photoelectron spectroscopy. As the detector is going to be installed in an existing electron spectrometer, it has to fulfill certain requirements concerning size, stability and availability. Therefore, a scintillation scheme is used for the detection of electrons, which allows to move all electronics to outside of the vacuum chamber, close to ground potential. Additionally, the detector design was optimized for high count rates (≈107 counts/s per channel). First proof of principle asymmetry data have been measured. The endohedral fullerene Dy 3 N @C80 has been studied with x-ray magnetic circular dichroism and resonant photoemission. We studied the coupling between the Dy 3 N cluster and a ferromagnetic surface. Additionally, two non-magnetic endofullerenes, H2 @C60 and Ar@C60 , have been examined with standard photoemission to better understand the guest-cage interaction and its consequence for the electronic structure of both the guest and the C60 molecule. For Ar@C60 , we find a large hybridization between the Ar 3p level and a C60 orbital with the same symmetry and a similar binding energy. Additionally, from the spectra the photoemission cross section of the Ar 3p level can be determined, which allows comparison to theoretical predictions where a giant enhancement compared to free Ar is proposed. However, this cannot be confirmed by our data. When studying the coupling of molecules to magnetic substrates, it is crucial to first understand the substrate itself. Therefore, we developed a new method to determine the magnetization direction relative to the crystal structure, i.e. magnetic and structural properties are accessible within the same measurement. The method relies on resonant x-ray photoelectron diffraction with magnetic circular dichroism. It was demonstrated for a Ni(111) yoke crystal. The results confirm data with spin resolved photoemission of the same crystal. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Gebiet des molekularen Magnetismus. Im ersten Teil wird die Konzeption und Realisierung eines neuen Mott-Detektors für spinaufgelöste Photoemission beschrieben. Da der Detektor in ein bestehendes Photoelektronenspektrometer eingebaut wird, sind verschiedene Anforderungen bezüglich Abmessungen und Stabilität zu erfüllen. Aus diesem Grund wurde für den Detektor ein neues Konzept zur Nachweisung der Elektronen benutzt, das auf Szintillatoren beruht. Das darin erzeugte Licht wird über Lichtleiter über Durchführungen nach ausserhalb der Vakuum-Kammer geführt, wo es mit Photodetektoren nachgewiesen wird. Die notwendige Elektronik kann erdnah betrieben werden. Zusätzlich wurde der Detektor für hohe Zählraten optimiert (≈ 10 MHz pro Kanal). Ein weiteres Thema der Doktorarbeit sind endohedrale Fullerene. Dy 3 N @C80 wurde mit Röntgen-Zirkulardichroismus und resonanter Photoemission analysiert, wobei die magnetische Kopplung zwischen dem Dy 3 N -Cluster und einer ferromagnetischen Ni(111)-Oberfläche untersucht wurde. Weiters wurde die Wechselwirkung zwischen Käfig und Gastatom bzw. -Molekül in Ar@C60 und H2 @C60 mit Photoemission untersucht. Im Fall von Ar@C60 hybridisieren das Ar 3p Niveau und ein C60 -Orbital mit derselben Symmetrie. Die Aufspaltung zwischen dem resultierenden bindenden bzw. antibindenden Orbital kann über Photoemission bestimmt werden. Zusätzlich kann der Wirkungsquerschnitt aus den Daten bestimmt werden und mit theoretischen Vorhersagen verglichen werden, wo eine starke Überhöhung im Vergleich zu freiem Argon berechnet wird. Ein drittes Thema dieser Arbeit befasst sich mit einer neuen Methode zur Bestimmung der Magnetisierungsrichtung einer Probe relativ zur Kristallstruktur, dh. magnetische und geometrische Eigenschaften werden in einer einzigen Messung simultan zugänglich. Das Funktionsprinzip wurde an einem Ni(111)-Kristall demonstriert. Die Resultate bestätigen Messungen mit spinaufgelöster Photoemission am selben Kristall