Electron spectroscopy on transition metal clusters

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zum Magnetismus und der elektronischen Struktur deponierter Cluster der 3d-Übergangsmetalle Fe, Co und Ni durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Deposition der Cluster in Argon-Dünnfilme nicht nur zur fragmentationsfreien Probenpräparation genutzt werden kann, sondern auch die Untersuchung der Cluster in einer Umgebung mit geringer Wechselwirkung erlaubt. Die Beobachtung des atomaren Co-Multipletts sowie die Übereinstimmung der, mittels XMCD bestimmten, magnetischen Gesamtmomente von Fe- und Co-Clustern mit Gasphasenexperimenten zeigen auf, dass unter stabil gewählten Bedingungen die intrinsischen magnetischen Clustereigenschaften tatsächlich experimentell zugänglich sind. Die synchrotroninduzierte Mobilität von Clustern und Argon manifestiert sich in der Veränderung der Form der Absorptions- und Photoemissionslinien sowie in der zunehmenden Verminderung der gemessenen Magnetisierung. Neben den geeigneten Experimentierbedingungen ist zur Bestimmung der magnetischen Momente die Anwendbarkeit der XMCD-Summenregeln auf die Spektroskopie an Clustern notwendig. Besondere Beachtung verdient dabei auf Grund der reduzierten Symmetrie in Clustern der "magnetische Dipolterm" zur Spin-Summenregel. Der Vergleich des spektroskopisch ermittelten Gesamtmoments mit demjenigen, welches aus superparamagnetischen Magnetisierungskurven bestimmt wurde, erlaubt es, für seinen Beitrag bei Co-Clustern eine obere Schranke von 10% anzugeben. Erwartungsgemäß weisen die Spinmomente von Fe- und Co-Clustern gemessen am Festkörper deutlich erhöhte Werte auf, allerdings reichen sie nicht an die mittels Stern-Gerlach-Ablenkung bestimmten magnetischen Gesamtmomente der Cluster heran. Die elektronische Struktur von Nickelclustern erweist sich als sehr empfindlich gegen Wechselwirkungen mit Fremdatomen, so dass die magnetischen Resultate aus der Gasphase nicht nachvollzogen werden können. Allen Clustern in der Argonumgebung ist jedoch eine starke Erhöhung des bahnartigen Anteils am Gesamtmoment, generell auf mehr als 20% gemein. Damit kann nachgewiesen werden, dass die bestehende Diskrepanz zwischen berechneten Spinmomenten und experimentell bestimmten Gesamtmomenten in der Tat auf große Bahnmomente zurückzuführen ist. Dies gilt um so mehr, als die in dieser Arbeit bestimmten magnetischen Gesamtmomente an Fe- und Co-Clustern in guter Übereinstimmung mit Stern-Gerlach-Experimenten stehen. Die Wechselwirkung der Cluster mit der Oberfläche des Graphits führt bereits in den XAS-Absorptionsprofilen der L-Kanten zu sichtbaren Veränderungen in Form und energetischer Position der Absorptionsresonanzen. Alle untersuchten Cluster erfahren gleichzeitig eine starke Reduktion ihrer magnetischen Momente, häufig bis unter die Nachweisgrenze. Unter diesen Umständen ist es durchaus angebracht, von einer starken Cluster-Substrat-Wechselwirkung auszugehen. Dieser Befund wird durch die mittels Photoelektronenspektroskopie erzielten Ergebnisse untermauert. Veränderungen durch das "Einschalten" der Substratwechselwirkung sind sowohl in den Rumpfniveau- als auch den Valenzbandspektren zu erkennen. Charakteristisch für die ausführlicher untersuchten Ni-Cluster ist die Ausbildung einer, mit dem Graphitsubstrat hybridisierten, Elektronenstruktur mit reduzierter Zustandsdichte in der Umgebung des Ferminiveaus. Eine solche Konfiguration begünstigt die Ausbildung von "low-spin" - Zuständen, wie sie in den XMCD-Experimenten bei vorhandener Wechselwirkung mit dem Graphit gefunden werden. Die starke Kopplung der elektronischen Zustände von Cluster und Substrat äußert sich ebenfalls in dem Verlust des Fano-Resonanzverhaltens in der resonanten Photoemission an der 3p-Absorptionsschwelle. Das Fehlen der analogen Beobachtung an der 2p-Schwelle, muss einer starken Lokalisierung des 2p-rumpflochangeregten Zwischenzustandes zugeschrieben werden. Die genaue Analyse der Veränderung des resonant-Raman-Verhaltens in der 2p-RESPES könnte wertvolle komplementäre Informationen liefern, wird aber durch die Gegenwart der Argon-Valenzemission zu stark behindert, um konkrete Aussagen zuzulassen. Die Analyse der RESPES-Daten lässt den Schluss zu, dass die tatsächliche Besetzung der 3d-Zustände durch die Substratwechselwirkung nicht nennenswert verändert wird. Neben der Charakterisierung der großen magnetischen Clustermomente nach Spin- und Bahnanteilen vermitteln die Experimente dieser Arbeit einen guten Einblick in die Veränderungen der elektronischen Eigenschaften durch die Wechselwirkung mit dem Graphit. Der Einfluss des Substrates führt zu einer starken Verkleinerung der magnetischen Momente. Offensichtlich wird die elektronische Gesamtenergie an der Grenzfläche durch die Ausbildung von hybridisierten Zuständen minimiert, welche nahe der Fermienergie eine geringe Zustandsdichte besitzen.The present thesis presents investigations on the magnetism and the electronic structure of deposited 3d transition metal clusters. Clusters are being deposited into thin argon layers in order to avoid fragmentation. At the same time the argon is used as a matrix providing an environment of weak interaction. Under suitably chosen stable experimental conditions the atomic absorption multiplet is observed and the magnetic moments of Fe and Co clusters determined by XMCD compare well to those observed in gas phase experiments. Thus intrinsic magnetic cluster properties can be probed from rare gas matrix isolated clusters. At elevated x-ray photon flux densities mobility of both, rare gas atoms and clusters, is generated by the synchrotron beam and leads to noticeable changes in spectroscopic line shapes and the reduction of the magnetic moments. Besides suitable experimental conditions it is important to ascertain the applicability of the XMCD sum rules in the case of the clusters. Due to the reduced symmetry in the clusters the magnetic dipole contribution to the spin sum rule deserves particular attention. From the comparison of the total magnetic moment determined by XMCD to the one following from superparamagnetic magnetisation curves an upper limit of 10% for this contribution can be determined. As expected the spin magnetic moments in Fe and Co clusters exceed those of the corresponding bulk materials. They do not, however, reach the values of the total magnetic moments determined from Stern-Gerlach deflection experiments. The electronic structure of Ni clusters proves to be particulary sensitive with respect to the interaction with foreign atoms. Therefore the gas phase magnetic moments cannot be reproduced in the present experiments. Common to all clusters within the argon film is a strong enhancement of the orbital contribution to the total magnetic moment, generally above 20%. This observation of strong orbital moments bridges the gap between calculated spin magnetic moments an experimental total moments. In particular we find good agreement of the total magnetic moments determined in the present work compared to those of Stern-Gerlach experiments. When the clusters interact with the graphite surface noticeable changes occur in both, the spectral shape and the energy positions of the L edge resonance profiles, respectively. All clusters investigated undergo a strong reduction of their magnetic moments under these conditions. It is therefore appropriate to consider the cluster substrate interaction to be considerable. This finding is further substantiated by the experimental results obtained by photoelectron spectroscopy. The substrate interaction leads to visible changes in the core level as well as the valence band spectra. For Ni clusters the latter reveal the formation of a hybridised electronic structure with a reduced density of states in the vicinity of the Fermi level. Such an electronic configuration favors the formation of low spin states which are indeed observed for the clusters interacting with graphite. The strong coupling of cluster an substrate electronic states is also reflected by the loss of the fano line shape in the 3p resonant photoemission signal. This observation does not hold for the RESPES at the 2p-threshold, however. This apparent discrepancy is attributed to a strongly localised core excited intermediate state at the 2p edge. While the detailed analysis of the resonant raman regime could yield useful complementary information it is prevented by the strong emission from the argon valence states. Nevertheless it can be inferred from the RESPES data that the 3d occupation number in Ni clusters is not substantially altered by the substrate interaction. The experiments of this work does provide the characterisation of the cluster magnetic moments in terms of their spin and orbital contributions. In addition they provide an inside into the modifications of the electronic properties emanating from the cluster substrate interaction. The hybridisation with graphite electronic structure leads to a strong reduction of the magnetic moments. Obviously, the interfacial total energy is minimised by adopting an electronic level structure with little density of states near the Fermi level