Ce M4,5 XAS und XMCD als Lokale Sonden Für Kondo- und Schwere-Fermionen-Materialien - Eine Studie an intermetallischen CePt5/Pt(111) Oberflächenverbindungen -

The aim of the present thesis is to explore the potential of X-ray magnetic circular dichroism(XMCD) experiments on gaining new insights into Kondo and heavy fermion materials. XMCD, which is derived from X-ray absorption spectroscopy (XAS), allows probing magnetic polarization specific to the different elements in a material and to their atomic orbitals. In particular, at the Ce M4,5 edges the method is sensitive to the localized 4f level, which provides the magnetic impurity moment responsible for Kondo physics in Ce compounds. Hence, Ce M4,5 XMCD is ideally suited to investigate local magnetism in the presence of interaction of impurity and conduction electrons in such materials. As a model material, CePt5/Pt(111) surface intermetallics were chosen for the present study. This thin-film material can be prepared by well-defined procedures involving molecular beam epitaxy. Crystalline Ordered samples are obtained by exploiting the single-crystallinity of the Pt(111) substrate. The surface character of thin films ideally matches the probing depth of soft X-ray spectroscopy in the total electron yield mode. The XMCD and XAS experiments, taking into account dependence on temperature, angle of incidence, sample thickness and external magnetic field, revealed the presence of four relevant energy scales that influence the magnetic response: 1. The 4f level in CePt5/Pt(111) is subject to significant crystal field (CF) splitting, which leads to reorganization of the six j = 5/2 sublevels. The hexagonal symmetry of the crystal structure conserves mj as a good quantum number. The proposed CF scheme, which is derived from measurements of the paramagnetic susceptibility by XMCD as well as linear dichroism in XAS, consists of nearly degenerate |1/2> and |3/2> doublets with the |5/2> doublet excited by E5/2 = 15 ... 25 meV. 2. Single impurity Kondo interaction significantly couples the magnetic moments of the impurity and conduction electrons. A signature thereof is the f0 -> f1 contribution to Ce M4,5 XAS, the strength of which can be tuned by control of the sample thickness. This finding is in line with the observation of reduced effective 4f moments as detected by XMCD. 3. Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction induces ferromagnetic correlations on the impurity lattice, which induces a positive Curie-Weiss temperature in the temperature-dependent inverse susceptibility. 4. Indications for the transition to a coherent heavy fermion state are found in the inverse susceptibility at T ~ 20 K; the ferromagnetic ground state is not observed. The fielddependence of the magnetic moment in the coherent state can be interpreted in terms of a metamagnetic transition. This allows studying basic characteristics of the renormalized band structure of a heavy fermion system by XMCD. The disentanglement of these different contributions to the 4f magnetism not only required extensive Ce M4,5 XAS and XMCD data, but also a thorough structural characterization of the material, a fundamental study of the Ce M4,5 line shape in relation to the degree of 4f hybridization and the development of a model for the paramagnetic susceptibility. The unit cell dimensions and sample morphology of CePt5/Pt(111) intermetallics were studied by low-energy electron diffraction (LEED) and scanning transmission electron microscopy (STEM). These experiments showed that well-defined intermetallic films form on top of the substrate. This lead to introduction of the film thickness t, measured in unit cells (u.c.), as a key feature to characterize the samples. Systematic LEED measurements in the thickness range t ~ 1 ... 15 u.c. allowed identification of six different phases, which could be interpreted as resulting from the same crystal structure with different rotational alignments and lattice constants. An accurate determination of the surface lattice constant at t ~ 3 u.c. could be achieved by interpretation of additional superstructure spots as arising from a well-defined combination of substrate and film lattices. The thicknessdependence of the lateral lattice constant could be explained in terms of lattice relaxation. Confirmation of the CePt5 stoichiometry and structure was performed by use of thicknessdependent XAS and a representative LEED-IV study. The results of this study indicate that the intermetallic films exhibit hexagonal CaCu5 structure over the entire range of thicknesses that were studied. The terminating layer consists purely of Pt with one additional Pt atom per unit cell compared to the bulk structure. The line shape of Ce M4,5 spectra was analyzed with the help of full multiplet calculations. Experimentally, characteristic variations of the line shape were observed with increasing f0 -> f1 contribution. The calculations show that these variations are not due to an admixture of j = 7/2 character to the ground state, as often stated in the literature. As alternatives, this observation can be explained by either considering an additional contribution to the spectrum or by assumption of an asymmetric lifetime profile. The model that was developed for the inverse paramagnetic susceptibility contains the hexagonal crystal field, magnetic coupling of the impurity moments in a mean field scheme and Kondo screening. The latter is included phenomenologically by screening factors for the effective moment. Assumption of doublet-specific screening factors, which means that the degree of Kondo interaction depends on the mj character of the 4f sublevels, allows satisfactory reproduction of the experimental data.Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Frage, welche neuen Einsichten in Kondo- und schwere Fermionen-Materialien mittels Röntgenzirkulardichroismus-Experimenten (XMCD) gewonnen werden können. Die Methode XMCD, die sich aus der Röntgenabsorption (XAS) ableitet, detektiert die magnetischen Polarisation gezielt für die verschiedenen Elemente in einem Material und für deren Atomorbitale. Insbesondere an den Ce M4,5 Absorptionskanten bietet die Methode Zugang zum lokalisierten 4f Niveau und damit zum magnetische Störstellenmoment in Ce-Verbindungen, welches eine Voraussetzung für Kondo-Physik ist. Ce M4,5 XMCD ist daher bestens geeignet, um lokalen Magnetismus in Gegenwart von Wechselwirkung zwischen Störstellen- und Leitungselektronen zu studieren. Als Modellmaterial wurde für diese Arbeit CePt5/Pt(111), eine oberflächennahe intermetallische Verbindung, gewählt. Die Präparation dieses Dünnfilmmaterials mithilfe von Molekularstrahlepitaxie kann bestens kontrolliert werden. Die Ausnutzung des einkristallinen Pt(111) Substrats liefert kristallin geordnete Proben. Der Oberflächencharakter der Filme ist gut auf die Informationstiefe von Absorptionsspektroskopie im weichen Röntgenbereich abgestimmt, wenn im Modus totaler Elektronenausbeute gemessen wird. Die XAS- und XMCD-Experimente unter Variation von Temperatur, Einfallswinkel, Probendicke und Magnetfeld lassen die Gegenwart von vier relevanten Energieskalen für das magnetische Verhalten erkennen: 1. Das 4f Niveau in CePt5/Pt(111) ist einer deutlichen Kristallfeldaufspaltung unterworfen, welche eine Neuordnung der sechs j = 5/2 Unterniveaus bewirkt. Dabei erhält die hexagonale Symmetrie der Kristallstruktur mj als gute Quantenzahl. Basierend auf Messungen der paramagnetischen Suszeptibilität mit XMCD und des Lineardichroismus in XAS wird ein Niveauschema vorgeschlagen, das aus beinahe entarteten |1/2> und |3/2 > Dubletts besteht, das |5/2> Dublett folgt bei einer höheren Energie von E5/2 = 15 ... 25 meV. 2. Einzelstörstellen-Kondowechselwirkung bewirkt eine signifikante Kopplung der magnetischen Momente von Störstellen und Leitungszuständen. Dies ist anhand der f0 -> f1-Anteile in Ce M4,5 XAS ersichtlich, deren Stärke über die Probendicke kontrolliert werden kann. In Übereinstimmung damit werden reduzierte effektive 4f-Momente mit XMCD beobachtet. 3. Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) Wechselwirkung erzeugt ferromagnetische Kopplung auf dem Störstellengitter, was zu einer positiven Curie-Weiss-Temperatur in der temperaturabhängigen inversen Suszeptibilität führt. 4. Die inverse Suszeptibilität erlaubt Rückschlüsse auf einen Übergang in den kohärenten schwere-Fermionen-Zustand bei T ~ 20 K. Ein ferromagnetischer Zustand wurde nicht beobachtet. Die Magnetfeldabhängigkeit des magnetischen Moments in diesem Bereich kann im Sinne eines metamagnetischen Übergangs interpretiert werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, grundlegende Charakteristika der renormalisierten Bandstruktur eines schweren Fermionen-Systems mittels XMCD zu erforschen. Die Entschlüsselung dieser unterschiedlichen Beiträge zum 4f-Magnetismus erforderte nicht nur umfangreiche Ce M4,5 XAS und XMCD Experimente, sondern auch eine gründliche strukturelle Charakterisierung des Materials, eine grundlegende Studie der spektralen Linienform in Abhängigkeit vom Grad der 4f-Hybridisierung sowie die Entwicklung eines Modells für die paramagnetische Suszeptibilität. Die Abmessungen der Einheitszelle sowie die Filmmorphologie wurden mit niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) und Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) analysiert, wobei sich zeigte, dass die intermetallische Verbindung wohldefinierte Filme auf dem Substrat bildet. Daher wird die Filmdicke t, gemessen in Einheitszellen (u.c.), als Hauptmerkmal zur Charakterisierung der Proben eingeführt. Mittels systematische LEED-Messungen im Dickenbereich t ~ 1 ... 15 u.c. wurden sechs verschiedene Phasen identifiziert, welche auf eine gemeinsame Kristallstruktur mit unterschiedlichem Drehwinkel zum Substrat und unterschiedlichen Gitterkonstanten zurückgeführt werden. Bei einer Dicke von t ~ 3 u.c. konnte eine genaue Bestimmung der Oberflächengitterkonstante durchgeführt werden, indem zusätzliche Überstrukturreflexe als Ergebnis von kombinierter Streuung an Substrat- und Filmgitter gedeutet wurden. Die Dickenabhängigkeit der Gitterkonstante kann als abnehmende Gitterverspannung erklärt werden. Die angenommene Stöchiometrie CePt5 und die zugehörige Kristallstruktur konnten mithilfe von dickenabhängigen XAS-Experimenten und einer repräsentativen LEED-IV Studie bestätigt werden. Die Ergebnisse der Letzteren weisen darauf hin dass die Filme im gesamten untersuchten Dickenbereich die CaCu5-Struktur aufweisen. Die Oberflächenabschlusslage besteht rein aus Pt und besitzt im Vergleich zum Volumengitter ein zusätzliches Pt-Atom pro Einheitszelle. Die Linienform von Ce M4,5 Spektren wurde mittels Gesamtmultiplett-Rechnungen analysiert. Die experimentellen Daten zeigen charakteristische Variationen der Linienform in Abhängigkeit des f0 -> f1-Gewichts. Mit Rechnungen konnte gezeigt werden, dass diese Variationen nicht durch eine signifikante Beimischung von j = 7/2-Charakter zum Grundzustand erklärt werden können, was in der Literatur häufig angeführt wird. Zwei Alternativen wurden als mögliche Erklärungen für die Beobachtungen entwickelt: Die Linienformänderungen können entweder durch einen zusätzlichen Beitrag zum Spektrum oder durch asymmetrische Linienprofile erzeugt werden. Das Modell für die inverse paramagnetische Suszeptibilität beinhaltet das hexagonale Kristallfeld, magnetische Kopplung auf dem Strörstellengitter in Molekularfeldnäherung und Kondoabschirmung. Letztere ist phänomenologisch durch Abschirmfaktoren für das effektive Moment berücksichtigt. Eine zufriedenstellende Widergabe der experimentellen Daten konnte durch die Einführung von Dublett-spezifischen Abschirmfaktoren erreicht werden, was darauf hindeutet, dass das Ausmaß der Kondowechselwirkung vom mj-Charakter der 4f Unterniveaus abhängt