Beiträge zur Theorie der Elektronenspektroskopie: Anwendungen der relativistischen Vielfachstreutheorie

Abstract

Elektronenspektroskopie erlaubt einen Zugang zu fundamentalen Eigenschaften von Festkörpern, wie zum Beispiel der geometrischen, elektronischen und magnetischen Struktur. Die Kenntnis der letzteren ist für das Verständnis einer Vielzahl von grundsätzlichen, jedoch wichtigen Effekte unabdingbar. Die vorliegende Arbeit präsentiert kürzlich entwickelte theoretische Ansätze für Elektronenspektroskopien. Die meisten der gezeigten Ergebnisse basieren auf Rechnungen aus ersten Prinzipien, formuliert in der Vielfachstreutheorie, und werden experimentellen Befunden gegenüber gestellt. Ein Thema ist die spin- und winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie, die auf magnetische Oberflächen und ultradünne Filme angewendet wird. Exemplarische Resultate umfassen den Magnetischen Dichroismus in der Valenzband- und Rumpfniveauphotoemission sowie die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften ultradünner Filme. Ein weiteres Hauptaugenmerk liegt auf dem spinabhängigen ballistischen Transport durch planare Tunnelkontakte, im besonderen auf der Zero-bias-Anomalie. In den meisten behandelten Fällen ist die Spin-Bahn-Kopplung ein essentieller Effekt, der am besten durch eine relativistische Theorie beschrieben wird. Die Wirkung der Spin-Bahn-Kopplung wird am Beispiel der elektronischen Struktur von auf Oberflächen adsorbierten Edelgasen und am Beispiel der Aufspaltung der Oberflächenzustände von Au(111) illustriert. Als Beispiel für magnetische Systeme wird die magnetische Anisotropie von Ni-Filmen auf Cu(001) hinsichtlich des Spinreorientierungsübergangs, der durch Gitterverzerrungen induziert wird, diskutiert.

Electron spectroscopy provides access to fundamental properties of solids, such as the geometric, electronic, and the magnetic structure. The latter are necessary for the understanding of a variety of basic but nevertheless important effects. The present work outlines recently developed theoretical approaches to electron spectroscopies. Most of the collected results rely on first-principles calculations, as formulated in multiple-scattering theory, and are contrasted with experimental findings. One topic involves spin- and angle-resolved photoelectron spectroscopy which is addressed for magnetic surfaces and ultrathin films. Exemplary results comprise magnetic dichroism in both valence-band and core-level photoemission as well as the temperature dependence of magnetic properties of ultrathin films. Another topic is spin-dependent ballistic transport through planar tunnel junctions, focusing here on the zero-bias anomaly. In most of the cases, spin-orbit coupling (SOC) is an essential ingredient and, hence, favors a relativistic description. Prominent effects of SOC are illustrated by means of the electronic structure of rare gases adsorbed on a substrate and by the splitting of surface states on Au(111). Concerning magnetism, the magnetic anisotropy of Ni films on Cu(001) is discussed, focusing in particular on the spin reorientation transition induced by lattice distortions in ultrathin films.