| Autor(en): |
Roland Schiller |
Titel: |
Correlation effects and temperature dependencies in thin ferromagnetic films – magnetism and electronic structure |
| Gutachter: |
Johannes Pollmann; Volker Eyert; Wolfgang Nolting |
| Erscheinungsdatum: |
01.11.2000 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-10013003)
|
| Fachgebiet(e): |
Physik |
| Schlagwörter (ger): |
Magnetismus, EuO, Vielteilchentheorie, Bandstrukturrechnungen |
| Schlagwörter (eng): |
Magnetism, EuO, Many-Body-Theory, Bandstructure Calculations |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Zitationshinweis: |
Schiller, Roland:
Correlation effects and temperature dependencies in thin ferromagnetic films – magnetism and electronic structure;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 01.11.2000, urn:nbn:de:kobv:11-10013003
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| Abstract (ger): |
| Diese Dissertation beschäftigt sich mit theoretischen Untersuchung der
elektronischen und magnetischen Eigenschaften von 4f-Systemen mit
Filmgeometrie. Die vorgestellte Theorie basiert auf dem s-f-Modell,
welches durch einen intra-atomaren Austausch zwischen einem System
lokaler magnetischer Momente und den Leitungselektronen charakterisiert
ist.
Das Modell wird für den Fall des leeren Leitungsbandes
untersucht. Der untersuchte Spezialfall ist anwendbar auf die Klasse der
ferromagnetischen Halbleiter mit den Europiumchalkogeniden EuO
und EuS als Prototypen solcher Substanzen.
Für den Grenzfall ferromagnetischer Sättigung des Systems lokaler
magnetischer Momente existiert eine exakte Lösung für das Problem.
Für endliche Temperaturen wird eine Methode vorgestellt, die auf einer
momentenerhaltenden Entkopplungsprozedur für passend definierte
Green-Funktionen basiert. Die Theorie für endliche Temperaturen leitet
sich dabei übergangslos aus dem exakt lösbaren Grenzfall ab.
Mit Hilfe der vorgestellten Theorie wird das temperaturabhängige
Quasiteilchenspektrum eines ferromagnetischen Modellfilmes berechnet.
Die Rechnungen zeigen ein deutliches korrelationsinduziertes Aufspalten
der Spektren, das in der Existenz eines neuen Quasiteilchens, des
magnetischen Polarons, resultiert.
Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit der Berechnung
der elektronischen und magnetischen Eigenschaften eines realen
ferromagnetischen Halbleiterfilms. Um den vielfachen Leitungsbändern
eines realen Systems Rechnung tragen zu können, wird das ursprüngliche
s-f-Modell zu einem Mehrbandmodell erweitert. Das so
erweiterte s-f-Modell wird dazu benutzt, die
temperaturabhängige Bandstruktur von Volumen-EuO und
von EuO(100)-Filmen zu berechnen. Die T=0-Bandstrukturen, die
als Input für die Modellrechnungen dienen, werden hierbei mittels einer
TB-LMTO-ASA-Bandstrukturrechnung berechnet. Die spezielle Struktur der
Lösung des s-f-Modells für den exakt lösbaren Grenzfall von
T=0 verhindert dabei das Auftreten von Doppelzählungen relevanter
Wechselwirkungen bei der Kombination von ab-initio-Rechnungen und
s-f-Modellrechnungen.
Die erhaltenen
temperaturabhängigen Bandstrukturen geben wertvolle Einblicke in das
Wechselspiel zwischen elektronischen und magnetischen Eigenschaften in
EuO-Systemen und gestatten es, verifizierbare Vorhersagen für
künftige Experimente zu machen. Insbesondere wird die
Existenz eines EuO(100)-Oberflächenzustandes vorhergesagt,
der das Auftreten eines Oberflächen-Metall-Isolator-Übergangs
induzieren kann. |
| Abstract (eng): |
| This dissertation is concerned with the theoretical investigation of the
electronic and magnetic properties of 4f systems with film
geometry. The presented theory is based on the s-f model which
features an intra-atomic exchange between a system of
localized magnetic moments and the conduction electrons.
The model is investigated for the special case of zero
band occupation of the conduction bands which is applicable to the
situation in ferromagnetic semiconductors such as the europium chalcogenides
EuO and EuS. For the special case of ferromagnetic
saturation of the local-moment system the problem is exactly
solvable. For finite temperatures, the presented approach is based on a
moment-conserving decoupling approximation for suitably defined
Green functions and evolves
continuously from the exact limiting case.
The theory is used to calculate the temperature-dependent
quasiparticle spectrum of a ferromagnetic model film. Within these
calculations, one finds a marked correlation-induced splitting of the
spectra resulting in the existence of a new quasiparticle, the magnetic
polaron.
The second part of the thesis is devoted to the calculation of the
electronic and magnetic properties of a real ferromagnetic semiconductor
film. The original s-f model is extended to a multi-band
s-f model to account for the multiple conduction bands in a real
system. Based on the resulting model, the temperature-dependent band
structures of bulk EuO and EuO(100) films are
calculated. Here, the T=0 band structures of the systems, which have to
be taken as input for the model calculations, are calculated using the
TB-LMTO-ASA band-structure technique. Due to the special form of the
solution of the s-f model for the exactly solvable limiting case of
T=0 the employed approach for combining the first-principles
calculations with the model calculations prevents the problem of double
counting of relevant interactions.
The calculated temperature-dependent band
structures yield a valuable insight into the temperature-dependent
interplay between the magnetic and electronic properties in the
EuO systems and allow to make verifiable predictions for future
experiments. In particular, the existence of a EuO(100) surface
state has been predicted and been shown to possibly induce a surface
insulator-metal transition. |
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