In dieser Doktorarbeit wurde die elektronische Struktur von konventionellen und unkonventionellen Supraleitern untersucht. Das Ziel dieser Arbeit war es, die dHvA Parameter zu berechnen und mit experimentellen Daten zu vergleichen. Mit Hilfe des Bandstrukturprogrammes FPLO, welches auf der DFT basiert, untersuchten wir Diboride (MgB$_2$ und TaB$_2$) und schwere Fermionenverbindungen (CeMIn$_5$ und PuMGa$_5$, M=Co, Rh, und Ir) innerhalb der LSD-Näherung. / In this thesis theoretical study of the electronic structure of conventional and unconventional superconductor compounds was carried out. The goal was to calculate the dHvA parameters in comparison with available experimental data. By means of FPLO band structure code based on DFT within LSDA we investigated diborides (MgB$_2$ and TaB$_2$) and heavy fermion compounds (CeMIn$_5$ and PuMGa$_5$, M=Co, Rh, and Ir).

In dieser Doktorarbeit wurde die elektronische Struktur von konventionellen und unkonventionellen Supraleitern untersucht. Das Ziel dieser Arbeit war es, die dHvA Parameter zu berechnen und mit experimentellen Daten zu vergleichen. Mit Hilfe des Bandstrukturprogrammes FPLO, welches auf der DFT basiert, untersuchten wir Diboride (MgB$_2$ und TaB$_2$) und schwere Fermionenverbindungen (CeMIn$_5$ und PuMGa$_5$, M=Co, Rh, und Ir) innerhalb der LSD-Näherung. / In this thesis theoretical study of the electronic structure of conventional and unconventional superconductor compounds was carried out. The goal was to calculate the dHvA parameters in comparison with available experimental data. By means of FPLO band structure code based on DFT within LSDA we investigated diborides (MgB$_2$ and TaB$_2$) and heavy fermion compounds (CeMIn$_5$ and PuMGa$_5$, M=Co, Rh, and Ir).

The Thesis is focused on the properties of self-organized nanostructures. Atomic and electronic properties of different systems have been investigated using methods of electron diffraction, scanning tunneling microscopy and photoelectron spectroscopy. Implementation of the STM technique (including design, construction, and tuning of the UHV experimental set-up) has been done in the framework of present work. This time-consuming work is reported to greater detail in the experimental part of this Thesis. <br><br> The scientific part starts from the study of quantum-size effects in the electronic structure of a two-dimensional Ag film on the supporting substrate Ni(111). Distinct quantum well states in the sp-band of Ag were observed in photoelectron spectra. Analysis of thickness- and angle-dependent photoemission supplies novel information on the properties of the interface. For the first time the Ni(111) relative band gap was indirectly probed in the ground-state through the electronic structure of quantum well states in the adlayer. This is particularly important for Ni where valence electrons are strongly correlated. Comparison of the experiment with calculations performed in the formalism of the extended phase accumulation model gives the substrate gap which is fully consistent with the one obtained by ab-initio LDA calculations. It is, however, in controversy to the band structure of Ni measured directly by photoemission. These results lend credit to the simplest view of photoemission from Ni, assigning early observed contradictions between theory and experiments to electron correlation effects in the final state of photoemission. <br><br> Further, nanosystems of lower dimensionality have been studied. Stepped surfaces W(331) and W(551) were used as one-dimensional model systems and as templates for self-organization of Au nanoclusters. Photon energy dependent photoemission revealed a surface resonance which was never observed before on W(110) which is the base plane of the terrace microsurfaces. The dispersion E(k) of this state measured on stepped W(331) and W(551) with angle-resolved photoelectron spectroscopy is modified by a strong umklapp effect. It appears as two parabolas shifted symmetrically relative to the microsurface normal by half of the Brillouin zone of the step superlattice. The reported results are very important for understanding of the electronic properties of low-dimensional nanostructures. <br><br> It was also established that W(331) and W(551) can serve as templates for self-organization of metallic nanostructures. A combined study of electronic and atomic properties of sub-monolayer amounts of gold deposited on these templates have shown that if the substrate is slightly pre-oxidized and the temperature is elevated, then Au can alloy with the first monolayer of W. As a result, a nanostructure of uniform clusters of a surface alloy is produced all over the steps. Such clusters feature a novel sp-band in the vicinity of the Fermi level, which appears split into constant energy levels due to effects of lateral quantization. <br><br> The last and main part of this work is devoted to large-scale reconstructions on surfaces and nanostructures self-assembled on top. The two-dimensional surface carbide W(110)/C-R(15x3) has been extensively investigated. Photoemission studies of quantum size effects in the electronic structure of this reconstruction, combined with an investigation of its surface geometry, lead to an advanced structural model of the carbide overlayer. <br><br> It was discovered that W(110)/C-R(15x3) can control self-organization of adlayers into nanostructures with extremely different electronic and structural properties. Thus, it was established that at elevated temperature the R(15x3) superstructure controls the self-assembly of sub-monolayer amounts of Au into nm-wide nanostripes. Based on the results of core level photoemission, the R(15x3)-induced surface alloying which takes place between Au and W can be claimed as driving force of self-organization. The observed stripes exhibit a characteristic one-dimensional electronic structure with laterally quantized d-bands. Obviously, these are very important for applications, since dimensions of electronic devices have already stepped into the nm-range, where quantum-size phenomena must undoubtedly be considered. <br><br> Moreover, formation of perfectly uniform molecular clusters of C₆₀ was demonstrated and described in terms of the van der Waals formalism. It is the first experimental observation of two-dimensional fullerene nanoclusters with "magic numbers". Calculations of the cluster potentials using the static approach have revealed characteristic minima in the interaction energy. They are achieved for 4 and 7 molecules per cluster. The obtained "magic numbers" and the corresponding cluster structures are fully consistent with the results of the STM measurements. / Die aktuelle Doktorarbeit ist auf die Eigenschaften von selbst-organisierten Nanostrukturen fokussiert. Die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von verschiedenen Systemen wurden mit den Methoden Elektronenbeugung, Rastertunnelmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie untersucht. Insbesondere wurde die fuer die Rastertunnelmikroskopie in situ praeparierter Proben eingesetzte Apparatur im Rahmen dieser Arbeit konstruiert und aufgebaut. Einzelheiten hierzu sind im experimentellen Kapitel zu finden. <br><br> Der wissenschftliche Teil beginnt mit Untersuchungen von Quantentrogeffekten in der elektronischen Struktur einer Ag-Schicht auf Ni(111)-Substrat. Charakteristische Quantentrogzustaende im Ag-sp-Band wurden in Photoelektronenspektren beobachtet. Die Analyse von schichtdicken- und winkelabhaengiger Photoemission hat neue und wesentliche Informationen ueber die Eigenschaften des Ag/Ni-Systems geliefert. Insbesondere konnte zum ersten Mal eine relative Bandluecke im Ni-Substrat durch das Verhalten der Quantentrogzustaende indirekt vermessen werden. Das ist fuer Ni besonders wichtig, weil es sich bei Ni um ein stark korreliertes Elektronensystem handelt. Die Ergebnisse wurden mit Rechnungen auf der Basis des erweiterten Phasenmodelles verglichen. Der Vergleich ergibt eine Bandluecke, die sehr gut mit ab-initio-Rechnungen auf Basis der lokalen Elektronendichte-Naehrung uebereinstimmen. Dennoch widersprechen die Daten der Ni-Bandstruktur, die direkt mit Photoemission gemessen wird. Diese Kontroverse zeigt deutlich, dass der Unterschied zwischen Theorie und Experiment Korrelationeffekten im Endzustand der Photoemission zugeordnet werden kann. <br><br> Des weiteren wurden Nanosysteme von noch niedrigerer Dimensionalitaet untersucht. Gestufte Oberflaechen W(331) und W(551) wurden als eindimensionale Modellsysteme fuer die Selbstorganisation von Au-Nanoclustern benutzt. Photonenenergieabhaengige Photoemission hat eine neue Oberflaechen-resonanz aufgedeckt, die auf der Basisebene der Terrassen dieser Systeme auftritt. Die Dispersion E(k) von diesem Zustand, die mit winkelaufgeloester Photoemission vermessen wurde, zeigt deutlich die Einwirkung von Umklapp-Effekten. Diese zeigen sich als zwei Parabeln, die relativ zu der Terrassennormale symmetrisch um die Haelfte der Oberflaechen-Brillouinzone verschoben sind. Die erzielten Ergebnisse sind sehr wichtig fuer das Verstaendnis der elektronischen Eigenschaften von eindimensionalen Nanostrukturen. <br><br> Ausserdem wurde gezeigt, dass W(331) und W(551) als Vorlage fuer selbstorganisierte metallische Nanostrukturen dienen koennen. Eine kombinierte Untersuchung von strukturellen und elektronischen Eigenschaften von unter-monolagen Mengen von Au auf diesen Substraten wurde durchgefuehrt. Es hat sich gezeigt, dass Au mit dem Substrat an der Oberflaeche legieren kann, wenn die Oberflaeche ein wenig oxidiert und die Temperatur erhoert ist. Als Folge formiert sich auf den Stufen eine Nanostruktur von gleichen (aber nicht regelmaessig verteilten) Nanoclustern aus dieser Au-W Legierung. Diese Oberflaechenlegierung bildet ein neuartiges sp-Band in der Naehe der Fermi-Kante. Zudem spaltet dieser neue elektronische Zustand in konstante Energieniveaus auf. Das beobachtete Phaenomen wird als laterale Quantisierung interpretiert. <br><br> Das letzte Kapitel dieser Doktorarbeit bildet auch den Hauptteil. Es handelt von Selbstorganisierungsphaenomenen auf einer Oberflaechenrekonstruktion und den Eigenschaften von so hergestellten Nanostrukturen. Das zweidimensionale Oberflaechen-Karbid W(110)/C-R(15x3) wurde intensiv untersucht. Beobachtete Quantentrogeffekte in der Photoemission in Kombination mit den Ergebnissen der Rastertunnelmikroskopuntersuchungen fuehren zu einem verbesserten Strukturmodell fuer das Oberflaechenkarbid. <br><br> Es wurde auch gezeigt, dass W(110)/C-R(15x3) die Selbstorganisierung von Nanostrukturen mit sehr verschiedenen elektronischen und strukturellen Eigenschaften steuern kann. Es wurde gefunden, dass bei erhoehter Temperatur die R(15x3)-Ueberstruktur die Bildung von Nanostreifen aus unter-monolagiger Au Bedeckung, von denen jede 1 nm breit ist, kontrolliert. Die hergestellten Nanostreifen besitzen eine charakteristische eindimensionale elektronische Struktur mit lateral quantisierten d-Baendern. Basierend auf der Photoemission von Rumpfniveaus wird eine Kohlenstoff-induzierte Oberflaechenlegierung zwischen Au und W als Grund fuer die beobachtete Organisierung vorgeschlagen. Solche Phaenomene sind sehr wichtig fuer Anwendungen, seit die Mikroelektronik in den nm-Massstab eingetreten ist, in welchem mit Quantentrogeffekten zu rechnen ist. <br><br> Zusaetzlich wurde die Bildung von perfekt uniformen molekularen Nanoclustern von C₆₀ auf W(110)/C-R(15x3) demonstriert. Dieses Phaenomen kann im van-der-Waals Formalismus beschrieben werden. Die berichteten Ergebnisse sind eine erstmalige experimentelle Beobachtung von zweidimensionalen Fulleren-Nanoclustern mit "magischen Zahlen". Berechnungen der Clusterpotentiale in der statischen Naeherung im Girifalco-Modell zeigen Minima der Wechselwirkungsenergie fuer Cluster aus 4 und 7 C₆₀-Molekuelen. Diese "magischen Zahlen" sowie die entsprechenden Clusterkonfigurationen sind vollkommen konsistent mit den Ergebnissen des STM-Experiments.

Es ist seit einigen Jahren bekannt, dass Elektronen unter bestimmten Bedingungen in dünne Filme eingeschlossen werden können, selbst wenn diese Filme aus Metall bestehen und auf Metall-Substrat aufgebracht werden. In Photoelektronenspektren zeigen diese Filme charakteristische diskrete Energieniveaus, und es hat sich herausgestellt, dass sie zu großen, technisch nutzbaren Effekten führen können, wie der oszillatorischen magnetischen Kopplung in modernen Festplatten-Leseköpfen. <br><br> In dieser Arbeit wird untersucht, inwieweit die der Quantisierung in zweidimensionalen Filmen zu Grunde liegenden Konzepte auf niedrigere Dimensionalität übertragbar sind. Das bedeutet, dass schrittweise von zweidimensionalen Filmen auf eindimensionale Nanostrukturen übergegangen wird. Diese Nanostrukturen sind zum einen die Terrassen auf atomar gestuften Oberflächen, aber auch Atomketten, die auf diese Terrassen aufgebracht werden, bis hin zu einer vollständigen Bedeckung mit atomar dünnen Nanostreifen. Daneben werden Selbstorganisationseffekte ausgenutzt, um zu perfekt eindimensionalen Atomanordnungen auf Oberflächen zu gelangen. <br><br> Die winkelaufgelöste Photoemission ist als Untersuchungsmethode deshalb so geeignet, weil sie das Verhalten der Elektronen in diesen Nanostrukturen in Abhängigkeit von der Raumrichtung zeigt, und unterscheidet sich darin beispielsweise von der Rastertunnelmikroskopie. Damit ist es möglich, deutliche und manchmal überraschend große Effekte der eindimensionalen Quantisierung bei verschiedenen exemplarischen Systemen zum Teil erstmals nachzuweisen. Die für zweidimensionale Filme wesentliche Rolle von Bandlücken im Substrat wird für Nanostrukturen bestätigt. Hinzu kommt jedoch eine bei zweidimensionalen Filmen nicht vorhandene Ambivalenz zwischen räumlicher Einschränkung der Elektronen in den Nanostrukturen und dem Effekt eines Übergitters aus Nanostrukturen sowie zwischen Effekten des Elektronenverhaltens in der Probe und solchen des Messprozesses. Letztere sind sehr groß und können die Photoemissionsspektren dominieren. <br><br> Abschließend wird der Effekt der verminderten Dimensionalität speziell für die d-Elektronen von Mangan untersucht, die zusätzlich starken Wechselwirkungseffekten unterliegen. Auch hierbei treten überraschende Ergebnisse zu Tage. / It has been known for several years that under certain conditions electrons can be confined within thin layers even if these layers consist of metal and are supported by a metal substrate. In photoelectron spectra, these layers show characteristic discrete energy levels and it has turned out that these lead to large effects like the oscillatory magnetic coupling technically exploited in modern hard disk reading heads. <br><br> The current work asks in how far the concepts underlying quantization in two-dimensional films can be transferred to lower dimensionality. This problem is approached by a stepwise transition from two-dimensional layers to one-dimensional nanostructures. On the one hand, these nanostructures are represented by terraces on atomically stepped surfaces, on the other hand by atom chains which are deposited onto these terraces up to complete coverage by atomically thin nanostripes. Furthermore, self organization effects are used in order to arrive at perfectly one-dimensional atomic arrangements at surfaces. <br><br> Angle-resolved photoemission is particularly suited as method of investigation because is reveals the behavior of the electrons in these nanostructures in dependence of the spacial direction which distinguishes it from, e. g., scanning tunneling microscopy. With this method intense and at times surprisingly large effects of one-dimensional quantization are observed for various exemplary systems, partly for the first time. The essential role of bandgaps in the substrate known from two-dimensional systems is confirmed for nanostructures. In addition, we reveal an ambiguity without precedent in two-dimensional layers between spacial confinement of electrons on the one side and superlattice effects on the other side as well as between effects caused by the sample and by the measurement process. The latter effects are huge and can dominate the photoelectron spectra. <br><br> Finally, the effects of reduced dimensionality are studied in particular for the d electrons of manganese which are additionally affected by strong correlation effects. Surprising results are also obtained here. <br><br>----------------------------<br> Die Links zur jeweiligen Source der im Appendix beigefügten Veröffentlichungen befinden sich auf Seite 83 des Volltextes.

The discovery of an unexpectedly large thermopower accompanied by low resistivity and low thermal conductivity in NaxCoO2 raised significant research interest in these materials and let to a number of experimental and theoretical investigations. This interest has strongly been reinforced by the discovery of superconductivity in the hydrated compound Na0.35CoO2 •1.3H2O in 2003, and thus, NaxCoO2 experiences an again increasing attention. The similarity of the Na cobaltates to the high temperature superconductors (HTSC) - both are transition metal oxides and adopt a layered crystal structure with quasi-two-dimensional (Cu,Co)O2 layers - is an important aspect of the research activities. In contrast to the HTSC cuprates however, the CoO2 layers consist of edge sharing CoO6 octahedra which are distorted in such a way that the resulting local symmetry is trigonal. The trigonal coordination of the Co sites results in geometric frustration which favours unconventional electronic ground states. The geometrically frustrated CoO2 sublattice also exists in the nonhydrated parent compound NaxCoO2, which has been investigated in this work. The intercalation of water into the parent compound is expected to have little effect on the Fermi surface beside the increase in two dimensionality due to the effect of expansion. Upon lowering the symmetry from cubic to trigonal, the t2g states split into states with eg_and a1g symmetry. Measurements of polarisation and temperature dependent soft X-ray absorption have been performed on a wide doping range of NaxCoO2 single crystals. Beside the Co L_2,3-edges, the O K-edge and the Na K-edge have been measured. These measurements show strong polarisation dependencies especially for the excitations into the lower lying a1g energy level. In addition to that, also an unexpected polarisation dependence for higher energies has been observed, which should be absent in trigonal symmetry. These results point towards a deviation of the local trigonal symmetry of the CoO6 octahedra, which is temperature independent in a temperature range between 25 K and 372 K. This deviation was found to be different for Co3+ and Co4+ sites, which leads to a polaronic electron transport. Furthermore, a strong hybridisation between the Co and O ions has been found. In order to shed further light on the electronic structure of NaxCoO2, the electronic spectrum of a CoO6 cluster has been calculated including all interactions between 3d orbitals as well as hopping processes between Co and O and O and O ions. The ground state for two electronic occupations in the cluster (i.e. Co3+ and Co4+) that correspond nominally to all O in the O−2 oxidation state, and Co+3 or Co+4 has been obtained. Then, all excited states obtained by promotion of a Co 2p electron to a 3d electron, and the corresponding matrix elements are calculated. A fit of the observed experimental spectra is good and points out a large Co-O covalence and cubic crystal field effects, that result in low spin Co 3d configurations. The results indicate that the effective hopping between different Co atoms plays a major role in determining the symmetry of the ground state in the lattice. Remaining quantitative discrepancies with the XAS experiments are expected to come from composition effects of itineracy in the ground and excited states. Beside these points, results of photoemission spectroscopy, magnetisation measurements as well as resonant and non-resonant X-ray diffraction using high energy X-rays are shown and discussed. / Die Entdeckung unerwartet großer Thermokraft bei gleichzeitigem niedrigem Widerstand und niedriger thermischen Leitfähigkeit in NaxCoO2 führte zu einem großen wissenschaftlichem Interesse an diesen Materialien und zu einer großen Anzahl an experimentellen und theoretischen Arbeiten. Dieses Interesse steigerte sich noch einmal nach der Entdeckung von Supraleitung in der hydrierten Verbindung Na0.35CoO2 •1.3H2O im Jahre 2003. Die Ähnlichkeit der Na Kobaltate zu den Hochtemperatur-Supraleitern (HTSL) – beides sind Übergangsmetalloxide mit einer geschichteten Kristallstruktur in der quasi zwei dimensionale (Cu,Co)O2 Ebenen enthalten sind – ist ein wichtiger Aspekt moderner wissenschaftlicher Arbeiten. Im Gegensatz zu den HTSL Kupraten bestehen die CoO2 Ebenen aus CoO6 Oktaedern die über ihre Kanten verbunden sind und in der Art verzerrt sind, dass die resultierende Symmetrie trigonal ist. Die trigonale Anordnung der Co Plätze führt zu einer geometrischen Frustration und unkonventionellen elektronischen Grundzuständen. Diese geometrisch frustrierten CoO2 Untergitter existieren ebenfalls in den nicht hydrierten Mutterverbindungen NaxCoO2, welche in dieser Arbeit untersucht wurden. Interkalierung von Wasser in die Mutterverbindung hat nur einen kleinen Einfluss auf die Fermi Oberfläche und führt zu einem Anstieg des zwei dimensionalen Charakters durch den Effekt der Ausdehnung. Durch Verminderung der Symmetrie von kubisch zu trigonal splitten die vormals entarteten t2g Zustände auf in Zustände mit eg und a1g Symmetrie. Zur Bestimmung der elektronischen Struktur von NaxCoO2 wurden polarisations- und temperaturabhängige Messungen der Röntgenabsorption im weichen Röntgenbereich für einen großen Dotierungsbereich durchgeführt. Neben den Co L_2,3-Kanten wurden auch die O K-Kante und die Na K-Kante gemessen. Sie zeigen eine starke Polarisationsabhängigkeit speziell für Anregungen in die niederenergetischen a1g Level. Zusätzlich wurde eine unerwartete Polarisationsabhängigkeit bei höheren Energien gefunden, die für trigonalen Symmetrie so nicht auftauchen dürfte. Diese Ergebnisse weisen auf eine Abweichung von der lokalen trigonalen Symmetrie der CoO6 Oktaeder hin, welche Temperatur unabhängig ist in einem Temperaturbereich zwischen 25 und 372 Kelvin. Diese Abweichung ist unterschiedlich für Co3+ und Co4+ Ionen was wiederum auf einen polaronischen Transport hinweist. Zusätzlich wird deutlich, dass eine starke Co-O Hybridisierung existieren muss. Um weiteres Informationen über die elektronische Struktur von NaxCoO2 zu erhalten, wurde das elektronische Spektrum eines CoO6 Oktaeders berechnet in dem alle Wechselwirkungen zwischen 3d Orbitalen sowie Hüpfprozesse zwischen Co und O sowie O und O Ionen enthalten sind. Der Grundzustand für zwei elektronische Besetzungen in einem Cluster (d.h. Co3+ und Co4+) wurde bestimmt für O Ionen mit einer nominellen O-2 Oxidation sowie Co3+ und Co4+ Ionen. Im angeregten Zustand werden die entsprechenden Anregungen eines Co 2p Elektrons in einen unbesetzten 3d Zustand berücksichtigt und die entsprechenden Matrixelemente berechnet. Ein Fit an den experimentellen Daten ist gut und weist auf eine starke Co-O Kovalenz und auf einen starken Einfluss des kubischen Kristallfeldes hin, der zu einer Low-Spin Co 3d Konfiguration führt. Die Ergebnisse zeigen, dass ein effektives Hüpfen zwischen benachbarter Co Ionen eine große Rolle für die Symmetrie des Grundzustandes im Gitter spielt. Quantitative Unterschiede zwischen den experimentellen und theoretischen Daten kommen anscheinend von itineranten Effekten im Grund- und angeregten Zustand. Zusätzlich zu den oben kurz beschriebenen Ergebnissen werden in dieser Arbeit weitere Ergebnisse der Photoemissionsspektroskopie, der Magnetisierung sowie aus resonanter und nicht resonanter Röntgenbeugung mit harter Röntgenstrahlung gezeigt und diskutiert.

This work outlines the numerical strategies for two sets of problems of great importance in correlated materials research. First, we analyze the electronic structure and magnetic properties of 3d transition metals with linear coordination. Second, we study the mutiplet structure of 4f ions arranged on the 2D triangular-lattice.

In this thesis, a series of computational studies based on density functional theory (DFT) and density functional tight-binding (DFTB) is presented to deeply understand experimental results on the synthesis of endohedral fullerenes and graphene/iron hybrids at atomic level. In the first part, a simple and efficient model is proposed to evaluate the strain experienced by clusters encapsulated in endohedral metallofullerenes (EMFs). Calculations for the sole cluster, either in the neutral or the charged state, cannot be used for this goal. However, when the effect of the carbon cage is mimicked by small organic π-systems (such as pentalene and sumanene), the cluster has sufficient freedom to adopt the optimal configuration, and therefore the energetic characteristics of the EMF-induced distortion of the cluster can be evaluated. Both nitride and sulfide clusters were found to be rather flexible. Hence, they can be encapsulated in carbon cages of different size and shape. For carbide M2C2 cluster the situation is more complex. The optimized cluster can adopt either butterfly or linear shapes, and these configurations have substantially different metal-metal distance. Whereas for Sc2C2 both structures are isoenergetic, linear form of the Y2C2 cluster is substantially less stable than the butterfly-shaped configuration. These results show that phenomenon of the “nanoscale fullerene compression” once proposed by Zhang et al. (J. AM. CHEM. SOC. (2012),134(20)) should be “nanoscale fullerene stretching”. Finally, the results also reveal that both Ti2S and Ti2C2 cluster are strained in corresponding EMF molecules, but the origin of the strain is opposite: C78-D3h(5) cage imposes too long Ti···Ti distance for the sulfide cluster and too short distance for the carbide cluster. In the second part of the thesis, possible fullerene geometries and electronic structures have been explored theoretically for the species detected in mass spectra of the Sc-EMF extract synthesized using CH4 as a reactive gas. Two most promising candidates, namely Sc4C@C80-Ih(7) and Sc4C3@C80-Ih(7), have been identified and further studied at the DFT level. For Sc4C@C80, the tetrahedral Sc4 cluster with the central μ4-C atom was found to be 10 kJ/mol more stable than the square cluster. For Sc4C3@C80, the calculation showed that the most stable is the Sc4C3 cluster in which the triangular C3 moiety is η3- and η2-coordinated to Sc atoms. Whereas Sc4C@C80 has rather small HOMO-LUMO gap and low ionization potential, the HOMO-LUMO gap of Sc4C3@C80 is substantially higher and exceeds that of Sc4C2@C80. In the third part, computational studies of structures and reactivity are described for a new type of EMFs with a heptagon that has been produced in the arc-discharge synthesis. DFT computations predict that LaSc2N@Cs(hept)-C80 is more stable than LaSc2N@D5h-C80, so the former should be synthesized in much higher yield than observed. This disagreement may be ascribed to the kinetic factors rather than thermodynamic stability. Because of prospective applications of this EMFs by introducing functional groups, the influence of the heptagon on the chemical properties have been further evaluated. Thermodynamically and kinetically preferred reaction sites are studied computationally for Prato and Bingel-Hirsch cycloaddition reactions. In both types of reactions the heptagon is not affected, and chemical reactivity is determined by the adjacent pentalene units. Thermodynamically controlled Prato addition is predicted to proceed regioselectively across the pentagon/pentagon edges, whereas the most reactive sites in kinetically-controlled Bingel-Hirsch reaction are the carbon atoms next to the pentagon/pentagon edge. Fourth, although various EMFs have been successfully synthesized and characterized, the formation mechanism is still not known in details, and hence control of the synthesis products is rather poor. Therefore, EMF self-assembly process in Sc/carbon vapor in the presence and absence of cooling gas (helium) and reactive gas (NH3 and CH4) is systematically investigated using quantum chemical molecular dynamics (QM/MD) simulations based on the DFTB potentials. The cooling gas effect is that the presence of He atoms accelerates formation of pentagons and hexagons and reduces the size of formed carbon cages in comparison to the analogous He-free simulations. As a result, the Sc/C/He system yields a large number of successful trajectories (i.e. leading to the Sc-EMFs) with more realistic cage-size distribution than the Sc/C system. Encapsulation of Sc atoms within the carbon cage was found to proceed via two parallel mechanisms. The main mechanism involves nucleation of the several hexagons and pentagons with Sc atoms already at the early stages of the carbon vapor condensation. In such proto-cages, both Sc–C σ-bonds and coordination bonds between Sc atoms and the π-system of the carbon network are present. Sc atoms are thus rather labile and can move along the carbon network, but the overall bonding is sufficiently strong to prevent dissociation even at high temperatures. Further growth of the carbon cage results in encapsulation of one or two Sc atoms within the forming fullerene. Another encapsulation mechanism is observed in rare cases. In this process, the closed cage is formed with Sc being a part of the carbon network, i.e. being bonded by three or four Sc–C σ-bonds. However, such intermediates are found to be unstable, and transform into the endohedral fullerenes within few picoseconds of annealing. In perfect agreement with experimental studies, extension of the simulation to Fe and Ti showed that Fe-EMFs are not formed at all, whereas Ti is prone to form Ti-EMFs with small cage sizes, including Ti@C28-Td and Ti@C30-C2v(3). The role of “reactive gas” in the EMF synthesis is revealed in dedicated simulations of the fullerene formation in the presence of several molecules of CH4 or NH3. When concentration of reactive gas is high, carbon vapor tends to form graphene flakes or other carbon species terminated by hydrogen atoms, whereas the yield of empty fullerenes is very low. Conversely, with additional metal atoms (Sc) and the same number of NH3 molecules, the yield of fullerenes constantly increase from 5 to 65% which is ascribed to the catalytic activity of metal atoms in the nucleation of carbon cages already at early stage. Moreover, due to the presence of hydrogen atoms from the reactive gas, the carbon cage formation requires much longer time, which provides sufficient reaction time to encapsulate 3 or 4 Sc atoms within one cage. It explains preferential formation of clusterfullerenes in experiments with reactive gas. At the same time, monometallofullerenes and dimetallofullerenes are the main products in absence of reactive gas. We also provide possible growth mechanisms of carbide and cyano-clusterfullerenes in details to elucidate how the intracluster goes into the cage. A possible growth mechanism of nitride clusterfullerenes has been proposed based on DFT results. In the last part, a free-standing crystalline single-atom thick layer of Fe has been studied theoretically. By investigating the energy difference, ΔE, between a suspended Fe monolayer and a nanoparticle using the equivalent number of Fe atoms, one can estimate that the largest stable membrane should be ca. 12 atoms wide or 3 × 3 nm2 which is in excellent agreement with the experimental observation. Otherwise, the possibility of C, O, N atoms embedded into the Fe membrane can been fully excluded by DFTB and DFT simulations, which agrees with electron energy loss spectroscopy (EELS) measurement. A significantly enhanced magnetic moment for single atom thick Fe membranes (3.08 μB) is predicted by DFT as compared to the bulk BCC Fe (2.1 μB), which originates from the 2D nature of the Fe membrane since the dz2 orbital is out-of-plane while the dxy orbital is in-plane.

The term "topological insulator" (TI) represents a novel class of compounds which are insulating in the bulk, but simultaneously and unavoidably have a metallic surface. The reason for this is the non-trivial band topology, arising from particular band inversions and the spin-orbit interaction, of the bulk. These topologically protected metallic surface states are characterized by massless Dirac dispersion and locked helical spin polarization, leading to forbidden back-scattering with robustness against disorder. Based on the extraordinary features of the topological insulators an abundance of new phenomena and many exciting experiments have been proposed by theoreticians, but still await their experimental verification, not to mention their implementation into applications, e.g. the creation of Majorana fermions, advanced spintronics, or the realization of quantum computers. In this perspective, the 3D TIs Bi2Te3 and Bi2Se3 gained a lot of interest due to their relatively simple electronic band structure, having only a single Dirac cone at the surface. Furthermore, they exhibit an appreciable bulk band gap of up to ~ 0.3 eV, making room temperature applications feasible. Yet, the execution of these proposals remains an enormous experimental challenge. The main obstacle, which thus far hampered the electrical characterization of topological surface states via transport experiments, is the residual extrinsic conductivity arising from the presence of defects and impurities in their bulk, as well as the contamination of the surface due to exposure to air. This thesis is part of the actual effort in improving sample quality to achieve bulk-insulating Bi2Te3 films and study of their electrical properties under controlled conditions. Furthermore, appropriate capping materials preserving the electronic features under ambient atmosphere shall be identified to facilitate more sophisticated ex-situ experiments. Bi2Te3 thin films were fabricated by molecular beam epitaxy (MBE). It could be shown that, by optimizing the growth conditions, it is indeed possible to obtain consistently bulk-insulating and single-domain TI films. Hereby, the key factor is to supply the elements with a Te/Bi ratio of ~8, while achieving a full distillation of the Te, and the usage of substrates with negligible lattice mismatch. The optimal MBE conditions for Bi2Te3 were found in a two-step growth procedure at substrate temperatures of 220°C and 250°C, respectively, and a Bi flux rate of 1 Å/min. Subsequently, the structural characterization by high- and low-energy electron diffraction, photoelectron spectroscopy, and, in particular, the temperature-dependent conductivity measurements were entirely done inside the same ultra-high vacuum (UHV) system, ensuring a reliable record of the intrinsic properties of the topological surface states. Bi2Te3 films with thicknesses ranging from 10 to 50 quintuple layers (QL; 1QL~1 nm) were fabricated to examine, whether the conductivity is solely arising from the surface states. Angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) demonstrates that the chemical potential for all these samples is located well within the bulk band gap, and is only intersected by the topological surface states, displaying the characteristic linear dispersion. A metallic-like temperature dependency of the sheet resistance is observed from the in-situ transport experiments. Upon going from 10 to 50QL the sheet resistance displays a variation by a factor 1.3 at 14K and of 1.5 at room temperature, evidencing that the conductivity is indeed dominated by the surface. Low charge carrier concentrations in the range of 2–4*10^12 cm^−2 with high mobility values up to 4600 cm2/Vs could be achieved. Furthermore, the degradation effect of air exposure on the conductance of the Bi2Te3 films was quantified, emphasizing the necessity to protect the surface from ambient conditions. Since the films behave inert to pure oxygen, water/moisture is the most probable source of degeneration. Moreover, epitaxially grown elemental tellurium was identified as a suitable capping material preserving the properties of the intrinsically insulating Bi2Te3 films and protecting from alterations during air exposure, facilitating well-defined and reliable ex-situ experiments. These findings serve as an ideal platform for further investigations and open the way to prepare devices that can exploit the intrinsic features of the topological surface states. / Der Begriff "Topologischer Isolator" (TI) beschreibt eine neuartige Klasse von Verbindungen deren Inneres (engl. Bulk) isolierend ist, dieses Innere aber gleichzeitig und zwangsläufig eine metallisch leitende Oberfläche aufweist. Dies ist begründet in der nicht-trivialen Topologie dieser Materialien, welche durch eine spezielle Invertierung einzelner Bänder in der Bandstruktur und der Spin-Bahn-Kopplung im Materialinneren hervorgerufen ist. Diese topologisch geschützten, metallischen Oberflächenzustände sind gekennzeichnet durch eine masselose Dirac Dispersionsrelation und gekoppelte Helizität der Spinpolarisation, welche die Rückstreuung der Ladungsträger verbietet und somit zur Stabilisierung der Zustände gegenüber Störungen beiträgt. Auf Grundlage dieser außergewöhnlichen Merkmale haben Theoretiker eine Fülle neuer Phänomene und spannender Experimente vorhergesagt. Deren experimentelle Überprüfung steht jedoch noch aus, geschweige denn deren Umsetzung in Anwendungen, wie zum Beispiel die Erzeugung von Majorana Teilchen, fortgeschrittene Spintronik, oder die Realisierung von Quantencomputern. Aufgrund ihrer relativ einfachen Bandstruktur, welche nur einen Dirac-Kegel an der Oberfläche aufweist, haben die 3D TI Bi2Te3 und Bi2Se3 in den letzten Jahren großes Interesse erlangt. Weiterhin besitzen diese Materialien eine merkliche Bandlücke von bis zu ~0,3 eV, welche sogar Anwendungen bei Raumtemperatur ermöglichen könnten. Dennoch ist deren experimentelle Umsetzung nachwievor eine enorme Herausforderung. Das Haupthindernis, welches bis jetzt insbesondere die elektrische Charakterisierung the topologischen Oberflächenzustände behindert hat, ist die zusätzliche Leitfähigkeit des Materialinneren, welche durch Kristalldefekte und Beimischungen, sowie die Verunreinigung der Probenoberfläche durch Luftexposition bedingt wird. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zu aktuellen den Anstrengungen in der Verbesserung der Probenqualität der TI um die Leitfähigkeit des Materialinneren zu unterdrücken, sowie die anschließende Untersuchung der elektrischen Eigenschaften unter kontrollierten Bedingungen durchzuführen. Weiterhin sollen geeignete Deckschichten identifiziert werden, welche die besonderen elektronischen Merkmale der TI nicht beeinflussen sowie diese gegen äußere Einflüsse schützen, und somit die Durchführung anspruchsvoller ex situ Experimente ermöglichen können. Die untersuchten Bi2Te3 Schichten wurden mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass es allein durch Optimierung der Wachstumsbedingungen möglich ist Proben herzustellen, die gleichbleibend isolierende Eigenschaften des TI Inneren aufweisen und Eindomänen-Ausrichtung besitzen. Die zentralen Faktoren sind hierbei die Aufrechterhaltung eines Flussratenverhältnisses von Te/Bi ~8 der einzelnen Elemente, sowie die Wahl einer ausreichend hohen Substrattemperatur, um ein vollständiges Abdampfen (Destillation) des überschüssigen Tellur zu erreichen. Weiterhin müssen Substrate mit gut angepassten Gitterparametern verwendet werden, welches bei BaF2 (111) gegeben ist. Optimales MBE Wachstum konnte durch ein Zwei-Stufen Prozess bei Substrattemperaturen von 220°C und 250°C und einer Bi-Verdampfungsrate von 1 Å/min erreicht werden. Die nachfolgende Charakterisierung der strukturellen Eigenschaften, Photoelektronenspektroskopie, sowie temperaturabhängige Leitfähigkeitsmessungen wurden alle in einem zusammenhängenden Ultrahochvakuum-System durchgeführt. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Erfassung der intrinsischen Eigenschaften der TI sichergestellt. Zur Überprüfung, ob die Leitfähigkeit der Proben tatsächlich nur durch die Oberflächenzustände hervorgerufen wird, wurden Filme mit Schichtdicken im Bereich von 10 bis 50 Quintupel-Lagen (QL; 1QL~ 1 nm) hergestellt und charakterisiert. Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES) belegt, dass das chemische Potential (Fermi-Niveau) in allen Proben innerhalb der Bandlücke der Bandstruktur des Materialinneren liegt und nur von den topologisch geschützten Oberflächenzuständen gekreuzt wird, welche die charakteristische lineare Dirac Dispersionsrelation aufweisen. Die temperaturabhängigen Widerstandsmessungen zeigen ein metallisches Verhalten aller Proben. Bei der Variation der Schichtdicke von 10 zu 50QL wird eine Streuung des Flächenwiderstandes vom Faktor 1,3 bei 14K und 1,5 bei Raumtemperatur beobachtet. Dies beweist, dass die gemessene Leitfähigkeit vorrangig durch die topologisch geschützten Oberflächenzustände hervorgerufen wird. Eine geringe Oberflächenladungsträgerkonzentration im Bereich von 2–4*10^12 cm^−2 und hohe Mobilitätswerte von bis zu 4600 cm2/Vs wurden erreicht. Weiterhin wurden die negativen Auswirkungen auf die Eigenschaften der TI durch Luftexposition quantifiziert, welches die Notwendigkeit belegt, die Oberfläche der TI vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Die Proben verhalten sich inert gegenüber reinem Sauerstoff, daher ist Wasser aus der Luftfeuchte höchstwahrscheinlich der Hauptgrund für die beobachtbare Verschlechterung. Darüber hinaus konnte epitaktisch gewachsenes Tellur als geeignete Deckschicht ausfindig gemacht werden, welches die Eigenschaften der Bi2Te3 Filme nicht beeinflusst, sowie gegen Veränderungen durch Luftexposition schützt. Die gewonnenen Erkenntnisse stellen eine ideale Grundlage für weiterführende Untersuchungen dar und ebnen den Weg zur Entwicklung von Bauelementen welche die spezifischen Besonderheiten der topologischen Oberflächenzustände.

Ziel dieser Arbeit war es, die Reaktivität von V2O3(0001) zu untersuchen. In dieser Arbeit wird sich zunächst mit dem epitaktischen Wachstum von V2O3-Filmen auf Au(111)und W(110) befaßt. Stöchiometrie und Geometrie der dünnen Filme wurden mit Röntgenphotoelektronenspektroscopie (XPS), Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) und Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) charakterisiert. Wir haben gezeigt, dass die Oberfläche zwei Terminierungen aufweist, die sich durch die An- bzw. Abwesenheit von zusätzlichen Sauerstoffatomen auf der Oberfläche unterscheiden. Diese Sauerstoffatome bilden Vanadylgruppen mit den Oberflächenvanadiumatomen, deren Streckschwingung mit Infrarotabsorptionsspektroskopie (IRAS) detektiert werden kann. Die elektronische Struktur des V2O3(0001) dünnen Filmes wurde mittels UV-Photoelektronenspektroskopie (UPS), XPS und NEXAFS untersucht. Wir haben bewiesen, dass die Bildung von Vanadylgruppen an der Oberfläche einen Metall-Isolator Übergang hervorruft. Für jede Oberflächenterminierung wurde ein elektronenenergieverlustspektrum (HREELS) gezeigt und mit einem Spektrum des isomorphischen Cr2O3 verglichen. Wasseradsorptionsexperimente zeigen, dass Wasser sowohl molekular als auch dissoziativ auf beiden Oberflächen adsorbiert. Die Dissoziationswahrscheinlichkeit hängt von der Terminierung und von der Bedeckung ab. Sie ist am höchsten bei großer Bedeckung auf der -V=O Oberfläche. CO2 Adsorption wurde mit UPS, XPS, HREELS und IRAS untersucht. CO2 physisorbiert auf der -V=O Oberfläche. Den IRA Spektren entnehmen wir, dass CO2 auf der -V Oberfläche als gewinkelte Spezies adsorbiert. Heizen dieser Spezies auf 200 K führt zu Karbonatbildung. Die Adsorption von CO verhält sich ähnlich wie die von CO2: nur kleine Menge adsorbieren auf der -V=O Oberfläche, während die -V Oberfläche viel reaktiver zu sein scheint. Winkelaufgelöste UPS Messungen deuten auf eine flache CO Adsorptionsgeometrie auf der -V=O Oberfläche hin. NEXAF- und IRA-Spektren zeigen dagegen, dass bereits bei 90 K sich CO2 auf der -V Oberfläche bildet. / In this work, we firstly showed that it is possible to grow thin V2O3(0001) films on Au(111) and W(110). The stoichiometry of the film has been characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS). We inferred with infrared absorption spectroscopy (IRAS) the existence of two possible terminations of the V2O3(0001) surface. These two terminations differ only by the presence or not of oxygen atoms on the top of the surface, forming vanadyl groups with the surface vanadium atoms. We studied with UV photoelectron spectroscopies (UPS), XPS and NEXAFS the electronic structure of our V2O3(0001) thin films. Our data evidence a metal to insulator transition induced by the formation of the vanadyl groups on the surface. We performed high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS) measurements and presented a phonon spectrum for each termination. We compared our spectra with a spectrum of the isomorphic Cr2O3(0001). We studied the water adsorption properties of both surface terminations. We observed molecularly adsorbed water on both surface terminations for low exposures. For large exposures, water dissociates and OH-groups were detected. We performed CO2 adsorption experiments with UPS, XPS, HREELS and IRAS. The analyze of the IRAS results on the -V terminated surface leads us to the conclusion that CO2 adsorbs in a bent configuration. With UPS and XPS, we could evidence the formation of carbonates upon heating up to 200 K. On the -V=O surface, CO adsorbs molecularly and we concluded from the angle resolved UPS data that the CO molecule is strongly tilted on the surface. With NEXAFS and IRAS, we showed the formation of CO2 on the -V surface.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit theoretischen Untersuchung von Oberflächenzuständen in ferromagnetischen Halbleitern. Einleitend wird ein analytisches "tight-binding"-Modell zur Beschreibung der Oberflächenzustände. Es liefert Aussagen zur Existenz von Oberflächenzuständen, zu deren spektralen Gewicht und Position bezüglich der Energie. Das Kondogitter-Modell wird verwendet, um Korrelations- und Temperatureffekte sowie Oberflächenzustände zu beschreiben. Dies erfolgt zunächst für sc-(100)-Modellfilme im Rahmen des sf-Modells. Die temperaturabhängigen der Oberflächenzustände zeigen abhängig vom Ort in der Brillouinzone sowie den "hopping"-Parametern in der Oberfläche sowohl Stoner-artiges als auch "spin-mixing"-Verhalten. Mit wachsender Temperatur werden Lebensdauereffekte in den Spektren sichtbar. Das Kondogitter-Modell (KLM) wird auf die Mehrbandsituation zum df-Modell verallgemeinert, um eine Beschreibung der Prototypen für magnetische Halbleiter EuS und EuO zu erreichen. Durch die Kombination von LDA-Bandstrukturrechnungen mit Vielteilchenrechnungen zum Multiband-KLM ist es gelungen, die ausgeprägte Temperaturabhängigkeit des unbesetzten 5d-Leitungsbandes und das Verhalten der Oberflächenzustände in EuS- und EuO-Filmen realistisch zu beschreiben. Der exakte Grenzfall des Kondogitter-Modells, das magnetischen Polaron (T=0), ermöglicht Kombination von ab-initio-Bandstrukturrechnungen und der Vielteilchentheorie ohne das Auftreten von Doppelzählungen relevanter Wechselwirkungen. Sowohl in EuO als auch in EuS temperaturabhängige Oberflächenzustände beobachtet werden, die im Fall von EuS jedoch schwerer nachzuweisen sind, da sie im Energiebereich des Volumenbandes auftreten. Die für EuS und EuO berechneten Rotverschiebungen sowie die dickenabhängige Magnetisierung von EuS stimmen hervorragend mit experimentellen Befunden überein. Eine Vielzahl von Korrelationseffekten ist mit wachsender Temperatur in den Spektren der unbesetzten Europium-5d-Bänder zu beobachten. / This work is dedicated to the theoretical investigation of surface states in ferromagnetic semiconductors. After the introduction a exact solvable analytical model is presented. It figures out for given conditions if surface states exist, which spectral weight they have, and at which position in energy they can be found. Thereafter the Kondo-Lattice-Model (KLM) is used to describe correlation and temperature effects. The description focuses initially to the sc-(100) model films in the sf-model. The resulting temperature dependent surface states both Stoner behavior and "spin-mixing" behavior dependent on the chosen hopping parameters and the position in the two dimensional Brillouin zone. With increasing temperature (up to Tc) lifetime effects arise in the spectra. In conclusion the KLM is extended to the multi-band situation (df-Model) in order to provide a description of the prototypes of magnetic semiconductor EuS and EuO. We succeed in describing the distinct temperature dependence of the unoccupied 5d-conduction band and the behavior of the surface states in EuS and EuO films realistically by a combination of a LDA band-structure calculation and the manybody theory. The exact limiting case of the KLM (T=0) -the magnetic polaron- allows a combination of a ab-initio band-structure calculation and manybody theory without double counting of any relevant interaction. The presented theory provides numerous results. In EuO and EuS can be found temperature dependent surface states. In case of EuS it''s detection is much more complicated thus the surface state energies are located inside the energy range of the bulk band. The famous redshift in EuS and EuO and the thickness dependent film magnetization of EuS agree very well with the experimental results. A lot of correlation effects are present in the calculated unoccupied Europium 5d bands. With increasing temperature these effects become stronger.