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. / 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.

In dieser Arbeit wird ein Modell für das Eu-reiche EuO formuliert. Es besteht in einer Erweiterung des Kondo-Gitter-Modells (KGM). Für das KGM existieren nur einige exakte Aussagen. In dieser Arbeit kommt eine neue hinzu, nämlich die exakte Abbildung des periodischen Anderson-Modells auf das antiferromagnetische KGM für beliebige Kopplungsstärke J. Reines EuO ist ein ferromagnetischer Halbleiter. Eu-reiches EuO zeigt einen gewaltigen Metall-Isolator-Übergang in der Nähe der Curie-Temperatur mit einem Sprung im Widerstand von bis zu 13 Größenordnungen. Das ist der größte Sprung im Widerstand, der jemals in der Natur beobachtet wurde. Wir reproduzieren diesen Sprung theoretisch mit der Kubo-Formel. Wir erzielen sehr gute Fits bereits in einer nicht vollständig selbstkonsistenten Theorie, bei der die Magnetisierung der Eu-Spins einer Brillouin-Funktion entnommen ist. In einer vollständig selbstkonsistenten Theorie bestimmen wir die Magnetisierung, die Curie-Temperatur, den spezifischen Widerstand und andere Transporteigenschaften. Wir berechnen Größen wie die elektronische Wärmeleitfähigkeit und die Thermokraft, für die weniger experimentelle Daten zum Vergleich vorhanden sind. Nichtsdestoweniger erscheinen z.B. die Rechnungen für die thermische Leitfähigkeit vertrauenswürdig, da das Wiedemann-Franz-Verhältnis mit der elektrischen Leitfähigkeit einen vernünftigen Wert liefert. Die Leitungselektronenzahl des Eu-reichen EuO kommt aus der Theorie unabhängig von der Leitfähigkeit heraus. Daher können wir aus der Leitfähigkeit und der Leitungselektronenzahl die durchschnittliche Drude-Mobilität (oder Streuzeit) berechnen. Diese Größe hat für höhere Impurity-(Sauerstoff-Leerstellen)-Konzentrationen einen Sprung in der Nähe der Curie-Temperatur von bis zu zwei Größenordnungen in Übereinstimmung mit dem Experiment. / In this thesis a model is formulated for Eu-rich EuO. It consists in an extension of the Kondo lattice model (KLM). For the KLM only a few exact statements exist. To those we add a new one, namely the exact mapping of the periodic Anderson model on the antiferromagnetic KLM for arbitrary coupling constant J. Pure EuO is a ferromagnetic semiconductor. Eu-rich EuO exhibits a huge metal--insulator transition near the Curie temperature with a jump in resistivity of up to 13 orders of magnitude. It is the biggest jump in resistivity ever observed in nature. We theoretically reproduce this jump. We achieve very good fits already within a not fully self-consistent theory where the magnetization of the Eu spins is taken from a Brillouin function. In a fully self-consistent theory we determine the magnetization, the Curie temperature, the resistivity and other transport properties. We calculate quantities like the electronic thermal conductivity and the thermopower, for which there are less experimental data to compare with. Nevertheless, e.g. the calculations for the thermal conductivity seem reliable since the Wiedemann-Franz ratio with the electrical conductivity gives a reasonable result. The conduction-electron number of Eu-rich EuO comes out of the theory independently of the conductivity. So we can calculate from the conductivity and the conduction-electron number the average Drude mobility (or scattering time). This quantitiy has a jump near the Curie temperature of up to two orders of magnitude for higher impurity (oxygen vacancy) concentrations in agreement with the experiment.

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.