Promotionsvortrag von David Janas

Im Rahmen dieser Dissertation wird untersucht, wie elektronische Korrelationen die Wechselwirkung zwischen atomaren bzw. molekularen Adsorbaten und ferromagnetischen Übergangsmetalloberflächen beeinflussen, wobei Fe(100) als Modelloberfläche dient. Ferromagnetische 3d-Metalle wie Eisen spielen eine zentrale Rolle sowohl in der Oberflächenphysik als auch in angewandten Bereichen wie der Spintronik, der Katalyse und organisch-anorganischen Hybridsystemen. Bestehende Modelle wie das Newns-Anderson-Modell und das d-Band-Modell liefern zwar nützliche Konzepte zum Verständnis von Molekül-Oberflächen-Wechselwirkungen, vernachlässigen jedoch in der Regel elektronische Korrelationen, ein zentrales Merkmal ferromagnetischer 3d-Metalle, und gehen oft von einer räumlich homogenen Kopplung aus, die bei großen organischen Molekülen nicht mehr gültig ist.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, wird eine Kombination aus spin- und impulsaufgelöster Photoelektronenspektroskopie, Rastertunnelmikroskopie sowie fortgeschrittener elektronischer Strukturtheorie eingesetzt, um Molekül-Metall-Grenzflächen systematisch zu untersuchen. Dabei kommen sowohl die Dichtefunktionaltheorie mit effektiven Hubbard-Korrekturen (DFT+U) als auch die Dynamische Molekularfeldtheorie (DMFT) zur Anwendung, um elektronische Korrelationseffekte angemessen zu beschreiben. Ausgehend von der Chemisorption atomaren Sauerstoffs zeigt die Arbeit, dass Adsorbate die elektronische Korrelation in der Fe-Oberflächenschicht verstärken können. Dies führt zu einer energetischen Verengung der d-Bänder, einer Reduktion der Austauschaufspaltung und zum Auftreten spinabhängiger Lebensdauereffekte in den sauerstoffbezogenen Zuständen. Diese Modifikationen, typische Kennzeichen von Vielteilchenwechselwirkungen, beeinflussen wiederum maßgeblich die nachfolgende Moleküladsorption.

Darauf aufbauend wird die Adsorption von Pentacen auf einer sauerstoffpassivierten Fe-Oberfläche (Fe-O) untersucht. Hier führt die zuvor erwähnte, korrelationsinduzierte Modifikation der Substrat-d-Bandstruktur zu einem Übergang von schwacher zu starker Molekül-Metall-Kopplung. Ein recheneffizienter Ansatz wird entwickelt, um die durch DMFT offenbarte Renormalisierung der d-Bänder mithilfe der DFT+U-Methodik mit einem gezielt gewählten Ueff-Wert nachzubilden. Auf dieser Grundlage wird ein erweitertes d-Band-Modell eingeführt, das die besondere Rolle der Fe-dz²-Orbitale bei der Kopplung an die erweiterten π -Systeme organischer Moleküle hervorhebt.

Abschließend wird die Adsorption metallierter Tetraphenylporphyrine (ZnTPP und NiTPP) auf Fe-O untersucht. Diese Moleküle bleiben elektronisch entkoppelt, zeigen jedoch messbare konformationelle Verformungen. Mittels Photoemissions-Orbitaltomographie (POT) wird aufgezeigt, wie sich Molekülgeometrie und Orbitalanordnung über Mono- und Mehrlagenfilme hinweg entwickeln. POT etabliert sich dabei als leistungsfähige impulsaufgelöste Methode zur Untersuchung sowohl der elektronischen Struktur als auch der molekularen Konformation.

Insgesamt entwickelt diese Arbeit ein korrelationsbewusstes Verständnis hybrider Grenzflächen auf ferromagnetischen Substraten. Sie zeigt, dass elektronische Korrelation und Orbitalhybridisierung miteinander verknüpfte Phänomene sind, die gemeinsam die elektronischen und geometrischen Eigenschaften von Molekül-Metall-Systemen bestimmen. Die Ergebnisse liefern wichtige Impulse für zukünftige Entwicklungen in der Katalyse, der molekularen Elektronik und in spinbasierten Technologien.