Correlation Effects and Temperature Dependencies in Thin Ferromagnetic Films:Magnetism and Electronic Structure

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 thes-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 temperaturedependent 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. Zusammenfassung Diese Dissertation besch äftigt sich mit theoretischen Untersuchung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften von 4f-Systemen mit Filmgeometrie. Die vorgestellte Theorie basiert auf dems-f-Modell, welches durch einen intra-atomaren Austausch zwischen einem System lokaler magnetischer Momente und den Leitungselektronen charakterisiert ist. Das Modell wird f̈ur 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. F ür den Grenzfall ferromagnetischer S ättigung des Systems lokaler magnetischer Momente existiert eine exakte L̈ osung f̈ ur das Problem. F̈ ur endliche Temperaturen wird eine Methode vorgestellt, die auf einer momentenerhaltenden Entkopplungsprozedur f ür passend definierte Green-Funktionen basiert. Die Theorie f ü ndliche Temperaturen leitet sich dabeïubergangslos aus dem exakt l ösbaren Grenzfall ab. Mit Hilfe der vorgestellten Theorie wird das temperaturabh ̈ ngige 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 besch äftigt sich mit der Berechnung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften eines realen ferromagnetischen Halbleiterfilms. Um den vielfachen Leitungsb ändern eines realen Systems Rechnung tragen zu können, wird das urspr üngliches-f-Modell zu einem Mehrbandmodell erweitert. Das so erweitertes-f-Modell wird dazu benutzt, die temperaturabh ̈ ngige Bandstruktur von Volumen-EuO und von EuO(100)-Filmen zu berechnen. Die T = 0-Bandstrukturen, die als Input f ür die Modellrechnungen dienen, werden hierbei mittels einer TB-LMTO-ASA-Bandstrukturrechnung berechnet. Die spezielle Struktur der L ösung dess-f-Modells für den exakt l̈ osbaren Grenzfall von T = 0 verhindert dabei das Auftreten von Doppelz̈ ahlungen relevanter Wechselwirkungen bei der Kombination von ab-initio-Rechnungen und s-f-Modellrechnungen. Die erhaltenen temperaturabh ängigen Bandstrukturen geben wertvolle Einblicke in das Wechselspiel zwischen elektronischen und magnetischen Eigenschaften in EuO-Systemen und gestatten es, verifizierbare Vorhersagen f ür künftige Experimente zu machen. Insbesondere wird die Existenz eines EuO(100)-Oberfl ächenzustandes vorhergesagt, der das Auftreten eines Oberfl̈achen-Metall-Isolator-̈ Ubergangs induzieren kann.