@phdthesis{Hoepfner2012,
  author    = {H{\"o}pfner, Philipp Alexander},
  title     = {Two-Dimensional Electron Systems at Surfaces — Spin-Orbit Interaction and Electronic Correlations},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-78876},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {This thesis addresses three different realizations of a truly two-dimensional electron system (2DES), established at the surface of elemental semiconductors, i.e., Pt/Si(111), Au/Ge(111), and Sn/Si(111). Characteristic features of atomic structures at surfaces have been studied using scanning tunneling microscopy and low energy electron diffraction with special emphasis on Pt deposition onto Si(111). Topographic inspection reveals that Pt atoms agglomerate as trimers, which represent the structural building block of phase-slip domains. Surprisingly, each trimer is rotated by 30° with respect to the substrate, which results in an unexpected symmetry breaking. In turn, this represents a unique example of a chiral structure at a semiconductor surface, and marks Pt/Si(111) as a promising candidate for catalytic processes at the atomic scale. Spin-orbit interactions (SOIs) play a significant role at surfaces involving heavy adatoms. As a result, a lift of the spin degeneracy in the electronic states, termed as Rashba effect, may be observed. A candidate system to exhibit such physics is Au/Ge(111). Its large hexagonal Fermi sheet is suggested to be spin-split by calculations within the density functional theory. Experimental clarification is obtained by exploiting the unique capabilities of three-dimensional spin detection in spin- and angle-resolved photoelectron spectroscopy. Besides verification of the spin splitting, the in-plane components of the spin are shown to possess helical character, while also a prominent rotation out of this plane is observed along straight sections of the Fermi surface. Surprisingly and for the first time in a 2DES, additional in-plane rotations of the spin are revealed close to high symmetry directions. This complex spin pattern must originate from crystalline anisotropies, and it is best described by augmenting the original Rashba model with higher order Dresselhaus-like SOI terms. The alternative use of group-IV adatoms at a significantly reduced coverage drastically changes the basic properties of a 2DES. Electron localization is strongly enhanced, and the ground state characteristics will be dominated by correlation effects then. Sn/Si(111) is scrutinized with this regard. It serves as an ideal realization of a triangular lattice, that inherently suffers from spin frustration. Consequently, long-range magnetic order is prohibited, and the ground state is assumed to be either a spiral antiferromagnetic (AFM) insulator or a spin liquid. Here, the single-particle spectral function is utilized as a fundamental quantity to address the complex interplay of geometric frustration and electronic correlations. In particular, this is achieved by combining the complementary strengths of ab initio local density approximation (LDA) calculations, state-of-the-art angle-resolved photoelectron spectroscopy, and the sophisticated many-body LDA+DCA. In this way, the evolution of a shadow band and a band backfolding incompatible with a spiral AFM order are unveiled. Moreover, beyond nearest-neighbor hopping processes are crucial here, and the spectral features must be attributed to a collinear AFM ground state, contrary to common expectation for a frustrated spin lattice.},
  subject      = {Halbleiteroberfl{\"a}che},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Fiedler2018,
  author    = {Fiedler, Sebastian},
  title     = {Strukturelle und elektronische Zusammenh{\"a}nge von inversionsasymmetrischen Halbleitern mit starker Spin-Bahn-Kopplung; BiTeX (X =I, Br, Cl)},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-155624},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Manipulation von Halbleitern, bei denen die Spin-Bahn-Kopplung (SBK) in Kombination mit einem Bruch der strukturellen Inversionssymmetrie zu einer impulsabh{\"a}ngigen Spinaufspaltung der Bandstruktur f{\"u}hrt. Von besonderem Interesse ist hierbei der Zusammenhang zwischen der spinabh{\"a}ngigen elektronischen Struktur und der strukturellen Geometrie. Dieser wird durch eine Kombination komplement{\"a}rer, oberfl{\"a}chensensitiver Messmethoden - insbesondere Rastertunnelmikroskopie (STM) und Photoelektronenspektroskopie (PES) - an geeigneten Modellsystemen untersucht. Der experimentelle Fokus liegt dabei auf den polaren Halbleitern BiTeX (X =I, Br, Cl). Zus{\"a}tzliche Experimente werden an d{\"u}nnen Schichten der topologischen Isolatoren (TI) Bi1,1-xSb0;9+xSe3 (x = 0. . . 1,1) und Bi2Te2Se durchgef{\"u}hrt. Die inversionsasymmetrische Kristallstruktur in BiTeX f{\"u}hrt zur Existenz zweier nicht-{\"a}quivalenter Oberfl{\"a}chen mit unterschiedlicher Terminierung (Te oder X) und invertierter atomarer Stapelfolge. STM-Aufnahmen der Oberfl{\"a}chen gespaltener Einkristalle belegen f{\"u}r BiTeI(0001) eine Koexistenz beider Terminierungen auf einer L{\"a}ngenskala von etwa 100 nm, die sich auf Stapelfehler im Kristallvolumen zur{\"u}ckf{\"u}hren lassen. Diese Dom{\"a}nen sind groß genug, um eine vollst{\"a}ndig entwickelte Banddispersion auszubilden und erzeugen daher eine Kombination der Bandstrukturen beider Terminierungen bei r{\"a}umlich integrierenden Messmethoden. BiTeBr(0001) und BiTeCl(0001) hingegen zeichnen sich durch homogene Terminierungen auf einer makroskopischen L{\"a}ngenskala aus. Atomar aufgel{\"o}ste STM-Messungen zeigen f{\"u}r die drei Systeme unterschiedliche Defektdichten der einzelnen Lagen sowie verschiedene strukturelle Beeinflussungen durch die Halogene. PES-Messungen belegen einen starken Einfluss der Terminierung auf verschiedene Eigenschaften der Oberfl{\"a}chen, insbesondere auf die elektronische Bandstruktur, die Austrittsarbeit sowie auf die Wechselwirkung mit Adsorbaten. Die unterschiedliche Elektronegativit{\"a}t der Halogene resultiert in verschieden starken Ladungs{\"u}berg{\"a}ngen innerhalb der kovalent-ionisch gebundenen BiTe+ X- Einheitszelle. Eine erweiterte Analyse der Oberfl{\"a}cheneigenschaften ist durch die Bedampfung mit Cs m{\"o}glich, wobei eine {\"A}nderung der elektronischen Struktur durch die Wechselwirkung mit dem Alkalimetall studiert wird. Modifiziert man die Kristallstruktur sowie die chemische Zusammensetzung von BiTeI(0001) nahe der Oberfl{\"a}che durch Heizen im Vakuum, bewirkt dies eine Ver{\"a}nderung der Bandstruktur in zwei Schritten. So f{\"u}hrt zun{\"a}chst der Verlust von Iod zum Verlust der Rashba-Aufspaltung, was vermutlich durch eine Aufhebung der Inversionsasymmetrie in der Einheitszelle verursacht wird. Anschließend bildet sich eine neue Kristallstruktur, die topologisch nichttriviale Oberfl{\"a}chenzust{\"a}nde hervorbringt. Der Umordnungsprozess betrifft allerdings nur die Kristalloberfl{\"a}che - im Volumen bleibt die inversionsasymmetrische Einheitszelle erhalten. Einem derartigen Hybridsystem werden bislang unbekannte elektronische Eigenschaften vorausgesagt. Eine systematische Untersuchung von D{\"u}nnschicht-TIs, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) erzeugt wurden, zeigt eine Ver{\"a}nderung der Morphologie und elektronischen Struktur in Abh{\"a}ngigkeit von St{\"o}chiometrie und Substrat. Der Vergleich zwischen MBE und gewachsenen Einkristallen offenbart deutliche Unterschiede. Bei einem der D{\"u}nnschichtsysteme tritt sogar eine lokal inhomogene Zustandsdichte im Bindungsenergiebereich des topologischen Oberfl{\"a}chenzustands auf.},
  subject      = {Rashba-Effekt},
  language  = {de}
}
@phdthesis{ElKareh2014,
  author    = {El-Kareh, Lydia},
  title     = {Rashba-type spin-split surface states: Heavy post transition metals on Ag(111)},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-112722},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {In the framework of this thesis, the structural and electronic properties of bismuth and lead deposited on Ag(111) have been investigated by means of low-temperature scanning tunneling microscopy (LT-STM) and spectroscopy (STS). Prior to spectroscopic investigations the growth characteristics have been investigated by means of STM and low energy electron diffraction (LEED) measurements. Submonolayer coverages as well as thick films have been investigated for both systems. Subsequently the quantum well characteristics of thick Pb films on Ag(111) have been analyzed and the quantum well character could be proved up to layer thicknesses of N ≈ 100 ML. The observed characteristics in STS spectra were explained by a simple cosine Taylor expansion and an in-plane energy dispersion could be detected by means of quasi-particle interferences. The main part of this work investigates the giant Rashba-type spin-split surface alloys of (√3 × √3)Pb/Ag(111)R30◦ and (√3 × √3)Bi/Ag(111)R30◦. With STS experiments the band positions and splitting strengths of the unoccupied (√3 × √3)Pb/Ag(111)R30◦ band dispersions could be resolved, which were unclear so far. The investigation by means of quasi-particle interferences resulted in the observation of several scattering events, which could be assigned as intra- and inter-band transitions. The analysis of scattering channels within a simple spin-conservation-approach turned out to be incomplete and led to contradictions between experiment and theory. In this framework more sophisticated DFT calculations could resolve the apparent deviations by a complete treatment of scattering in spin-orbit-coupled materials, which allows for constructive interferences in spin-flip scattering processes as long as the total momentum J_ is conserved. In a similar way the band dispersion of (√3 × √3)Bi/Ag(111)R30◦ was investigated. The STS spectra confirmed a hybridization gap opening between both Rashba-split bands and several intra- and inter-band scattering events could be observed in the complete energy range. The analysis within a spin-conservation-approach again turned out to be insufficient for explaining the observed scattering events in spin-orbit-coupled materials, which was confi by DFT calculations. Within these calculations an inter-band scattering event that has been identified as spin-conserving in the simple model could be assigned as a spin-flip scattering channel. This illustrates evidently how an incomplete description can lead to completely different indications. The present work shows that different spectroscopic STM modes are able to shed light on Rashba-split surface states. Whereas STS allowed to determine band onsets and splitting strengths, quasi-particle interferences could shed light on the band dispersions. A very important finding of this work is that spin-flip scattering events may result in constructive interferences, an eff which has so far been overlooked in related publications. Additionally it has been found that STM measurements can not distinguish between spin-conserving scattering events or spin-flip scattering events, which prevents to give a definite conclusion on the spin polarization for systems with mixed orbital symmetries just from the observed scattering events.},
  subject      = {Silber},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Uenzelmann2022,
  author    = {{\"U}nzelmann, Maximilian},
  title     = {Interplay of Inversion Symmetry Breaking and Spin-Orbit Coupling - From the Rashba Effect to Weyl Semimetals},
  doi       = {10.25972/OPUS-28310},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-283104},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Breaking inversion symmetry in crystalline solids enables the formation of spin-polarized electronic states by spin-orbit coupling without the need for magnetism. A variety of interesting physical phenomena related to this effect have been intensively investigated in recent years, including the Rashba effect, topological insulators and Weyl semimetals. In this work, the interplay of inversion symmetry breaking and spin-orbit coupling and, in particular their general influence on the character of electronic states, i.e., on the spin and orbital degrees of freedom, is investigated experimentally. Two different types of suitable model systems are studied: two-dimensional surface states for which the Rashba effect arises from the inherently broken inversion symmetry at the surface, and a Weyl semimetal, for which inversion symmetry is broken in the three-dimensional crystal structure. Angle-resolved photoelectron spectroscopy provides momentum-resolved access to the spin polarization and the orbital composition of electronic states by means of photoelectron spin detection and dichroism with polarized light. The experimental results shown in this work are also complemented and supported by ab-initio density functional theory calculations and simple model considerations. Altogether, it is shown that the breaking of inversion symmetry has a decisive influence on the Bloch wave function, namely, the formation of an orbital angular momentum. This mechanism is, in turn, of fundamental importance both for the physics of the surface Rashba effect and the topology of the Weyl semimetal TaAs.},
  subject      = {Rashba-Effekt},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Goth2015,
  author    = {Goth, Florian},
  title     = {Continuous time quantum Monte Carlo Studies of Quenches and Correlated Systems with Broken Inversion Symmetry},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-118836},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {This thesis deals with quantum Monte Carlo simulations of correlated low dimensional electron systems. The correlation that we have in mind is always given by the Hubbard type electron electron interaction in various settings. To facilitate this task, we develop the necessary methods in the first part. We develop the continuous time interaction expansion quantum algorithm in a manner suitable for the treatment of effective and non-equilibrium problems. In the second part of this thesis we consider various applications of the algorithms. First we examine a correlated one-dimensional chain of electrons that is subject to some form of quench dynamics where we suddenly switch off the Hubbard interaction. We find the light-cone-like Lieb-Robinson bounds and forms of restricted equilibration subject to the conserved quantities. Then we consider a Hubbard chain subject to Rashba spin-orbit coupling in thermal equilibrium. This system could very well be realized on a surface with the help of metallic adatoms. We find that we can analytically connect the given model to a model without spin-orbit coupling. This link enabled us to interpret various results for the standard Hubbard model, such as the single-particle spectra, now in the context of the Hubbard model with Rashba spin-orbit interaction. And finally we have considered a magnetic impurity in a host consisting of a topological insulator. We find that the impurity still exhibits the same features as known from the single impurity Anderson model. Additionally we study the effects of the impurity in the bath and we find that in the parameter regime where the Kondo singlet is formed the edge state of the topological insulator is rerouted around the impurity.},
  subject      = {Elektronenkorrelation},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kuegel2015,
  author    = {K{\"u}gel, Jens},
  title     = {3d-{\"U}bergangsmetallphthalocyanin-Molek{\"u}le auf Metalloberfl{\"a}chen: Der Einfluss der d-Orbitalbesetzung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-121059},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Dissertation wird die Untersuchung von 3d-{\"U}bergangsmetallphthalocyanin- Molek{\"u}len ({\"U}MPc) - quadratisch-planaren organischen Molek{\"u}len, welche im Zentrum ein 3d-{\"U}bergangsmetallion besitzen - auf metallischen Oberfl{\"a}chen vorgestellt. Der Fokus dieser Arbeit liegt dabei auf dem Einfluss der d-Orbitalbesetzung auf die magnetischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften der adsorbierten Molek{\"u}le, die mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie charakterisiert wurden. Die gewonnen Ergebnisse werden zum Teil mit theoretischen Berechnungen analysiert und interpretiert. Die erste H{\"a}lfte der experimentellen Auswertung behandelt die Untersuchung dieser Molek{\"u}le auf Ag(001) in Hinblick auf die Existenz einer magnetischen Wechselwirkung, bei der ein unkompensiertes magnetisches Moment des Molek{\"u}ls durch die Substratelektronen abgeschirmt wird. Dieser Effekt wird als Kondo-Abschirmung bezeichnet und erzeugt in der Zustandsdichte des Molek{\"u}ls eine Resonanz am Fermi-Niveau. Die Messungen zeigen, dass diese Resonanz ausschließlich am Zentralion von MnPc vorgefunden wird, wohingegen sie bei allen anderen 3d-{\"U}bergangsmetallphthalocyanin-Molek{\"u}len, die eine h{\"o}here d-Orbitalbesetzung besitzen, nicht vorhanden ist. Anhand theoretischer Berechnungen kann die Ursache f{\"u}r dieses Verhalten darauf zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden, dass von allen d-Orbitalen einzig das dz2-Orbital mit dem Substrat geeignet hybridisiert, um eine Kondo-Abschirmung zu erzeugen. Da ausschließlich MnPc einen unkompensierten Spin in diesem Orbital besitzt, kann die An- bzw. Abwesenheit des Kondo-Effekts auf die unterschiedliche Besetzung des dz2-Orbitals zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Neben der eben erw{\"a}hnten Kondo-Resonanz ist bei MnPc ein weiteres Merkmal am Fermi- Niveau {\"u}berlagert. Durch die Analyse der r{\"a}umlichen Verteilung, den Vergleich mit anderen Molek{\"u}len und der Manipulation des MnPc-Molek{\"u}ls kann gezeigt werden, dass es sich bei diesem Merkmal um einen d-Orbitalzustand handelt. Die Manipulation des Molek{\"u}ls durch gezieltes Entfernen von Wasserstoffatomen erm{\"o}glicht dar{\"u}ber hinaus die St{\"a}rke der Kondo-Abschirmung zu beeinflussen. In der zweiten H{\"a}lfte der experimentellen Auswertung werden Molek{\"u}le auf bismutinduzierten Oberfl{\"a}chenlegierungen der Edelmetalle Cu(111) und Ag(111) untersucht. Diese Legierungen zeichnen sich durch einen ausgepr{\"a}gten Rashba-Effekt aus, der durch eine Aufspaltung der Parabeldispersion und Aufhebung der Spin-Entartung im zweidimensionalen Elektronengas der Oberfl{\"a}chenlegierung charakterisiert ist. Das Wachstumsverhalten von CuPc und MnPc auf diesen Oberfl{\"a}chen zeigt ein sehr gegens{\"a}tzliches Verhalten. W{\"a}hrend bei MnPc die Substrat-Molek{\"u}l-Wechselwirkung dominant ist, wodurch diese Molek{\"u}le immer einen festen Adsorptionsplatz auf der Oberfl{\"a}che besitzen, ist diese Wechselwirkung bei CuPc schwach ausgepr{\"a}gt. Aus diesem Grund wandern die CuPc-Molek{\"u}le zu den Stufenkanten und bilden Cluster. Das unterschiedliche Wachstumsverhalten der Molek{\"u}le l{\"a}sst sich auf die partiell-gef{\"u}llten d-Orbitale von MnPc zur{\"u}ckf{\"u}hren, die aus der Molek{\"u}lebene ragen, mit dem Substrat hybridisieren und damit das Molek{\"u}l an das Substrat binden. Bei CuPc hingegen sind diese d-Orbitale gef{\"u}llt und die Hybridisierung kann nicht stattfinden. Im letzten Abschnitt werden die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von MnPc auf diesen Substraten behandelt, die einige Besonderheiten aufweisen. So bildet sich durch die Adsorption des Molek{\"u}ls auf den Oberfl{\"a}chen eine Grenzschichtresonanz aus, die eine partielle F{\"u}llung erkennen l{\"a}sst. Spektroskopiedaten, aufgenommen am Ort der Grenzschichtresonanz, weisen eine symmetrisch um das Fermi-Niveau aufgespaltene Resonanz auf. Die Intensit{\"a}t der unter- und oberhalb der Fermi-Energie befindlichen Resonanz zeigen dabei ein komplement{\"a}res Verhalten bzgl. der jeweiligen Lage auf der Grenzschichtresonanz: An den Orten, an denen die Resonanz unterhalb des Fermi-Niveaus ihre maximale Intensit{\"a}t besitzt, ist die Resonanz oberhalb des Fermi-Niveaus nicht vorhanden und umgekehrt. Diese experimentellen Beobachtungen werden mit einem Modellansatz erkl{\"a}rt, welcher die Wirkung eines effektiven Magnetfeldes und eine Spin-Filterung postuliert.},
  subject      = {Phthalocyanin},
  language  = {de}
}