@phdthesis{Reis2022,
  author    = {Reis, Felix},
  title     = {Realization and Spectroscopy of the Quantum Spin Hall Insulator Bismuthene on Silicon Carbide},
  doi       = {10.25972/OPUS-25825},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-258250},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Topological matter is one of the most vibrant research fields of contemporary solid state physics since the theoretical prediction of the quantum spin Hall effect in graphene in 2005. Quantum spin Hall insulators possess a vanishing bulk conductivity but symmetry-protected, helical edge states that give rise to dissipationless charge transport. The experimental verification of this exotic state of matter in 2007 lead to a boost of research activity in this field, inspired by possible ground-breaking future applications. However, the use of the quantum spin Hall materials available to date is limited to cryogenic temperatures owing to their comparably small bulk band gaps. In this thesis, we follow a novel approach to realize a quantum spin Hall material with a large energy gap and epitaxially grow bismuthene, i.e., Bi atoms adopting a honeycomb lattice, in a \((\sqrt{3}\times\sqrt{3})\) reconstruction on the semiconductor SiC(0001). In this way, we profit both from the honeycomb symmetry as well as the large spin-orbit coupling of Bi, which, in combination, give rise to a topologically non-trivial band gap on the order of one electronvolt. An in-depth theoretical analysis demonstrates that the covalent bond between the Si and Bi atoms is not only stabilizing the Bi film but is pivotal to attain the quantum spin Hall phase. The preparation of high-quality, unreconstructed SiC(0001) substrates sets the basis for the formation of bismuthene and requires an extensive procedure in ultra-pure dry H\(_2\) gas. Scanning tunneling microscopy measurements unveil the (\(1\times1\)) surface periodicity and smooth terrace planes, which are suitable for the growth of single Bi layers by means of molecular beam epitaxy. The chemical configuration of the resulting Bi film and its oxidation upon exposure to ambient atmosphere are inspected with X-ray photoelectron spectroscopy. Angle-resolved photoelectron spectroscopy reveals the excellent agreement of probed and calculated band structure. In particular, it evidences a characteristic Rashba-splitting of the valence bands at the K point. Scanning tunneling spectroscopy probes signatures of this splitting, as well, and allows to determine the full band gap with a magnitude of \(E_\text{gap}\approx0.8\,\text{eV}\). Constant-current images and local-density-of-state maps confirm the presence of a planar honeycomb lattice, which forms several domains due to different, yet equivalent, nucleation sites of the (\(\sqrt{3}\times\sqrt{3}\))-Bi reconstruction. Differential conductivity measurements demonstrate that bismuthene edge states evolve at atomic steps of the SiC substrate. The probed, metallic local density of states is in agreement with the density of states expected from the edge state's energy dispersion found in density functional theory calculations - besides a pronounced dip at the Fermi level. By means of temperature- and energy-dependent tunneling spectroscopy it is shown that the spectral properties of this suppressed density of states are successfully captured in the framework of the Tomonaga-Luttinger liquid theory and most likely originate from enhanced electronic correlations in the edge channel.},
  subject      = {Zweidimensionales Material},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Leisegang2021,
  author    = {Leisegang, Markus},
  title     = {Eine neue Methode zur Detektion ballistischen Transports im Rastertunnelmikroskop: Die Molekulare Nanosonde},
  doi       = {10.25972/OPUS-25076},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-250762},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Verlustarmer Ladungstr{\"a}gertransport ist f{\"u}r die Realisierung effizienter und kleiner elektronischer Bauteile von großem Interesse. Dies hilft entstehende W{\"a}rme zu minimieren und den Energieverbrauch gleichzeitig zu reduzieren. Einzelne Streuprozesse, die den Verlust bei Ladungstr{\"a}gertransport bestimmen, laufen jedoch auf L{\"a}ngenskalen von Nano- bis Mikrometern ab. Um diese detailliert untersuchen zu k{\"o}nnen, bedarf es Messmethoden mit hoher zeitlicher oder {\"o}rtlicher Aufl{\"o}sung. F{\"u}r Letztere gibt es wenige etablierte Experimente, h{\"a}ufig basierend auf der Rastertunnelmikroskopie, welche jedoch verschiedenen Einschr{\"a}nkungen unterliegen. Um die M{\"o}glichkeiten der Detektion von Ladungstr{\"a}gertransport auf Distanzen der mittleren freien Wegl{\"a}nge und damit im ballistischen Regime zu verbessern, wurde im Rahmen dieser Dissertation die Molekulare Nanosonde charakterisiert und etabliert. Diese Messmethode nutzt ein einzelnes Molek{\"u}l als Detektor f{\"u}r Ladungstr{\"a}ger, welche mit der Sondenspitze des Rastertunnelmikroskops (RTM) wenige Nanometer entfernt vom Molek{\"u}l in das untersuchte Substrat injiziert werden. Die hohe Aufl{\"o}sung des RTM in Kombination mit der geringen Ausdehnung des molekularen Detektors erm{\"o}glicht dabei atomare Kontrolle von Transportpfaden {\"u}ber wenige Nanometer. Der erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Charakterisierung der Molekularen Nanosonde. Hierf{\"u}r werden zun{\"a}chst die elektronischen Eigenschaften dreier Phthalocyanine mittels Rastertunnelspektroskpie untersucht, welche im Folgenden zur Charakterisierung des Molek{\"u}ls als Detektor Anwendung finden. Die anschließende Analyse der Potentiallandschaft der Tautomerisation von H2Pc und HPc zeigt, dass die NH- Streckschwinung einem effizienten Schaltprozess zu Grunde liegt. Darauf basierend wird der Einfluss der Umgebung anhand von einzelnen Adatomen sowie des Substrats selbst auf den molekularen Schalter analysiert. In beiden F{\"a}llen zeigt sich eine signifikante {\"A}nderung der Potentiallandschaft der Tautomerisation. Anschließend wird der Einfluss geometrischer Eigenschaften des Molek{\"u}ls selbst untersucht, wobei sich eine Entkopplung vom Substrat auf Grund von dreidimensionalen tert-Butyl-Substituenten ergibt. Zus{\"a}tzlich zeigt sich bei dem Vergleich von Naphthalocyanin zu Phthalocyanin der Einfluss lateraler Ausdehnung auf die Detektionsfl{\"a}che, was einen nicht-punktf{\"o}rmigen Detektor best{\"a}tigt. Im letzten Abschnitt werden zwei Anwendungen der Molekularen Nanosonde pr{\"a}sentiert. Zun{\"a}chst wird mit Phthalocyanin auf Ag(111) demonstriert, dass die Interferenz von ballistischen Ladungstr{\"a}gern auf Distanzen von wenigen Nanometern mit dieser Technik detektierbar ist. Im zweiten Teil zeigt sich, dass der ballistische Transport auf einer Pd(110)-Oberfl{\"a}che durch die anisotrope Reihenstruktur auf atomarer Skala moduliert wird.},
  subject      = {Rastertunnelmikroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Adler2021,
  author    = {Adler, Florian Rudolf},
  title     = {Electronic Correlations in Two-dimensional Triangular Adatom Lattices},
  doi       = {10.25972/OPUS-24175},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-241758},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Two-dimensional triangular lattices of group IV adatoms on semiconductor substrates provide a rich playground for the investigation of Mott-Hubbard physics. The possibility to combine various types of adatoms and substrates makes members of this material class versatile model systems to study the influence of correlation strength, band filling and spin-orbit coupling on the electronic structure - both experimentally and with dedicated many-body calculation techniques. The latter predict exotic ground states such as chiral superconductivity or spin liquid behavior for these frustrated lattices, however, experimental confirmation is still lacking. In this work, three different systems, namely the \(\alpha\)-phases of Sn/SiC(0001), Pb/Si(111), and potassium-doped Sn/Si(111) are investigated with scanning tunneling microscopy and photoemission spectroscopy in this regard. The results are potentially relevant for spintronic applications or quantum computing. For the novel group IV triangular lattice Sn/SiC(0001), a combined experimental and theoretical study reveals that the system features surprisingly strong electronic correlations because they are boosted by the substrate through its partly ionic character and weak screening capabilities. Interestingly, the spectral function, measured for the first time via angle-resolved photoemission, does not show any additional superstructure beyond the intrinsic \(\sqrt{3} \times \sqrt{3} R30^{\circ}\) reconstruction, thereby raising curiosity regarding the ground-state spin pattern. For Pb/Si(111), preceding studies have noted a phase transition of the surface reconstruction from \(\sqrt{3} \times \sqrt{3} R30^{\circ}\) to \(3 \times 3\) at 86 K. In this thesis, investigations of the low-temperature phase with high-resolution scanning tunneling microscopy and spectroscopy unveil the formation of a charge-ordered ground state. It is disentangled from a concomitant structural rearrangement which is found to be 2-up/1-down, in contrast to previous predictions. Applying an extended variational cluster approach, a phase diagram of local and nonlocal Coulomb interactions is mapped out. Based on a comparison of theoretical spectral functions with scattering vectors found via quasiparticle interference, Pb/Si(111) is placed in said phase diagram and electronic correlations are found to be the driving force of the charge-ordered state. In order to realize a doped Mott insulator in a frustrated geometry, potassium was evaporated onto the well-known correlated Sn/Si(111) system. Instead of the expected insulator-to-metal transition, scanning tunneling spectroscopy data indicates that the electronic structure of Sn/Si(111) is only affected locally around potassium atoms while a metallization is suppressed. The potassium atoms were found to be adsorbed on empty \(T_4\) sites of the substrate which eventually leads to the formation of two types of K-Sn alloys with a relative potassium content of 1/3 and 1/2, respectively. Complementary measurements of the spectral function via angle-resolved photoemission reveal that the lower Hubbard band of Sn/Si(111) gradually changes its shape upon potassium deposition. Once the tin and potassium portion on the surface are equal, this evolution is complete and the system can be described as a band insulator without the need to include Coulomb interactions.},
  subject      = {Rastertunnelmikroskopie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Bathon2021,
  author    = {Bathon, Thomas},
  title     = {Gezielte Manipulation Topologischer Isolatoren},
  doi       = {10.25972/OPUS-23920},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-239204},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Neue physikalische Erkenntnisse vervollst{\"a}ndigen die Sicht auf die Welt und erschließen gleichzeitig Wege f{\"u}r Folgeexperimente und technische Anwendungen. Das letzte Jahrzehnt der Festk{\"o}rperforschung war vom zunehmenden Fokus der theoretischen und experimentellen Erkundung topologischer Materialien gepr{\"a}gt. Eine fundamentale Eigenschaft ist ihre Resistenz gegen{\"u}ber solchen St{\"o}rungen, welche spezielle physikalische Symmetrien nicht verletzen. Insbesondere die Topologischen Isolatoren - Halbleiter mit isolierenden Volumen- sowie gleichzeitig leitenden und spinpolarisierten Oberfl{\"a}chenzust{\"a}nden - sind vielversprechende Kandidaten zur Realisierung breitgef{\"a}cherter spintronischer Einsatzgebiete. Bis zur Verwirklichung von Quantencomputern und anderer, heute noch exotisch anmutender Konzepte bedarf es allerdings ein umfassenderes Verst{\"a}ndnis der grundlegenden, physikalischen Zusammenh{\"a}nge. Diese kommen vor allem an Grenzfl{\"a}chen zum Tragen, weshalb oberfl{\"a}chensensitive Methoden bei der Entdeckung der Topologischen Isolatoren eine wichtige Rolle spielten. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher strukturelle, elektronische und magnetische Eigenschaften Topologischer Isolatoren mittels Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie sowie begleitenden Methoden untersucht. Die Ver{\"a}nderung der Element-Ausgangskonzentration w{\"a}hrend dem Wachstum des prototypischen Topologischen Isolators Bi2Te3 f{\"u}hrt zur Realisierung eines topologischen p-n {\"U}bergangs innerhalb des Kristalls. Bei einem spezifischen Verh{\"a}ltnis von Bi zu Te in der Schmelze kommt es aufgrund unterschiedlicher Erstarrungstemperaturen der Komponenten zu einer Ansammlung von Bi- und Te-reichen Gegenden an den gegen{\"u}berliegenden Enden des Kristalls. In diesen bildet sich infolge des jeweiligen Element{\"u}berschusses durch Kristallersetzungen und -fehlstellen eine Dotierung des Materials aus. Daraus resultiert die Existenz eines {\"U}bergangsbereiches, welcher durch Transportmessungen verifiziert werden kann. Mit der r{\"a}umlich aufl{\"o}senden Rastertunnelmikroskopie wird diese Gegend lokalisiert und strukturell sowie elektronisch untersucht. Innerhalb des {\"U}bergangsbereiches treten charakteristische Kristalldefekte beider Arten auf - eine Defektunterdr{\"u}ckung bleibt folglich aus. Dennoch ist dort der Beitrag der Defekte zum Stromtransport aufgrund ihres gegens{\"a}tzlichen Dotiercharakters vernachl{\"a}ssigbar, sodass der topologische Oberfl{\"a}chenzustand die maßgeblichen physikalischen Eigenschaften bestimmt. Dar{\"u}ber hinaus tritt der {\"U}bergangsbereich in energetischen und r{\"a}umlichen Gr{\"o}ßenordnungen auf, die Anwendungen bei Raumtemperatur denkbar machen. Neben der Ver{\"a}nderung Topologischer Isolatoren durch den gezielten Einsatz intrinsischer Kristalldefekte bieten magnetische St{\"o}rungen die M{\"o}glichkeit zur Pr{\"u}fung des topologischen Oberfl{\"a}chenzustandes auf dessen Widerstandsf{\"a}higkeit sowie der gegenseitigen Wechselwirkungen. Die Zeitumkehrinvarianz ist urs{\"a}chlich f{\"u}r den topologischen Schutz des Oberfl{\"a}chenzustandes, weshalb magnetische Oberfl{\"a}chen- und Volumendotierung diese Symmetrie brechen und zu neuartigem Verhalten f{\"u}hren kann. Die Oberfl{\"a}chendotierung Topologischer Isolatoren kann zu einer starken Bandverbiegung und einer energetischen Verschiebung des Fermi-Niveaus f{\"u}hren. Bei einer wohldosierten Menge der Adatome auf p-dotiertem Bi2Te3 kommt die Fermi-Energie innerhalb der Volumenzustands-Bandl{\"u}cke zum Liegen. Folglich wird bei Energien rund um das Fermi-Niveau lediglich der topologische Oberfl{\"a}chenzustand bev{\"o}lkert, welcher eine Wechselwirkung zwischen den Adatomen vermitteln kann. F{\"u}r Mn-Adatome kann R{\"u}ckstreuung beobachtet werden, die aufgrund der Zeitumkehrinvarianz in undotierten Topologischen Isolatoren verboten ist. Die {\"u}berraschenderweise starken und fokussierten Streuintensit{\"a}ten {\"u}ber mesoskopische Distanzen hinweg resultieren aus der ferromagnetischen Kopplung nahegelegener Adsorbate, was durch theoretische Berechnungen und R{\"o}ntgendichroismus-Untersuchungen best{\"a}tigt wird. Gleichwohl wird f{\"u}r die Proben ein superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Im Gegensatz dazu f{\"u}hrt die ausreichende Volumendotierung von Sb2Te3 mit V-Atomen zu einem weitreichend ferromagnetischen Verhalten. Erstaunlicherweise kann trotz der weitl{\"a}ufig verbreiteten Theorie Zeitumkehrinvarianz-gebrochener Dirac-Zust{\"a}nde und der experimentellen Entdeckung des Anormalen Quanten-Hall-Effektes in {\"a}hnlichen Probensystemen keinerlei Anzeichen einer spektroskopischen Bandl{\"u}cke beobachtet werden. Dies ist eine direkte Auswirkung der dualen Natur der magnetischen Adatome: W{\"a}hrend sie einerseits eine magnetisch induzierte Bandl{\"u}cke {\"o}ffnen, besetzen sie diese durch St{\"o}rstellenresonanzen wieder. Ihr stark lokaler Charakter kann durch die Aufnahme ihrer r{\"a}umlichen Verteilung aufgezeichnet werden und f{\"u}hrt zu einer Mobilit{\"a}ts-Bandl{\"u}cke, deren Indizien durch vergleichende Untersuchungen an undotiertem und dotiertem Sb2Te3 best{\"a}tigt werden.},
  subject      = {Rastertunnelmikroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Vogt2020,
  author    = {Vogt, Matthias Guido},
  title     = {Elektronische Eigenschaften von Wabengittern mit starker Spin-Bahn-Kopplung},
  doi       = {10.25972/OPUS-20750},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-207506},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektronischen Eigenschaften von Graphen auf Metalloberfl{\"a}chen mittels Rastertunnelmikroskopie und Quasiteilcheninterferenz (englisch quasiparticle interference, QPI)-Messungen untersucht. Durch das Verwenden schwerer Substrate sollte die Spin-Bahn-Wechselwirkung des Graphen verst{\"a}rkt werden und damit eine Bandl{\"u}cke am K-Punkt der Bandstruktur mittels QPI beobachtet werden. Um das Messen von QPI auf Graphen zu testen, wurde auf der Oberfl{\"a}che eines SiC(0001)-Kristalls durch Erhitzen Graphen erzeugt und mit dem Rastertunnelmikroskop untersucht. Dieses System wurde schon ausf{\"u}hrlich in der Literatur beschrieben und bereits bekannte QPI-Messungen von Streuringen, die auf den Dirac-Kegeln des Graphen am K-Punkt basieren, konnte ich auf gr/SiC(0001) in guter Qualit{\"a}t erfolgreich reproduzieren. Anschließend wurde Graphen nach einem wohlbekannten Verfahren durch Aufbringen von Ethylen auf ein erhitztes Ir(111)-Substrat erzeugt. Dieses gr/Ir(111)-System diente auch als Grundlage f{\"u}r Interkalationsversuche von Bismut (gr/Bi/Ir(111)) und Gadolinium (gr/Gd/Ir(111)) zwischen das Graphen und das Substrat. Auf gr/Bi/Ir(111) wurde ein schon aus der Literatur bekanntes Netzwerk aus Versetzungslinien beobachtet, dem zus{\"a}tzlich eine Temperaturabh{\"a}ngigkeit nachgewiesen werden konnte. Beim Versuch, Gadolinium zu interkalieren, wurden zwei verschieden Oberfl{\"a}chenstrukturen beobachtet, die auf eine unterschiedlich Anordnung bzw. Menge des interkalierten Gadoliniums zur{\"u}ckzuf{\"u}hren sein k{\"o}nnten. Auf keinem dieser drei Systeme konnten allerdings Streuringe mittels QPI beobachtet werden. Als Vorbereitung der Interkalation von Gadolinium wurden dessen Wachstum und magnetische Eigenschaften auf einem W(110)-Kristall untersucht. Dabei konnte eine aus der Literatur bekannte temperaturabh{\"a}ngige Austauschaufspaltung reproduziert werden. Dar{\"u}ber hinaus konnten sechs verschieden magnetische Dom{\"a}nen beobachtet werden. Zus{\"a}tzlich sind auf der Oberfl{\"a}che magnetische Streifen auszumachen, die m{\"o}glicherweise auf einer Spinspirale basieren. Als Grundlage f{\"u}r die m{\"o}gliche zuk{\"u}nftige Erzeugung Graphen-artiger Molek{\"u}lgitter wurde das Wachstum von H-TBTQ und Me-TBTQ auf Ag(111) untersucht. Die Molek{\"u}le richten sich dabei nach der Oberfl{\"a}chenstruktur des Silber aus und bilden l{\"a}ngliche Inseln, deren Kanten in drei Vorzugsrichtungen verlaufen. Auf H-TBTQ wurde zudem eine zweite, Windm{\"u}hlen-artige Ausrichtung der Molek{\"u}le auf der Oberfl{\"a}che beobachtet. Auf den mit den Molek{\"u}len bedeckten Stellen der Oberfl{\"a}che wurde eine Verschiebung des Ag-Oberfl{\"a}chenzustands beobachtet, die mit einem Ladungstransfer vom Ag(111)-Substrat auf die TBTQ-Molek{\"u}le zu erkl{\"a}ren sein k{\"o}nnte.},
  subject      = {Spin-Bahn-Wechselwirkung},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schuetz2020,
  author    = {Sch{\"u}tz, Philipp},
  title     = {Dimensionality-Driven Metal-Insulator Transition in Spin-Orbit-Coupled SrIrO\(_3\)},
  doi       = {10.25972/OPUS-21278},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-212781},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {In the past decades correlated-electron physics due to strong Coulomb interactions and topological physics caused by band inversion often induced by strong spin-orbit coupling have been the workhorses of solid state research. While commonly considered as disparate phenomena, it was realized in the early 2010s that the interplay between the comparably strong Coulomb and spin-orbit interactions in the \$5d\$ transition metal oxides may result in hitherto unforeseen properties. The layered perovskite Sr\$\textsubscript{2}\$IrO\$\textsubscript{4}\$ has attracted special attention due to the observation of an unconventional Mott-insulating phase and predictions of exotic superconductivity. Less is known about its three-dimensional counterpart SrIrO\$\textsubscript{3}\$, since rather than the cubic perovskite structure it adopts the thermodynamically stable hexagonal polymorph thereof. This thesis therefore sets out to establish the synthesis of epitaxially stabilized perovskite SrIrO\$\textsubscript{3}\$ by pulsed laser deposition and to investigate its electronic and magnetic structure by state-of-the-art x-ray spectroscopy techniques. In this endeavor the appropriate thermodynamic conditions for the growth of high-quality SrIrO\$\textsubscript{3}\$ are identified with a focus on the prevention of cation off-stoichiometry and the sustainment of layer-by-layer growth. In the thus-optimized films the cubic perovskite symmetry is broken by a tetragonal distortion due to epitaxial strain and additional cooperative rotations of the IrO\$\textsubscript{6}\$ octahedra. As a consequence of the thermodynamic instability of the IrO\$\textsubscript{2}\$ surface layer, the films unexpectedly undergo a conversion to a SrO termination during growth. In an attempt to disentangle the interplay between spin-orbit and Coulomb interaction the three-dimensional electronic structure of perovskite SrIrO\$\textsubscript{3}\$ is investigated in a combined experimental and theoretical approach using soft x-ray angle-resolved photoelectron spectroscopy and \textit{ab initio} density functional theory calculations. The experimentally found metallic ground state hosts coherent quasiparticle peaks with a well-defined Fermi surface and is theoretically described by a single half-filled band with effective total angular momentum \$J_\text{eff} = 1/2\$ only upon incorporation of a sizeable local Coulomb repulsion and -- to a lesser extent -- the broken cubic crystal symmetry in the film. Upon reduction of the SrIrO\$\textsubscript{3}\$ thickness below a threshold of four unit cells the scales are tipped in favor of a Mott-insulating phase as the on-site Coulomb repulsion surmounts the diminishing kinetic energy upon transition into the two-dimensional regime. Concomitantly, a structural transition occurs because the corner-shared octahedral network between substrate and film imposes constraints upon the IrO\$\textsubscript{6}\$ octahedral rotations in the thin-film limit. The striking similarity between the quasi-two-dimensional spin-orbit-induced Mott insulator Sr\$\textsubscript{2}\$IrO\$\textsubscript{4}\$ and SrO-terminated SrIrO\$\textsubscript{3}\$ in the monolayer limit underlines the importance of dimensionality for the metal-insulator transition and possibly opens a new avenue towards the realization of exotic superconductivity in iridate compounds. Whether the analogy between SrIrO\$\textsubscript{3}\$ in the two-dimensional limit and its Ruddlesden-Popper bulk counterparts extends to their complex magnetic properties ultimately remains an open question, although no indications for a remanent (anti)ferromagnetic order were found. The unprecedented observation of an x-ray magnetic circular dichroism at the O~\$K\$-absorption edge of iridium oxides in an external magnetic field promises deeper insights into the intricate connection between the \$J_\text{eff} = 1/2\$ pseudospin state, its hybridization with the oxygen ligand states and the magnetic order found in the Ruddlesden-Popper iridates.},
  subject      = {Festk{\"o}rperphysik},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Gabel2019,
  author    = {Gabel, Judith},
  title     = {Interface Engineering of Functional Oxides: A Photoemission Study},
  doi       = {10.25972/OPUS-19227},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-192275},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Due to their complex chemical structure transition metal oxides display many fascinating properties which conventional semiconductors lack. For this reason transition metal oxides hold a lot of promise for novel electronic functionalities. Just as in conventional semiconductor heterostructures, the interfaces between different materials play a key role in oxide electronics. The textbook example is the (001) interface between the band insulators LaAlO\(_3\) and SrTiO\(_3\) at which a two-dimensional electron system (2DES) forms. In order to utilize such a 2DES in prospective electronic devices, it is vital that the electronic properties of the interface can be controlled and manipulated at will. Employing photoelectron spectroscopy as well as electronic transport measurements, this thesis examines how such interface engineering can be realized in the case of the LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterostructure: By photoemission we manage to unambiguously distinguish the different mechanisms by which SrTiO\(_3\) can be doped with electrons. An electronic reconstruction is identified as the driving mechanism to render stoichiometric LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) interfaces metallic. The doping of the LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterointerface can furthermore be finely adjusted by changing the oxygen vacancy \(V_{\mathrm{O}}\) concentration in the heterostructure. Combining intense x-ray irradiation with oxygen dosing, we even achieve control over the \(V_{\mathrm{O}}\) concentration and, consequently, the doping in the photoemission experiment itself. Exploiting this method, we investigate how the band diagram of SrTiO\(_3\)-based heterostructures changes as a function of the \(V_{\mathrm{O}}\) concentration and temperature by hard x-ray photoemission spectroscopy. With the band bending in the SrTiO\(_3\) substrate changing as a function of the \(V_{\mathrm{O}}\) concentration, the interfacial band alignment is found to vary as well. The relative permittivity of the SrTiO\(_3\) substrate and, in particular, its dependence on temperature and electric field is identified as one of the essential parameters determining the electronic interface properties. That is also why the sample temperature affects the charge carrier distribution. The mobile charge carriers are shown to shift toward the SrTiO\(_3\) bulk when the sample temperature is lowered. This effect is, however, only pronounced if the total charge carrier concentration is small. At high charge carrier concentrations the charge carriers are always confined to the interface, independent of the sample temperature. The dependence of the electronic interface properties on the \(V_{\mathrm{O}}\) concentration is also investigated by a complementary method, viz. by electronic transport measurements. These experiments confirm that the mobile charge carrier concentration increases concomitantly to the \(V_{\mathrm{O}}\) concentration. The mobility of the charge carriers changes as well depending on the \(V_{\mathrm{O}}\) concentration. Comparing spectroscopy and transport results, we are able to draw conclusions about the processes limiting the mobility in electronic transport. We furthermore build a memristor device from our LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterostructures and demonstrate how interface engineering is used in practice in such novel electronic applications. This thesis furthermore investigates how the electronic structure of the 2DES is affected by the interface topology: We show that, akin to the (001) LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterointerface, an electronic reconstruction also renders the (111) interface between LaAlO\(_3\) and SrTiO\(_3\) metallic. The change in interface topology becomes evident in the Fermi surface of the buried 2DES which is probed by soft x-ray photoemission. Based on the asymmetry in the Fermi surface, we estimate the extension of the conductive layer in the (111)-oriented LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterostructure. The spectral function measured furthermore identifies the charge carriers at the interface as large polarons.},
  subject      = {{\"U}bergangsmetalloxide},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schmitt2019,
  author    = {Schmitt, Martin},
  title     = {Strukturanalyse und magnetische Eigenschaften von Ketten aus 3d-{\"U}bergangsmetalloxiden auf Ir(001) und Pt(001)},
  doi       = {10.25972/OPUS-19182},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-191823},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {In der vorliegenden Arbeit werden die strukturellen und magnetischen Eigenschaften verschiedener 3d-{\"U}bergangsmetalloxidketten (TMO-Ketten) auf Ir(001) und Pt(001) untersucht. Diese weisen eine (3 × 1) Struktur mit periodisch angeordneten Ketten auf, die nur {\"u}ber die Sauerstoffbindung an das Substrat gekoppelt sind. W{\"a}hrend die Struktur durch experimentelle und theoretische Untersuchungen best{\"a}tigt ist, liegen f{\"u}r die magnetischen Eigenschaften ausschließlich Rechnungen vor. Zur {\"U}berpr{\"u}fung dieser theoretischen Vorhersagen wird die Methode der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie (SP-STM) verwendet, die die Abbildung der magnetischen Ordnung mit atomarer Aufl{\"o}sung erlaubt. Die Untersuchungen beginnen mit der Vorstellung der Ir(001) Oberfl{\"a}che, die eine (5 × 1) Rekonstruktion aufweist. Eine Aufhebung dieser Rekonstruktion erreicht man durch das Heizen des Ir-Substrats in Sauerstoffatmosph{\"a}re unter Bildung einer (2 × 1) Sauerstoffrekonstruktion. Die Qualit{\"a}t der Oberfl{\"a}che h{\"a}ngt dabei von der Wachstumstemperatur T und dem verwendeten Sauerstoffdruck pOx ab. Die bei T = 550°C und pOx = 1 × 10^-8 mbar hergestellte Sauerstoffrektonstruktion dient als Ausgangspunkt f{\"u}r die folgenden Pr{\"a}parationen von CoO2, FeO2 und MnO2-Ketten. Dazu wird jeweils eine drittel Monolage (ML) des {\"U}bergangsmetalls auf die Oberfl{\"a}che des Substrates gedampft und die Probe unter Sauerstoffatmosph{\"a}re ein weiteres Mal geheizt. Auf diese Weise kann die (3 × 1) Struktur der bekannten Ketten best{\"a}tigt und die Gruppe der TMO-Ketten um die CrO2-Ketten erweitert werden. In der einschl{\"a}gigen Fachliteratur wurden Vorhersagen bez{\"u}glich der magnetischen Struktur der TMO-Ketten publiziert, wonach entlang und zwischen CoO2-Ketten eine ferromagnetische (FM) und f{\"u}r FeO2 und MnO2-Ketten eine antiferromagnetische (AFM-) Kopplung vorliegt.W{\"a}hrend die {\"U}berpr{\"u}fung dieser Vorhersagen mit SP-STM f{\"u}r CoO2 und CrO2-Ketten keine Hinweise auf magnetische Strukturen liefert, liegen bei FeO2 und MnO2-Ketten unterschiedliche magnetische Phasen vor. In der Tat kann mit den experimentell gefundenen Einheitszellen die AFM-Kopplung entlang beider Ketten best{\"a}tigt werden. Im Gegensatz widersprechen die Kopplungen zwischen den Ketten den Berechnungen. Bei FeO2-Ketten liegt eine stabile FM Ordnung vor, die zu einer magnetischen (3 × 2) Einheitszelle mit einer leichten Magnetisierung in Richtung der Oberfl{\"a}chennormalen f{\"u}hrt (out-of-plane). Die MnO2-Ketten weichen ebenfalls von der berechneten magnetischen kollinearen Ordnung zwischen benachbarten Ketten ab und zeigen eine chirale Struktur. Durch die Rotation der Mn-Spins um 120° in der Probenebenen (in-plane) entsteht eine magnetische (9 × 2) Einheitszelle, deren Periode durch neue DFT-Rechnungen best{\"a}tigt wird. Nach diesen Berechnungen handelt es sich um eine Spinspirale, die durch die Dzyaloshinskii-Moriya (DM-) Wechselwirkung bei einem Energiegewinn von 0,3 meV pro Mn-Atom gegen{\"u}ber den kollinearen FM Zustand stabilisiert wird. Diese wird {\"a}hnlich wie bei bereits publizierten Clustern und Adatomen auf Pt(111) durch die Rudermann-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY-) Wechselwirkung vermittelt und erkl{\"a}rt den experimentell gefundenen einheitlichen Drehsinn der Spiralen. Die RKKY-Wechselwirkung zeigt eine starke Abh{\"a}ngigkeit von der Fermi-Oberfl{\"a}che des Substrats. Im folgenden Kapitel werden deshalb mit TMO-Ketten auf Pt(001) die strukturellen und magnetischen Eigenschaften auf einem weiteren Substrat analysiert, wobei zum Zeitpunkt der Arbeit nur die Existenz der CoO2-Ketten aus der Literatur bekannt war. Vergleichbar mit Ir(001) besitzt auch Pt(001) eine rekonstruierte Oberfl{\"a}che, die sich aber stabil gegen{\"u}ber Oxidation zeigt. Dadurch muss die drittel ML des {\"U}bergangsmetalls direkt auf die Rekonstruktion aufgedampft werden. Das Wachstum des {\"U}bergangsmetalls ist dabei von der Temperatur des Substrats abh{\"a}ngig und beeinflusst das Ergebnis der nachfolgenden Oxidation. Diese erfolgt analog zum Wachstum der Ketten auf Ir(001) durch das Heizen der Probe in Sauerstoffatmosph{\"a}re und resultiert nur f{\"u}r das Aufdampfen des {\"U}bergangsmetalls auf kalte Pt(001) Oberfl{\"a}chen in Ketten mit der Periode von 3aPt. Auf diese Weise kann nicht nur die (3 × 1) Struktur der CoO2-Ketten best{\"a}tigt werden, sondern auch durch atomare Aufl{\"o}sung die Gruppe der TMO-Ketten um MnO2-Ketten auf Pt(001) erweitert werden. Im Gegensatz dazu sind die nicht magnetischen Messungen im Fall von Fe nicht eindeutig. Zwar liegen auch hier Ketten im Abstand des dreifachen Pt Gittervektors vor, trotzdem ist die (3 × 1) Struktur nicht nachweisbar. Dies liegt an einer Korrugation mit einer Periode von 2aPt entlang der Ketten, was ein Hinweis auf eine Peierls Instabilit{\"a}t sein kann. Entsprechend dem Vorgehen f{\"u}r Ir(001) werden f{\"u}r die TMO-Ketten auf Pt(001) SP-STM Messungen durchgef{\"u}hrt und die Vorhersage einer AFM-Kopplung f{\"u}r CoO2-Ketten {\"u}berpr{\"u}ft. Auch hier k{\"o}nnen, wie im Fall von CoO2-Ketten und im Widerspruch zur Vorhersage, f{\"u}r beide Polarisationsrichtungen der Spitze keine magnetischen Strukturen gefunden werden. Dar{\"u}ber hinaus verhalten sich die MnO2-Ketten auf Pt(001) mit ihrer chiralen magnetischen Struktur {\"a}hnlich zu denen auf Ir(001). Dies best{\"a}tigt die Annahme einer indirekten DM-Wechselwirkung, wobei durch die 72° Rotation der Mn-Spins eine l{\"a}ngere Periode der zykloidalen Spinspirale festgestellt wird. Die Erkl{\"a}rung daf{\"u}r liegt in der Abh{\"a}ngigkeit der RKKY-Wechselwirkung vom Fermi-Wellenvektor des Substrats, w{\"a}hrend sich die DM-Wechselwirkung beim {\"U}bergang von Ir zu Pt nur wenig {\"a}ndert.},
  subject      = {Rastertunnelmikroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Wilfert2019,
  author    = {Wilfert, Stefan},
  title     = {Rastertunnelmikroskopische und -spektroskopische Untersuchung von Supraleitern und topologischen Supraleitern},
  doi       = {10.25972/OPUS-18059},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-180597},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Quantencomputer k{\"o}nnen manche Probleme deutlich effizienter l{\"o}sen als klassische Rechner. Bisherige Umsetzungen leiden jedoch an einer zu geringen Dekoh{\"a}renzzeit, weshalb die Lebenszeit der Quantenzust{\"a}nde einen limitierenden Faktor darstellt. Topologisch gesch{\"u}tzte Anregungen, wie Majorana-Fermionen, k{\"o}nnten hingegen dieses Hindernis {\"u}berwinden. Diese lassen sich beispielsweise in topologischen Supraleitern realisieren. Bis zum jetzigen Zeitpunkt existieren nur wenige Materialien, die dieses Ph{\"a}nomen aufweisen. Daher ist das Verst{\"a}ndnis der elektronischen Eigenschaften f{\"u}r solche Verbindungen von großer Bedeutung. In dieser Dissertation wird die Koexistenz von Supraleitung an der Probenoberfl{\"a}che und topologischem Oberfl{\"a}chenzustand (engl. topological surface state, TSS) auf potentiellen topologischen Supraleitern {\"u}berpr{\"u}ft. Diese beiden Bedingungen sind essentiell zur Ausbildung von topologischer Supraleitung in zeitumkehrgesch{\"u}tzten Systemen. Hierzu wird mittels Landaulevelspektroskopie und Quasiteilcheninterferenz das Vorhandensein des TSS am Ferminiveau auf Tl\$_{x}\$Bi\$_{2}\$Te\$_{3}\$ und Nb\$_{x}\$Bi\$_{2}\$Se\$_{3}\$ verifiziert, die mittels Transportmessungen als supraleitend identifiziert wurden. Anschließend folgen hochaufgel{\"o}ste Spektroskopien an der Fermienergie, um die supraleitenden Eigenschaften zu analysieren. Zur Interpretation der analysierten Eigenschaften wird zu Beginn der Ni-haltige Schwere-Fermion-Supraleiter TlNi\$_{2}\$Se\$_{2}\$ untersucht, der eine vergleichbare {\"U}bergangstemperatur besitzt. Anhand diesem werden die g{\"a}ngigen Messmethoden der Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie f{\"u}r supraleitende Proben vorgestellt und die Leistungsf{\"a}higkeit der Messapparatur demonstriert. Im Einklang mit der Literatur zeigt sich ein \$s\$-Wellencharakter des Paarungsmechanismus sowie die Formation eines f{\"u}r Typ~II-Supraleiter typischen Abrikosov-Gitters in schwachen externen Magnetfeldern. Im folgenden Teil werden die potentiellen topologischen Supraleiter Tl\$_{x}\$Bi\$_{2}\$Te\$_{3}\$ und Nb\$_{x}\$Bi\$_{2}\$Se\$_{3}\$ begutachtet, f{\"u}r die eindeutig ein TSS best{\"a}tigt wird. Allerdings weisen beide Materialien keine Oberfl{\"a}chensupraleitung auf, was vermutlich durch eine Entkopplung der Oberfl{\"a}che vom Volumen durch Bandverbiegung zu erkl{\"a}ren ist. Unbeabsichtigte Kollisionen der Spitze mit der Probe f{\"u}hren jedoch zu supraleitenden Spitzen, die wesentlich erh{\"o}hte Werte f{\"u}r die kritische Temperatur und das kritische Feld zeigen. Der letzte Abschnitt widmet sich dem supraleitenden Substrat Nb(110), f{\"u}r den der Reinigungsprozess erl{\"a}utert wird. Hierbei sind kurze Heizschritte bis nahe des Schmelzpunktes n{\"o}tig, um die bei Umgebungsbedingungen entstehende Sauerstoffrekonstruktion effektiv zu entfernen. Des Weiteren werden die elektronischen Eigenschaften untersucht, die eine Oberfl{\"a}chenresonanz zum Vorschein bringen. Hochaufgel{\"o}ste Messungen lassen eine durch die BCS-Theorie gut repr{\"a}sentierte Struktur der supraleitenden Energiel{\"u}cke erkennen. Magnetfeldabh{\"a}ngige Experimente offenbaren zudem eine mit der Kristallstruktur vereinbare Anisotropie des Paarungspotentials. Mit diesen Erkenntnissen kann Nb(110) zuk{\"u}nftig als Ausgang f{\"u}r das Wachstum von topologischen Supraleitern herangezogen werden.},
  subject      = {Supraleitung},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Gross2019,
  author    = {Groß, Heiko},
  title     = {Controlling Light-Matter Interaction between Localized Surface Plasmons and Quantum Emitters},
  doi       = {10.25972/OPUS-19209},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-192097},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Metal nanostructures have been known for a long time to exhibit optical resonances via localized surface plasmons. The high electric fields in close proximity to the metal surface have prospects to dramatically change the dynamics of electronic transitions, such as an enhanced spontaneous decay rate of a single emitter. However, there have been two major issues which impede advances in the experimental realization of enhanced light-matter interaction. (i) The fabrication of high-quality resonant structures requires state-of-the-art patterning techniques in combination with superior materials. (ii) The tiny extension of the optical near-field requires precise control of the single emitter with respect to the nanostructure. This work demonstrates a solution to these problems by combining scanning probe and optical confocal microscopy. Here, a novel type of scanning probe is introduced which features a tip composed of the edge of a single crystalline gold sheet. The patterning via focused ion beam milling makes it possible to introduce a plasmonic nanoresonator directly at the apex of the tip. Numerical simulations demonstrate that the optical properties of this kind of scanning probe are ideal to analyze light-matter interaction. Detailed experimental studies investigate the coupling mechanism between a localized plasmon and single colloidal quantum dots by dynamically changing coupling strength via their spatial separation. The results have shown that weak interaction affects the shape of the fluorescence spectrum as well as the polarization. For the best probes it has been found that it is possible to reach the strong coupling regime at the single emitter level at room temperature. The resulting analysis of the experimental data and the proposed theoretical models has revealed the differences between the established far-field coupling and near-field coupling. It has been found that the broad bandwidth of plasmonic resonances are able to establish coherent coupling to multiple transitions simultaneously giving rise to an enhanced effective coupling strength. It has also been found that the current model to numerically calculate the effective mode volume is inaccurate in case of mesoscopic emitters and strong coupling. Finally, light-matter interaction is investigated by the means of a quantum-dot-decorated microtubule which is traversing a localized nearfield by gliding on kinesin proteins. This biological transport mechanism allows the parallel probing of a meta-surface with nm-precision. The results that have been put forward throughout this work have shed new light on the understanding of plasmonic light-matter interaction and might trigger ideas on how to more efficiently combine the power of localized electric fields and novel excitonic materials.},
  subject      = {Plasmon},
  language  = {en}
}