Dokument-ID Dokumenttyp Verfasser/Autoren Herausgeber Haupttitel Abstract Auflage Verlagsort Verlag Erscheinungsjahr Seitenzahl Schriftenreihe Titel Schriftenreihe Bandzahl ISBN Quelle der Hochschulschrift Konferenzname Quelle:Titel Quelle:Jahrgang Quelle:Heftnummer Quelle:Erste Seite Quelle:Letzte Seite URN DOI Abteilungen OPUS4-6533 Dissertation Bentmann, Hendrik Spin-Bahn-Kopplung in Grenzschichten: Mikroskopische Zusammenhänge und Strategien zur Manipulation Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Spin-Bahn-Kopplung (SBK) auf die zweidimensionale elektronische Struktur von Festkörperoberflächen und -grenzflächen. Aufgrund der strukturellen Inversionsasymmetrie kann die SBK in derartigen Systemen eine Spinaufspaltung der elektronischen Zustände herbeiführen und eine charakteristische impulsabhängige Spinstruktur induzieren (Rashba-Effekt). Die Studien in dieser Arbeit sind zum einen darauf gerichtet, das physikalische Verständnis der mikroskopischen Zusammenhänge, die die Spinaufspaltung und die Spinorientierung elektronischer Zustände an Grenzflächen bestimmen, zu verbessern. Des Weiteren sollen Möglichkeiten zur Manipulation der SBK durch kontrollierte Variationen chemischer und struktureller Grenzflächenparameter erforscht werden. Als Modellsysteme für diese Fragestellungen dienen die isostrukturellen Oberflächenlegierungen BiCu2 und BiAg2, deren elektronische Struktur mittels winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (ARPES) und spinaufgelöster ARPES untersucht wird. Die Resultate der Experimente werden mithilfe von ab initio-Rechnungen und einfacheren Modellbetrachtungen interpretiert. Die Arbeit schließt mit einer ausblickenden Präsentation von Experimenten zu dem topologischen Isolator Bi2Se3(0001). Vergleichende ARPES-Messungen zu BiAg2/Ag(111) und BiCu2/Cu(111) zeigen, dass bereits geringe Unterschiede in der Grenzschichtmorphologie die Größe der Spinaufspaltung in der elektronischen Struktur um ein Vielfaches verändern können. Zudem belegen spinaufgelöste Experimente eine invertierte Spinorientierung der elektronischen Zustände in BiCu2 im Vergleich mit dem Referenzsystem Au(111). Beide Resultate können durch eine theoretische Analyse des Potentialprofils und der elektronischen Ladungsverteilung senkrecht zu der Grenzfläche in Kombination mit einfachen Modellbetrachtungen verstanden werden. Es stellt sich heraus, dass Asymmetrien in der Ladungsverteilung das direkte mikroskopische Bindeglied zwischen der Spinstruktur des elektronischen Systems und den strukturellen und chemischen Parametern der Grenzschicht bilden. Weitergehende ARPES-Experimente zeigen, dass die spinabhängige elektronische Struktur zudem signifikant durch die Symmetrie des Potentials parallel zu der Grenzflächenebene beeinflusst wird. Eine Manipulation der SBK wird in BiCu2 durch die Deposition von Adatomen erreicht. Hierdurch gelingt es, die Spinaufspaltung sowohl zu vergrößern (Na-Adsorption) als auch zu verringern (Xe-Adsorption). ARPES-Experimente an dem ternären Schichtsystem BiAg2/Ag/Au(111) belegen erstmalig eine Kopplung zwischen elektronischen Bändern mit entgegengesetztem Spincharakter in einem zweidimensionalen System mit Spinaufspaltung (Interband-Spin-Bahn-Kopplung). Der zugrundeliegende Kopplungsmechanismus steht in bemerkenswerter Analogie zu den Auswirkungen der SBK auf die spinpolarisierte elektronische Struktur in ferromagnetischen Systemen. Variationen in der Schichtdicke des Ag-Substratfilms erlauben es, die Stärke der Interband-SBK zu manipulieren. 2012 urn:nbn:de:bvb:20-opus-76963 Physikalisches Institut OPUS4-12972 Wissenschaftlicher Artikel Bentmann, Hendrik; Reinert, Friedrich Enhancing and reducing the Rashba-splitting at surfaces by adsorbates: Na and Xe on Bi/Cu(111) The surface alloy Bi/Cu(111) shows a paradigmatic free-electron-like surface state with a very large Rashba-type spin-orbit splitting. Using angle-resolved photoemission we investigate how adsorbates of different chemical nature influence the size of the spin splitting in this system. We find that the adsorption of small amounts of monovalent Na atoms leads to an enhancement of the spin splitting while an overlayer of the closed-shell rare gas Xe causes a reduction. The latter result is in contrast to the Au(111) surface for which an increased splitting size after Xe-adsorption was observed. We discuss these experimental findings in terms of the characteristic differences of the surface state wave functions and their spatial deformation in the presence of different types of adsorbates. Our results provide insight into the complex interplay of atomic and interface potential gradients governing the Rashba effect. 2013 New Journal of Physics 15 115011 urn:nbn:de:bvb:20-opus-129722 10.1088/1367-2630/15/11/115011 Physikalisches Institut OPUS4-11946 Wissenschaftlicher Artikel Fiedler, Sebastian; El-Kareh, Lydia; Eremeev, Sergey V.; Tereshchenko, Oleg E.; Seibel, Christoph; Lutz, Peter; Kokh, Konstantin A.; Chulkov, Evgueni V.; Kuznetsova, Tatyana V.; Grebennikov, Vladimir I.; Bentmann, Hendrik; Bode, Matthias; Reinert, Friedrich Defect and structural imperfection effects on the electronic properties of BiTeI surfaces The surface electronic structure of the narrow-gap seminconductor BiTeI exhibits a large Rashba-splitting which strongly depends on the surface termination. Here we report on a detailed investigation of the surface morphology and electronic properties of cleaved BiTeI single crystals by scanning tunneling microscopy, photoelectron spectroscopy (ARPES, XPS), electron diffraction (SPA-LEED) and density functional theory calculations. Our measurements confirm a previously reported coexistence of Te- and I-terminated surface areas originating from bulk stacking faults and find a characteristic length scale of ~100 nm for these areas. We show that the two terminations exhibit distinct types of atomic defects in the surface and subsurface layers. For electronic states resided on the I terminations we observe an energy shift depending on the time after cleavage. This aging effect is successfully mimicked by depositon of Cs adatoms found to accumulate on top of the I terminations. As shown theoretically on a microscopic scale, this preferential adsorbing behaviour results from considerably different energetics and surface diffusion lengths at the two terminations. Our investigations provide insight into the importance of structural imperfections as well as intrinsic and extrinsic defects on the electronic properties of BiTeI surfaces and their temporal stability. 2014 New Journal of Physics 16 075013 urn:nbn:de:bvb:20-opus-119467 10.1088/1367-2630/16/7/075013 Physikalisches Institut OPUS4-11278 Wissenschaftlicher Artikel El-Kareh, Lydia; Bihlmayer, Gustav; Buchter, Arne; Bentmann, Hendrik; Blügel, Stefan; Reinert, Friedrich; Bode, Matthias A combined experimental and theoretical study of Rashba-split surface states on the ( √3x√3) Pb/Ag (111)R30° surface We report on a combined low-temperature scanning tunneling spectroscopy (STS), angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), and density functional theory (DFT) investigation of the ( √3x√3) Pb/Ag (111)R30° surface alloy which provides a giant Rashba-type spin splitting. With STS we observed spectroscopic features that are assigned to two hole-like Rashba-split bands in the unoccupied energy range. By means of STS and quantum interference mapping we determine the band onsets, splitting strengths, and dispersions for both bands. The unambiguous assignment of scattering vectors is achieved by comparison to ARPES measurements. While intra-band scattering is found for both Rashba bands, inter-band scattering is only observed in the occupied energy range. Spin- and orbitally-resolved band structures were obtained by DFT calculations. Considering the scattering between states of different spin- and orbital character, the apparent deviation between experimentally observed scattering events and the theoretically predicted spin polarization could be resolved. 2014 urn:nbn:de:bvb:20-opus-112786 doi:10.1088/1367-2630/16/4/045017 Physikalisches Institut OPUS4-17376 Wissenschaftlicher Artikel Maaß, Henriette; Bentmann, Hendrik; Seibel, Christoph; Tusche, Christian; Eremeev, Sergey V.; Peixoto, Thiago R.F.; Tereshchenko, Oleg E.; Kokh, Konstantin A.; Chulkov, Evgueni V.; Kirschner, Jürgen; Reinert, Friedrich Spin-texture inversion in the giant Rashba semiconductor BiTeI Semiconductors with strong spin-orbit interaction as the underlying mechanism for the generation of spin-polarized electrons are showing potential for applications in spintronic devices. Unveiling the full spin texture in momentum space for such materials and its relation to the microscopic structure of the electronic wave functions is experimentally challenging and yet essential for exploiting spin-orbit effects for spin manipulation. Here we employ a state-of-the-art photoelectron momentum microscope with a multichannel spin filter to directly image the spin texture of the layered polar semiconductor BiTeI within the full two-dimensional momentum plane. Our experimental results, supported by relativistic ab initio calculations, demonstrate that the valence and conduction band electrons in BiTeI have spin textures of opposite chirality and of pronounced orbital dependence beyond the standard Rashba model, the latter giving rise to strong optical selection-rule effects on the photoelectron spin polarization. These observations open avenues for spin-texture manipulation by atomic-layer and charge carrier control in polar semiconductors. 2016 Nature Communications 7 urn:nbn:de:bvb:20-opus-173769 10.1038/ncomms11621 Physikalisches Institut OPUS4-23068 Wissenschaftlicher Artikel Peixoto, Thiago R. F.; Bentmann, Hendrik; Rüßmann, Philipp; Tcakaev, Abdul-Vakhab; Winnerlein, Martin; Schreyeck, Steffen; Schatz, Sonja; Vidal, Raphael Crespo; Stier, Fabian; Zabolotnyy, Volodymyr; Green, Robert J.; Min, Chul Hee; Fornari, Celso I.; Maaß, Henriette; Vasili, Hari Babu; Gargiani, Pierluigi; Valvidares, Manuel; Barla, Alessandro; Buck, Jens; Hoesch, Moritz; Diekmann, Florian; Rohlf, Sebastian; Kalläne, Matthias; Rossnagel, Kai; Gould, Charles; Brunner, Karl; Blügel, Stefan; Hinkov, Vladimir; Molenkamp, Laurens W.; Friedrich, Reinert Non-local effect of impurity states on the exchange coupling mechanism in magnetic topological insulators Since the discovery of the quantum anomalous Hall (QAH) effect in the magnetically doped topological insulators (MTI) Cr:(Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) and V:(Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\), the search for the magnetic coupling mechanisms underlying the onset of ferromagnetism has been a central issue, and a variety of different scenarios have been put forward. By combining resonant photoemission, X-ray magnetic circular dichroism and density functional theory, we determine the local electronic and magnetic configurations of V and Cr impurities in (Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\). State-of-the-art first-principles calculations find pronounced differences in their 3d densities of states, and show how these impurity states mediate characteristic short-range pd exchange interactions, whose strength sensitively varies with the position of the 3d states relative to the Fermi level. Measurements on films with varying host stoichiometry support this trend. Our results explain, in an unified picture, the origins of the observed magnetic properties, and establish the essential role of impurity-state-mediated exchange interactions in the magnetism of MTI. 2020 NPJ Quantum Materials 5 urn:nbn:de:bvb:20-opus-230686 10.1038/s41535-020-00288-0 Physikalisches Institut