TY  - THES
A1  - Höpfner, Philipp Alexander
T1  - Two-Dimensional Electron Systems at Surfaces — Spin-Orbit Interaction and Electronic Correlations
T1  - Zweidimensionale Elektronensysteme auf Oberflächen — Spin-Bahn Wechselwirkung und elektronische Korrelationen
N2  - 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.
N2  - In der vorliegenden Arbeit werden drei unterschiedliche Beispiele für ein zweidimensionales Elektronensystem (2DES) auf der Oberfläche von Elementhalbleitern behandelt: Pt/Si(111), Au/Ge(111) und Sn/Si(111). Atomare Strukturen und deren spezielle Merkmale wurden mit Rastertunnelmikroskopie (STM) und Elektronenbeugung (LEED) untersucht, wobei ein Schwerpunkt die Abscheidung von Pt auf Si(111) war. Hervorzuheben ist hier die Anordnung von Pt Atomen als Trimere, die das Grundgerüst phasenverschobener Domänen bilden. Interessanterweise sind die Trimere um 30° gegenüber dem Substrat verdreht, was einen unerwarteten Symmetriebruch bedeutet. Daher stellt Pt/Si(111) ein einzigartiges Beispiel einer chiralen Struktur auf Halbleitern dar und könnte außerdem für katalytische Prozesse im atomaren Bereich interessant sein. Die Spin-Bahn Wechselwirkung ist auf Oberflächen, die schwere Elemente enthalten, von großer Bedeutung. Hier kann die Spin-Entartung in den elektronischen Zuständen aufgehoben sein, was als Rashba-Effekt bekannt ist. Rechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) zeigen, dass eine solche Aufspaltung in der hexagonalen Fermi-Fläche von Au/Ge(111) existiert. Experimentell wurde dies mit dreidimensionaler spin- und winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie bestätigt. Dabei folgt die planare Spin-Komponente einem kreisförmigen Umlaufsinn, während zudem eine starke Aufrichtung des Spins aus der Ebene hinaus entlang gerader Abschnitte der Fermi-Fläche auftritt. Hierbei wurden zum ersten Mal in einem 2DES zusätzliche Rotationen des planaren Spinanteils in der Oberflächenebene nahe von Hochsymmetrierichtungen nachgewiesen. Dieses komplexe Spin-Muster resultiert aus den kristallinen Anisotropien und kann exzellent modelliert werden, indem das Rashba-Modell um Dresselhaus-artige Spin-Bahn Terme höherer Ordnung erweitert wird. Die alternative Verwendung von Gruppe-IV Adatomen bei einer geringeren Bedeckung ändert die Eigenschaften eines 2DES deutlich. Kennzeichnend sind eine verstärkte Ladungsträger-Lokalisierung und ein von Korrelationen bestimmter Grundzustand. Dabei stellt Sn/Si(111) ein Modell-System dar, das zudem ein spin-frustriertes Dreiecksgitter bildet. In einem solchen fehlt üblicherweise die langreichweitige magnetische Ordnung und der Grundzustand ist entweder ein isolierender spiralförmiger Antiferromagnet (AF) oder eine Spin-Flüssigkeit. Zur Analyse des Wechselspiels von geometrischer Frustration und elektronischen Korrelationen dient die Ein-Teilchen Spektralfunktion als Basisgröße. Dazu wurden die sich ergänzenden Stärken von Bandstruktur-Rechnungen in der lokalen Dichtenäherung (LDA), winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie und Viel-Teilchen Modellen (hier LDA+DCA) kombiniert. Dabei wurde die Existenz eines Schattenbandes und einer Bandrückfaltung nachgewiesen, wobei letztere einen spiralförmigen AF als Grundzustand ausschließt. Vielmehr sind Hüpfprozesse über den nächsten Nachbarn im Gitter hinaus relevant und die spektralen Merkmale sind, trotz der Spin-Frustration, durch einen langreichweitigen kollinearen AF als Grundzustand erklärbar.
KW  - Halbleiteroberfläche
KW  - Elektronengas
KW  - Dimension 2
KW  - scanning tunneling microscopy
KW  - photoelectron spectroscopy
KW  - triangular lattice
KW  - Rashba effect
KW  - spin-orbit coupling
KW  - metal-to-insulator transition
KW  - Rastertunnelmikroskop
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - Dreiecksgitter
KW  - Rashba-Effekt
KW  - Spin-Bahn-Wechselwirkung
KW  - Metall-Isolator-Phasenumwandlung
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-78876
ER  - 
TY  - THES
A1  - Siddiki, Afif
T1  - Model calculations of current and density distributions in dissipative Hall bars
T1  - Model rechnungen der Strom- und dichteverteilung in dissipative Hall bars
N2  - In this work we examine within the self-consistent Thomas-Fermi-Poisson approach the low-temperature screening properties of a two-dimensional electron gas (2DEG) subjected to strong perpendicular magnetic fields. In chapter 3, numerical results for the unconfined 2DEG are compared with those for a simplified Hall-bar geometry realized by two different confinement models. It is shown that in the strongly nonlinear-screening limit of zero temperature the total variation of the screened potential is related by simple analytical expressions to the amplitude of an applied harmonic modulation potential and to the strength of the magnetic field. In chapter 4 we study the current and charge distribution in a two-dimensional electron system, under the conditions of the integer quantized Hall effect, on the basis of a quasilocal transport model, that includes nonlinear screening effects on the conductivity via the self-consistently calculated density profile. The existence of "incompressible strips" with integer Landau level filling factor is investigated within a Hartree-type approximation, and nonlocal effects on the conductivity along those strips are simulated by a suitable averaging procedure. This allows us to calculate the Hall and the longitudinal resistance as continuous functions of the magnetic field B, with plateaus of finite widths and the well-known, exactly quantized values. We emphasize the close relation between these plateaus and the existence of incompressible strips, and we show that for B values within these plateaus the potential variation across the Hall bar is very different from that for B values between adjacent plateaus, in agreement with recent experiments. We have improved on the previous chapter by a critical investigation of the impurity potential profiles and obtained reasonable estimates of the range and the amplitude of the potential fluctuations. We added a harmonic perturbation potential to the confining potential in order to generate the long-range-part of the overall impurity potential in the translation invariant model. This treatment of the long-range fluctuations allowed us to resolve apparent discrepancies such as the dependence of the QH plateau width on the mobility and to understand the crossing values of the high and low temperature Hall resistances. An interesting outcome of this model is that, it predicts different crossing values depending on the sample width and mobility. In chapter 6 we brie y report on theoretical and experimental investigations of a novel hysteresis effect that has been observed on the magneto-resistance (MR) of quantum-Hall (QH) bilayer systems in magnetic field (B) intervals, in which one layer is in a QH-plateau while the other is near an edge of a QH-plateau. We extend a recent approach to the QH effect, based on the Thomas-Fermi-Poisson theory and a local conductivity model to the bilayer system. This approach yields very different density and potential landscapes for the B-values at different edges of a QH plateau. Combining this with the knowledge about extremely long relaxation times to the thermodynamic equilibrium within the plateau regime, we simulate the hysteresis in the "active" current-carrying layer by freezing-in the electron density in the other, "passive", layer at the profile corresponding to the low-B edge of its QH plateau as B is swept up, and to the profile at the high-B edge as B is swept down. The calculated MR hysteresis is in good qualitative agreement with the experiment. If we use the equilibrium density profile, we obtain excellent agreement with an "equilibrium" measurement, in which the system was heated up to ~ 10K and cooled down again at each sweep step.
N2  - Diese Arbeit wurde durch Experimente zur Potential- und Stromverteilung in Quanten-Hall- Systemen motiviert, die in den letzten Jahren in der Abteilung von Klitzing am MPI für Festkörperforschung durchgeführt wurden und ergaben, dass elektrostatische Abschirmungseffekte in zweidimensionalen Elektronensystemen (2DES), die den ganzzahligen Quanten-Hall-Effekt (QHE) zeigen, sehr wichtig für das Verständnis der Stromverteilung innerhalb der Probe und der extremen Genauigkeit der gemessenen quantisierten Werte des Hall-Widerstands sind. Daraus ergab sich für die hier vorgelegte Arbeit das folgende Programm. Zunächst wird, nach einem einleitenden Kapitel, in Kapitel 2 der Formalismus vorgestellt, mit dem in den späteren Kapiteln Elektronendichten und elektrostatische Potentiale, die z.B. das 2DES auf eine Probe mit Streifengeometrie eingrenzen, selbstkonsistent berechnet werden. Diese Selbstkonsistenz besteht aus zwei Teilen. Erstens wird, bei vorgegebenem Potential, die Elektronendichte berechnet. Zweitens wird aus vorgegebener Ladungsverteilung, bestehend aus (positiven) Hintergrundladungen und der (im ersten Schritt berechneten) Elektronenladungsdichte, und geeigneten Randbedingungen (konstantes Potential auf metallischen Gates) durch Lösen der Poisson-Gleichung das elektrostatische Potential berechnet. Wenn wir im ersten Schritt, unter Berücksichtigung der Fermi-Dirac-Statistik, die Elektronendichte quantenmechanisch aus den Energieeigenfunktionen und -werten berechnen, erhalten wir die Hartree-Näherung, die die Dichte als nichtlokales Funktional des Potentials liefert. Wenn man die Ausdehnung der Wellenfunktionen auf der Längenskala, auf der sich das Potential typischerweise ändert, vernachlässigen kann, so vereinfacht sich die Hartree-Näherung zur Thomas- Fermi-Näherung, die einen lokalen Zusammenhang zwischen Elektronendichte und Potential beschreibt. Die meisten der konkreten Rechnungen wurden im Rahmen dieser selbstkonsistenten Thomas-Fermi-Poisson-Näherung durchgeführt. Im Kapitel 3 wird allgemein das Abschirmverhalten eines 2DES im hohen Magnetfeld untersucht. Wir betrachten die Antwort auf eine harmonische Potentialmodulation im unbegrenzten 2DES und in streifenförmig begrenzten Systemen mit zwei unterschiedlichen Arten von Randbedingungen. Bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern finden wir extrem nichtlineare Abschirmung. Im unbegrenzten 2DES charakterisieren wir die Abschirmung, indem wir die gesamte Variation des selbstkonsistent berechneten Potentials als Funktion der Amplitude des aufgeprägten cosinus-Potentials berechnen. Bei festem Magnetfeld ergeben sich so Stufenfunktionen, deren Gestalt stark vom Füllfaktor der Landau-Niveaus im homogenen Zustand ohne aufgeprägtes Potential abhängt (siehe Abbildungen 3.2- 3.6). Vielleicht noch unerwartetere Kurven ergeben sich, wenn man bei festem Modulationspotential die Varianz des selbstkonsistenten Potentials gegen das Magnetfeld B aufträgt (Abb. 3.9). Die Resultate lassen sich aber leicht verstehen und (bei Temperatur T = 0) in einem einfachen Schema (Abb. 3.7) zusammenfassen. Als ordnendes Prinzip stellt sich heraus, dass sich stets Zustände einstellen, in denen die Elektronendichte möglichst wenig von der bei verschwindendem Magnetfeld abweicht. Wenn die Zyklotronenergie groß gegen die thermische Energie kBT ist, erfordert das, dass in den großen Bereichen, in denen die Dichte variiert, ein Landau-Niveau unmittelbar an dem, im Gleichgewicht konstanten, elektrochemischen Potential liegen muss (En, “pinning”). Man nennt diese Bereiche kompressibel. In den kompressiblen Bereichen können Elektronen leicht umverteilt werden, d.h. die Dichte ist leicht veränderbar und in diesen Bereichen gibt es extrem effektive Abschirmung. Existieren kompressible Bereiche mit unterschiedlichen Landau-Niveaus (En) am elektrochemischen Potential, z.B. bei großer Modulation oder weil die Dichte zum Probenrand hin abnimmt, so gibt es zwischen benachbarten kompressiblen Bereichen mit unterschiedlichen Landau-Quantenzahlen n “inkompressible” Bereiche, in denen zwischen zwei Landau-Niveaus liegt. Dort sind alle Landau-Niveaus unterhalb von besetzt, die oberhalb leer. Folglich ist dort der Füllfaktor ganzzahlig und die Dichte konstant. Das Wechselspiel zwischen kompressiblen und inkompressiblen Bereichen bestimmt das Abschirmverhalten. Randeffekte erweisen sich nur in solchen Magnetfeldintervallen als wichtig für die Abschirmung im Inneren einer streifenförmigen Probe, in denen (schon ohne aufgeprägte Modulation) in der Probenmitte ein neuer inkompressibler Streifen entsteht. Im Kapitel 4 wird die Rolle der inkompressiblen Streifen in einer idealisierten, streifenförmigen Hall-Probe untersucht. Mithilfe einer lokalen Version des Ohmschen Gesetzes berechnen wir bei vorgegebenen Gesamtstrom die Stromdichte und das nun ortsabhängige elektrochemische Potential, dessen Gradient die Stromdichte treibt. Für den lokalen Leitfähigkeitstensor nehmen wir ein für homogenes 2DES berechnetes Resultat und ersetzen den Füllfaktor jeweils durch den lokalen Wert. Dadurch ergibt sich, dass bei Existenz inkompressibler Streifen der gesamte Strom auf diese Streifen eingeschränkt ist, in denen die Komponenten des spezifischen Widerstands die Werte des freien, idealen 2DES haben, also verschwindenden longitudinalen und quantisierten Hall-Widerstand. Aus Hartree-Rechnungen zeigen wir, dass es inkompressible Streifen nur in Magnetfeldintervallen endlicher Breite (um ganzzahlige Füllfaktoren) gibt und dass in der Nähe von Füllfaktor 4 es nur inkompressible Streifen mit dem lokalen Füll-faktor \nu(x) = 4 gibt, aber nicht solche mit \nu(x) = 2, in Gegensatz zu dem Ergebnis der Thomas-Fermi-Poisson-Näherung, die hier nicht gültig ist. Um diese Unzulänglichkeit der Thomas-Fermi-Poisson-Näherung und Artefakte des strikt lokalen Modells zu beheben, führen wir die Rechnungen mit einem (auf der Skala des mittleren Elektronenabstands) gemittelten Leitfähigkeitstensors aus. Damit erhalten wir, im Rahmen einer Linear-Response-Rechnung, sehr schöne Übereinstimmung mit den Potentialmessungen, die diese Dissertation motivierten, einen kausalen Zusammenhang zwischen der Existenz inkompressibler Streifen und der Existenz von Plateaus im QHE, und ein Verständnis der extremen Genauigkeit, mit der die quantisierten Widerstandswerte reproduziert werden können, unabhängig von Probenmaterial und -geometrie. Im Kapitel 5 untersuchen wir das Zufallspotential, in dem sich die Elektronen bewegen. Wir gehen davon aus, dass sich hinter einer undotierten Schicht eine Ebene mit zufällig verteilten ionisierten Donatoren befindet, deren Coulomb-Potentiale sich zu dem Zufallspotential überlagern. Wir weisen darauf hin, dass sich die langreichweitigen Fluktuationen dieses Potentials anders verhalten als die kurzreichweitigen. Die kurzreichweitigen klingen mit dem Abstand der Donatorebene von der Ebene des 2DES exponentiell ab, werden aber (bei B = 0) nur schwach durch das 2DES abgeschirmt. Diese Fluktuationen haben wir durch die endlichen Leitfähigkeiten und die Stoßverbreiterung der Landau-Niveaus berücksichtigt. Die langreichweitigen Fluktuationen, andererseits, sind nur schwach von der Entfernung der Donatorebene abhängig, werden aber stark vom 2DES abgeschirmt. Diese sollte man bei der selbstkonsistenten Abschirmungsrechnung explizit berücksichtigen. Erste Versuche in dieser Richtung zeigen, dass sie die Quanten-Hall-Plateaus verbreitern, verschieben und stabilisieren können. Sie sollten besonders bei breiten Proben wichtig werden, bei denen sie zusätzliche inkompressible Streifen im Probeninneren verursachen können. Schließlich diskutieren wir in Kapitel 6 Abschirmungseffekte in einem Doppelschichtsystem aus zwei parallelen 2DES. Interessante neue Effekte treten auf, wenn die Schichten verschiedene Dichten haben. Das Auftreten inkompressibler Streifen in der einen Schicht kann dann drastische Auswirkungen auf die andere Schicht haben. Widerstandsmessungen in Abhängigkeit vom Magnetfeld, die kürzlich an solchen Systemen durchgeführt wurden, zeigen, dass am Rande eines QH-Plateaus Hysterese auftritt, d.h. dass die für ansteigendes Magnetfeld gemessene Kurve nicht mit der für abfallendes Magnetfeld gemessenen Kurve übereinstimmt, wenn dieser Magnetfeldbereich in ein QH-Plateau der anderen Schicht fällt. Wir entwickeln ein Modell und beschreiben Modellrechnungen, die dieses Phänomen plausibel machen.
KW  - Elektronengas
KW  - Dimension 2
KW  - Quanten-Hall-Effekt
KW  - Abschirmung
KW  - Stromverteilung
KW  - Dichteverteilung
KW  - Quanten Hall effekt
KW  - Nichtlineare abschirmung
KW  - Inkompressible Streifen
KW  - Doppelschichtsystem
KW  - Quantum Hall effect
KW  - Non-linear screening
KW  - Incompressible strips
KW  - Bilayer systems
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15100
ER  -