TY  - THES
A1  - Bauernfeind, Maximilian Josef Xaver
T1  - Epitaxy and Spectroscopy of Two-Dimensional Adatom Systems: the Elemental Topological Insulator Indenene on SiC
T1  - Epitaxie und Spektroskopie zweidimensionaler Adatom Systeme: der elementare Topologische Isolator Indenene auf SiC
N2  - Two-dimensional (2D) topological insulators are a new class of materials with properties that are
promising for potential future applications in quantum computers. For example, stanene represents
a possible candidate for a topological insulator made of Sn atoms arranged in a hexagonal
lattice. However, it has a relatively fragile low-energy spectrum and sensitive topology. Therefore,
to experimentally realize stanene in the topologically non-trivial phase, a suitable substrate
that accommodates stanene without compromising these topological properties must be found.
A heterostructure consisting of a SiC substrate with a buffer layer of adsorbed group-III elements
constitutes a possible solution for this problem. In this work, 2D adatom systems of Al and In
were grown epitaxially on SiC(0001) and then investigated structurally and spectroscopically by
scanning tunneling microscopy (STM) and photoelectron spectroscopy.
Al films in the high coverage regime \( (\Theta_{ML}\approx2\) ML\( ) \) exhibit unusually large, triangular- and
rectangular-shaped surface unit cells. Here, the low-energy electron diffraction (LEED)
pattern is brought into accordance with the surface topography derived from STM. Another Al
reconstruction, the quasi-one-dimensional (1D) Al phase, exhibits a striped surface corrugation,
which could be the result of the strain imprinted by the overlayer-substrate lattice mismatch.
It is suggested that Al atoms in different surface areas can occupy hexagonal close-packed and
face-centered cubic lattice sites, respectively, which in turn lead to close-packed transition regions
forming the stripe-like corrugations. On the basis of the well-known herringbone reconstruction
from Au(111), a first structural model is proposed, which fits well to the structural data from
STM. Ultimately, however, thermal treatments of the sample could not generate lower coverage
phases, i.e. in particular, a buffer layer structure.
Strong metallic signatures are found for In high coverage films \( (\Theta_{ML}\approx3\) to \(2\) ML\() \) by
scanning tunneling spectroscopy (STS) and angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES),
which form a \( (7\times7) \), \( (6\times4\sqrt{3}) \), and \( (4\sqrt{3}\times4\sqrt{3}) \) surface reconstruction. In all these In phases
electrons follow the nearly-free electron model. Similar to the Al films, thermal treatments could
not obtain the buffer layer system.
Surprisingly, in the course of this investigation a triangular In lattice featuring a \( (1\times1) \)
periodicity is observed to host massive Dirac-like bands at \( K/K^{\prime} \) in ARPES. Based on this
strong electronic similarity with graphene at the Brillouin zone boundary, this new structure is
referred to as \textit{indenene}. An extensive theoretical analysis uncovers the emergence of an electronic
honeycomb network based on triangularly arranged In \textit{p} orbitals. Due to strong atomic spin-orbit
coupling and a comparably small substrate-induced in-plane inversion symmetry breaking this
material system is rendered topologically non-trivial. In indenene, the topology is intimately
linked to a bulk observable, i.e., the energy-dependent charge accumulation sequence within the
surface unit cell, which is experimentally exploited in STS to confirm the non-trivial topological
character. The band gap at \( K/K^{\prime} \), a signature of massive Dirac fermions, is estimated by
ARPES to approximately 125 meV. Further investigations by X-ray standing wave, STM, and
LEED confirm the structural properties of indenene. Thus, this thesis presents the growth and
characterization of the novel quantum spin Hall insulator material indenene.
N2  - Zweidimensionale (2D) topologische Isolatoren sind eine neue Materialklasse mit vielversprechenden
Eigenschaften für potenzielle zukünftige Anwendungen in Quantencomputern. Stanene stellt
hier beispielsweise einen möglichen Kandidaten für einen topologischen Isolator dar. Diese 2D-Schicht
besteht aus Sn-Atomen, angeordnet in einem hexagonalen Gitter. Allerdings weist
dieses Gitter ein relativ fragiles Niederenergiespektrum und eine empfindliche Topologie auf.
Um Stanene daher in der topologisch nicht-trivialen Phase experimentell realisieren zu können,
muss ein geeignetes Substrat gefunden werden, das Stanene aufnehmen kann, ohne die topologischen
Eigenschaften zu beeinträchtigen. Eine Heterostruktur aus einem SiC-Substrat mit
einer Pufferschicht aus adsorbierten Gruppe-III Elementen stellt hier eine mögliche Lösung für
dieses Problem dar. Im Hinblick darauf wurden für diese Arbeit 2D-Adatomsysteme aus Al und
In epitaktisch auf SiC(0001) gewachsen und mittels Rastertunnelmikroskopie (engl.: scanning
tunneling microscopy, STM) und Photoelektronenspektroskopie strukturell und spektroskopisch
untersucht.
Al-Schichten mit hoher Bedeckung \( (\Theta_{ML}\approx2\) ML\( ) \) weisen ungewöhnlich große, dreieckig
und rechteckig geformte Oberflächeneinheitszellen auf. Hierbei wird das Beugungsmuster der
niederenergetischen Elektronenbeugung (engl.: low-energy electron diffraction, LEED) mit der
aus STM abgeleiteten Oberflächentopographie in Einklang gebracht. Eine andere Al-Rekonstruktion,
die quasi-eindimensionale (1D) Al-Phase, zeigt eine gestreifte Oberflächenkorrugation, die
ein Ergebnis der Verspannung durch die Fehlanpassung des Al-Gitters auf dem Substratgitter
sein könnte. Es wird vorgeschlagen, dass Al-Atome in verschiedenen Oberflächenbereichen sowohl
jeweils hexagonal-dichtgepackte als auch kubisch flächenzentrierte Gitterplätze einnehmen können.
In Übergangsregionen zwischen beiden Bereichen erzeugt dies dicht gepackte Al-Atome,
die wiederum die streifenartigen Korrugationen hervorrufen. Auf der Basis der bekannten Fischgrätenrekonstruktion
von Au(111) wird ein erstes Strukturmodell vorgeschlagen, das gut mit
strukturellen STM-Daten übereinstimmt. Letztendlich konnten jedoch durch thermische Behandlungen
der Probe keine Phasen mit geringerer Bedeckung, das heißt insbesondere die Pufferschichtstruktur,
erzeugt werden.
In-Hochbedeckungsphasen \( (\Theta_{ML}\approx3\) to \(2\) ML\() \) weisen ein ausgeprägtes metallisches Verhalten
auf in der Rastertunnelspektroskopie (engl.: scanning tunneling spectroscopy, STS) und
winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie (engl.: angle-resolved photoelectron spectroscopy,
ARPES). Zudem bilden diese Phasen eine \( (7\times7) \), \( (6\times4\sqrt{3}) \), and \( (4\sqrt{3}\times4\sqrt{3}) \)-Oberflächenrekonstruktion
aus. In all diesen Phasen folgen die Elektronen dem Modell der quasifreien Elektronen. Ähnlich zu den
Al-Filmen konnte auch hier nach thermischen Behandlungen der Probe keine Pufferschichtstruktur erzeugt werden.
Überraschenderweise tritt im Laufe dieser Untersuchung ein Dreiecksgitter aus In-Atomen
mit einer \( (1\times1) \)-Periodizität auf, das bei \( K/K^{\prime} \) massive Dirac-artige Bänder in ARPES zeigt.
Aufgrund der starken Ähnlichkeit mit der Graphene-Bandstruktur am Brillouinzonenrand, wird
dieses neuartige Materialsystem \textit{Indenene} benannt. Eine umfangreiche theoretische Untersuchung
legt die Entstehung eines elektronischen Honigwabennetzwerks offen, dass sich aufgrund von
dreieckig angeordneten In \textit{p}-Orbitalen bildet. Durch starke atomare Spin-Bahn-Wechselwirkung
und einen vergleichsweisen schwachen substratinduzierten Inversionssymmetriebruch in der Ebene,
ist dieses Materialsystem topologisch nicht-trivial. In Indenene ist die Topologie eng mit einer
Volumenobservablen, genauer die energieabhängige Ladungsakkumulationsequenz innerhalb der
Oberflächeneinheitszelle, verknüpft. Diese Sequenz wird mittels STS experimentell ausgenutzt,
um den topologisch nicht-trivialen Charakter zu bestätigen. Die Bandlücke bei \( K/K^{\prime} \), charakteristisch
für massive Dirac-Fermionen, wird mittels ARPES auf ungefähr 125 meV abgeschätzt.
Weitere Untersuchungen basierend auf stehenden Röntgenwellen, STM, und LEED bestätigen die
strukturellen Eigenschaften von Indenene. Dementsprechend wird in dieser Arbeit dasWachstum
und auch die Charakterisierung des neuartigen Quanten Spin Hall Isolators Indenene vorgestellt.
KW  - Dreiecksgitter
KW  - Monoschicht
KW  - Indium
KW  - Topologischer Isolator
KW  - Siliciumcarbid
KW  - Monolage
KW  - Siliziumkarbid
KW  - STM
KW  - Triangular lattice
KW  - Monolayer
KW  - Silicon carbide
KW  - ARPES
KW  - Rastertunnelmikroskop
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-311662
ER  - 
TY  - THES
A1  - Crespo Vidal, Can Raphael
T1  - Spectroscopic investigation of the three-dimensional topological insulators (MnBi\(_2\)Te\(_4\))(Bi\(_2\)Te\(_3\))\(_n\) and HgTe: band structure, orbital symmetries, and influence of the cation \(d\)-states
T1  - Spektroskopische Untersuchung der dreidimensionalen topologischen Isolatoren (MnBi\(_2\)Te\(_4\))(Bi\(_2\)Te\(_3\))\(_n\) und HgTe: Bandstruktur, orbitale Symmetrien und Einfluss der kationischen \(d\)-Zustände
N2  - This thesis examines the electronic properties of two materials that promise the realization and observation of novel exotic quantum phenomena. For this purpose, angle-resolved photoemission forms the experimental basis for the investigation of the electronic properties. Furthermore, the magnetic order is investigated utilizing X-ray dichroism measurements.
First, the bulk and surface electronic structure of epitaxially grown HgTe in its three-dimensional topological insulator phase is investigated. In this study, synchrotron radiation is used to address the three-dimensional band structure and orbital composition of the bulk states by employing photon-energy-dependent and polarization-dependent measurements, respectively.  In addition, the topological surface state is examined on in situ grown samples using a laboratory photon source. The resulting data provide a means to experimentally localize the bulk band inversion in momentum space and to evidence the momentum-dependent change in the orbital character of the inverted bulk states.
Furthermore, a rather new series of van der Waals compounds, (MnBi\(_2\)Te\(_4\))(Bi\(_2\)Te\(_3\))\(_n\), is investigated. First, the magnetic properties of the first two members of the series, MnBi\(_2\)Te\(_4\) and MnBi\(_4\)Te\(_7\), are studied via X-ray absorption-based techniques. The topological surface state on the two terminations of MnBi\(_4\)Te\(_7\) is analyzed using circular dichroic, photon-energy-dependent, and spin-resolved photoemission. The topological state on the (MnBi\(_2\)Te\(_4\))-layer termination shows a free-standing Dirac cone with its Dirac point located in the bulk band gap. In contrast, on the (Bi\(_2\)Te\(_3\))-layer termination the surface state hybridizes with the bulk valences states, forming a spectral weight gap, and exhibits a Dirac point that is buried within the bulk continuum. Lastly, the lack of unambiguous evidence in the literature showing a temperature-dependent mass gap opening in these magnetic topological insulators is discussed through MnBi\(_2\)Te\(_4\).
N2  - In dieser Arbeit werden die elektronischen Eigenschaften zweier Materialien untersucht, welche die Realisierung und Beobachtung neuartiger exotischer Quantenphänomene versprechen. Hierbei bildet die winkelaufgelöste Photoemission die experimentelle Grundlade für die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften. Zudem wird die magnetische Ordnung mittels Röntgendichroismusmessungen untersucht. Zunächst wird die elektronische Volumen- und Oberflächenstruktur von epitaktisch gewachsenem HgTe in der Phase eines dreidimensionalen topologischen Isolators untersucht. In dieser Studie wird Synchrotronstrahlung verwendet, um die dreidimensionale Bandstruktur und die orbitale Zusammensetzung der Volumenzustände durch photonenenergieabhängige bzw. polarisationsabhängige Messungen zu bestimmen. Darüber hinaus wird der topologische Oberflächenzustand an in situ gewachsenen Proben mit einer Laborphotonenquelle untersucht. Die daraus resultierenden Daten ermöglichen eine Lokalisierung der Bandinversion im Impulsraum und den Nachweis der impulsabhängigen Veränderung des Orbitalcharakters der invertierten Volumenzustände. Zusätzlich wird eine relativ neue Reihe von van-der-Waals-Verbindungen, (MnBi\(_2\)Te\(_4\))(Bi\(_2\)Te\(_3\))\(_n\), untersucht. Zunächst werden die magnetischen Eigenschaften der ersten beiden Mitglieder der Reihe, MnBi\(_2\)Te\(_4\) und MnBi\(_4\)Te\(_7\), mittels Röntgenabsorptionsverfahren bestimmt. Der topologische Oberflächenzustand auf den beidem Terminierungen von MnBi\(_4\)Te\(_7\) wird unter der Verwendung von zirkularem Dichroismus, photonenenergieabhängiger sowie spinaufgelöster Photoemission analysiert. Der topologische Zustand auf der (MnBi\(_2\)Te\(_4\)-Terminierung zeigt dabei einen freistehenden Dirac-Zustand mit einem in der Volumenbandlücke liegendem Dirac-Punkt. Im Gegensatz dazu hybridisiert der Oberflächenzustand auf der (Bi\(_2\)Te\(_3\))\(_n\)-Terminierung mit den Volumenzuständen, wodurch eine Lücke im spektralen Gewicht entsteht, und weist einen Dirac-Punkt auf, der vom Volumenkontinuum überlagert ist. Abschließend wird das Fehlen einer eindeutigen Beweislage in der Literatur, die eine temperaturabhängige Öffnung einer Energielücke in diesen Materialien zeigt, anhand von (MnBi\(_2\)Te\(_4\) diskutiert.
KW  - ARPES
KW  - Topologischer Isolator
KW  - Bandstruktur
KW  - Oberflächenzustand
KW  - Antiferromagnetismus
KW  - magnetic topological insulator
KW  - angle-resolved photoelectron spectroscopy
KW  - spin-resolved ARPES
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-312931
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baumgärtner, Kiana Jasmin
T1  - Spectroscopic Investigation of the Transient Interplay at Hybrid Molecule-Substrate Interfaces after Photoexcitation: Ultrafast Electronic and Atomic Rearrangements
T1  - Spektroskopische Untersuchung des dynamischen Zusammenspiels an hybriden Molekül-Substrat Grenzflächen: Ultraschnelle Elektronen- und Atombewegungen
N2  - This thesis is aimed at establishing modalities of time-resolved photoelectron spectroscopy (tr-PES) conducted at a free-electron laser (FEL) source and at a high harmonic generation (HHG) source for imaging the motion of atoms, charge and energy at photoexcited hybrid organic/inorganic interfaces. Transfer of charge and energy across interfaces lies at the heart of surface science and device physics and involves a complex interplay between the motion of electrons and atoms. At hybrid organic/inorganic interfaces involving planar molecules, such as pentacene and copper(II)-phthalocyanine (CuPc), atomic motions in out-of-plane direction are particularly apparent. Such hybrid interfaces are of importance to, e.g., next-generation functional devices, smart catalytic surfaces and molecular machines. In this work, two hybrid interfaces – pentacene atop Ag(110) and copper(II)-phthalocyanine (CuPc) atop titanium disulfide (1T-TiSe2) – are characterized by means of modalities of tr-PES. The experiments were conducted at a HHG source and at the FEL source FLASH at Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY (Hamburg, Germany). Both sources provide photon pulses with temporal widths of ∼ 100 fs and thus allow for resolving the non-equilibrium dynamics at hybrid interfaces involving both electronic and atomic motion on their intrinsic time scales. While the photon energy at this HHG source is limited to the UV-range, photon energies can be tuned from the UV-range to the soft x-ray-range at FLASH. With this increased energy range, not only macroscopic electronic information can be accessed from the sample’s valence and conduction states, but also site-specific structural and chemical information encoded in the core-level signatures becomes accessible. Here, the combined information from the valence band and core-level dynamics is obtained by performing time- and angle-resolved photoelectron spectroscopy (tr-ARPES) in the UV-range and subsequently performing time-resolved x-ray photoelectron spectroscopy (tr-XPS) and time-resolved photoelectron diffraction (tr-XPD) in the soft x-ray regime in the same experimental setup. The sample’s bandstructure in energy-momentum space and time is captured by a time-of-flight momentum microscope with femtosecond temporal and sub-Ångström spatial resolutions. In the investigated systems, out-of-equilibrium dynamics are traced that are connected to the transfer of charge and energy across the hybrid interfaces. While energetic shifts and complementary population dynamics are observed for molecular and substrate states, the shapes of involved molecular orbitals change in energy-momentum space on a subpicosecond time scale. In combination with theory support, these changes are attributed to iiiatomic reorganizations at the interface and transient molecular structures are reconstructed with sub-Ångström precision. Unique to the material combination of CuPc/TiSe2, a structural rearrangement on the macroscopic scale is traced simultaneously: ∼ 60 % of the molecules undergo a concerted, unidirectional in-plane rotation. This surprising observation and its origin are detailed in this thesis and connected to a particularly efficient charge transfer across the CuPc/TiSe2 interface, resulting in a charging of ∼ 45 % of CuPc molecules.
N2  - Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es, die Bewegung von Atomen, Ladungsträgern und Energie an organisch/anorganischen Grenzschichten fernab des thermischen Gleichgewichts zu visualisieren und deren Wechselwirkung zu entschlüsseln. Dies wird experimentell mittels zeitaufgelöster Photoemissionsexperimente an einer Freien-Elektronen-LaserQuelle und an einer Höher-Harmonischen-Quelle verwirklicht. Ladungs- und Energietransfer zwischen organisch/anorganischen Grenzschichten sind zentrale Komponenten für die Funktion Molekül-basierter Anwendungen, wie z.B. katalytische Oberflächen, elektronische Schalt- und Speichergeräte oder molekulare Maschinen. Sie stellen einen dynamischen Prozess dar, der sich in einem Wechselspiel aus der Bewegung von Elektronen zwischen beiden Schichten und atomaren Bewegungen innerhalb beider Schichten äußert. Planare Moleküle, wie Pentacen oder Kupfer(II)-Phthalocyanin (CuPc), eignen sich besonders um solche atomaren Bewegungen zu untersuchen, da diese aufgrund geringer Rückstellkräfte senkrecht zur Molekülebene besonders ausgeprägt sein können. In dieser Arbeit werden Ladungs- und Energietransferprozesse an zwei ausgewählten Grenzschichten untersucht: Pentacen auf Silber (Ag(110)) und CuPc auf Titan Diselenid (1T-TiSe2). Zeitaufgelöste Photoemissionsexperimente (tr-PES) wurden an einer HöherHarmonischen-Quelle und an dem Freien-Elektronen-Laser FLASH (Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Hamburg, Deutschland) durchgeführt. Beide Lichtquellen liefern Photonenpulse mit einer Halbwertsbreite von etwa 100 fs und sind daher geeignet, um Nicht-Gleichgewichtsprozesse zeitlich aufzulösen, die auf der Bewegung von sowohl Elektronen als auch Atomen basieren. Die gewählte Höher-Harmonische-Quelle liefert Photonenenergien im UV-Bereich. Bei FLASH hingegen können die Photonenenergien variabel vom UV-Bereich bis hin zum Weichröntgenbereich erzeugt werden. Dieser erweiterte Energiebereich ermöglicht es, zusätzlich zur elektronischen Dynamik im Valenzbereich, auch Dynamiken kernnaher Zustände zu beobachten. Mithilfe dreier Modalitäten von zeitaufgelöster Photoemission – zeit- und winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (tr-ARPES), zeitaufgelöste Röntgenphotoelektronenspektroskopie (tr-XPS) und zeitaufgelöste Röntgenphotoelektronen-Diffraktion (tr-XPD) – werden sowohl die elektronischen als auch strukturellen Dynamiken der Grenzschicht rekonstruiert. Dabei dient tr-ARPES im UV-Bereich zur Charakterisierung der makroskopischen elektronischen Eigenschaften und tr-XPS und tr-XPD im Weichröntgenbereich dienen zur Analyse lokaler chemischer und struktureller Eigenschaften. Alle Messungen wurden unter denselben experimentellen Beidingungen durchgeführt und mithilfe eines Flugzeit-Impulsmikroskops konnte die transiente Bandstruktur mit einer Ortauflösung im Sub-Ångström-Bereich und einer Zeitauflö- sung im Femtosekunden-Bereich aufgenommen werden. In beiden untersuchten Systemen werden elektronische und strukturelle Prozesse an der Molekül–Substrat Grenzfläche beobachtet, die durch einen Ladungs- und Energietransfer in Folge optischer Anregung erklärt werden. Dieser Transfer äußert sich elektronisch durch ein Befüllen des Substrat-Leitungsbands und einem zeitgleichen Entleeren der MolekülValenzorbitale. Strukturelle Veränderungen, wie die Adsorptionshöhe oder intramolekulare Atompositionen, werden aus den sich zeitgleich verformenden Molekül-Valenzorbitalen rekonstruiert. Speziell für CuPc/TiSe2 wird ein effektiver Ladungstransfer beobachtet, wodurch 375 fs nach optischer Anregung ∼ 45 % der Moleküle einfach positiv geladen vorliegen. Diese Ladungstrennung zwischen den sich wie ein Schachbrett anordnenden positivgeladenen und neutralen Molekülen sowie dem Substrat führt zu einer Modulation des Oberflächenpotentials, welche eine energetische Verschiebung aller Grenzflächenzustände bedingt und intramolekulare Strukturveränderungen sowie eine makroskopische Reorganisation des Molekülfilms zur Folge hat: ∼ 60 % der Moleküle drehen sich innerhalb von ∼ 375 fs synchron auf dem Substrat und nehmen nach ∼ 1800 fs wieder ihre Ausgangsposition ein. Diese überraschende Beobachtung sowie die Ursache werden detaillierter in der vorliegenden Arbeit diskutiert und in den Kontext aktueller Forschung an "molekularen Schaltern" gebracht.
KW  - ARPES
KW  - Pump-Probe-Technik
KW  - Übergangsmetalldichalkogenide
KW  - Orbital
KW  - Molekül
KW  - orbital tomography
KW  - time-resolved
KW  - free electron laser
KW  - charge transfer
KW  - molecular movie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-330531
ER  -