Philipp Thomas Kagerer

• In this thesis, a model system of a magnetic topological heterostructure is studied, namely a heterosystem consisting of a single ferromagnetic septuple-layer (SL) of \(MnBi_2Te_4\) on the surface of the three-dimensional topological insulator \(Bi_2Te_3\). Using MBE and developing a specialized experimental setup, the first part of this thesis deals with the growth of \(Bi_2Te_3\) and thin films of \(MnBi_2Te_4\) on \(BaF_2\)-substrates by the co-evaporation of its binary constituents. The structural analysis is conducted along severalIn this thesis, a model system of a magnetic topological heterostructure is studied, namely a heterosystem consisting of a single ferromagnetic septuple-layer (SL) of \(MnBi_2Te_4\) on the surface of the three-dimensional topological insulator \(Bi_2Te_3\). Using MBE and developing a specialized experimental setup, the first part of this thesis deals with the growth of \(Bi_2Te_3\) and thin films of \(MnBi_2Te_4\) on \(BaF_2\)-substrates by the co-evaporation of its binary constituents. The structural analysis is conducted along several suitable probes such as X-ray diffraction (XRD, XRR), AFM and scanning tunnelling electron microscopy (STEM). It is furthermore found that the growth of a single septuple-layer of \(MnBi_2Te_4\) on the surface of \(Bi_2Te_3\) can be facilitated. By using X-ray absorption and circular magnetic dichroism (XAS, XMCD), the magnetic properties of \(MnBi_2Te_4\) are explored down to the monolayer limit. The layered nature of the vdW crystal and a strong uniaxial magnetocrystalline anisotropy establish stable out-of plane magnetic order at the surface of \(MnBi_2Te_4\), which is stable even down to the 2D limit. Pushing the material system to there, i.e. a single SL \(MnBi_2Te_4\) further allows to study the phase transition of this 2D ferromagnet and extract its critical behaviour with \(T_c \, = \, 14.89~k\) and \(\beta \, = \, 0.484\). Utilizing bulk crystals of the ferromagnetic \(Fe_3GeTe_2\) as substrate allows to influence, enhance and bias the magnetism in the single SL of \(MnBi_2Te_4\). By growing heterostructures of the type \(MnBi_2Te_4\) -- n layer \(Bi_2Te_3\) -- \(Fe_3GeTe_2\)for n between 0 and 2, it is shown, that a considerable magnetic coupling can be introduced between the \(MnBi_2Te_4\) top-layer and the substrate. Finally the interplay between topology and magnetism in the ferromagnetic extension is studied directly by angle-resolved photoemission spectroscopy. The heterostructure is found to host a linearly dispersing TSS at the centre of the Brillouin zone. Using low temperature and high-resolution ARPES a large magnetic gap opening of \(\sim\) 35 meV is found at the Dirac point of the TSS. By following its temperature evolution, it is apparent that the scaling behaviour coincides with the magnetic order parameter of the modified surface.…
• In dieser Arbeit wird ein Modellsystem einer magnetischen topologischen Heterostruktur untersucht, genauer ein Heterosystem, das aus einer einzelnen ferromagnetischen Septupellage (SL) aus \(MnBi_2Te_4\) auf der Oberfläche des dreidimensionalen topologischen Isolators \(Bi_2Te_3\) besteht. Mittels MBE und eines eigens entwickelten Setups befasst sich der erste Teil mit dem Wachstum von \(Bi_2Te_3\) und \(MnBi_2Te_4\) auf \(BaF_2\)-Substraten durch die Ko-Verdampfung ihrer binären Bestandteile. Die Strukturanalyse wird mit Hilfe vonIn dieser Arbeit wird ein Modellsystem einer magnetischen topologischen Heterostruktur untersucht, genauer ein Heterosystem, das aus einer einzelnen ferromagnetischen Septupellage (SL) aus \(MnBi_2Te_4\) auf der Oberfläche des dreidimensionalen topologischen Isolators \(Bi_2Te_3\) besteht. Mittels MBE und eines eigens entwickelten Setups befasst sich der erste Teil mit dem Wachstum von \(Bi_2Te_3\) und \(MnBi_2Te_4\) auf \(BaF_2\)-Substraten durch die Ko-Verdampfung ihrer binären Bestandteile. Die Strukturanalyse wird mit Hilfe von Röntgenbeugung (XRD, XRR), AFM und Rastertunnel-Elektronenmikroskopie (STEM) durchgeführt. Darüber hinaus wird festgestellt, dass das Wachstum einer einzelnen SL von \(MnBi_2Te_4\) auf der Oberfläche von \(Bi_2Te_3\) möglich ist. Mit Hilfe von Röntgenabsorption und des zirkularen magnetischen Dichroismus (XAS, XMCD) werden die magnetischen Eigenschaften von \(MnBi_2Te_4\) bis zur Monolage untersucht. Die geschichtete Natur des vdW-Kristalls und eine starke uniaxiale magnetokristalline Anisotropie stabilisieren eine magnetische Ordnung an der Oberfläche von \(MnBi_2Te_4\), die sogar bis zum 2D-Limit stabil ist. Bei Betrachtung einer einzigen SL \(MnBi_2Te_4\), kann man den Phasenübergang dieses 2D-Ferromagneten weiter untersuchen und sein kritisches Verhalten mit \(T_c \, = \, 14,89~k\) und \(\beta \, = \, 0,484\) extrahieren. Die Verwendung von \(Fe_3GeTe_2\) als Substrat ermöglicht es, den Magnetismus in einzelnen SL von \(MnBi_2Te_4\) zu beeinflussen und zu verstärken. Durch Aufwachsen von Heterostrukturen des Typs \(MnBi_2Te_4\) -- n Schicht \(Bi_2Te_3\) -- \(Fe_3GeTe_2\) für n zwischen 0 und 2 wird gezeigt, dass eine beträchtliche magnetische Kopplung zwischen der \(MnBi_2Te_4\) Deckschicht und dem Substrat erreicht werden kann. Schließlich wird das Zusammenspiel zwischen Topologie und Magnetismus in dem System direkt durch winkelaufgelöstes ARPES untersucht. Die Heterostruktur weist einen linear dispergierendes TSS im Zentrum der Brillouin-Zone auf. In der Temperaturabhängigkeit wird eine große magnetische Lücke von \(\sim\) 35 meV am Dirac-Punkt des TSS gefunden, deren Skalierungsverhalten mit dem magnetischen Ordnungsparameter der modifizierten Oberfläche übereinstimmt.…