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Erzeugung, Analyse und Manipulation von Systemen mit spin-aufgespaltenen Zuständen

Klein, Claudius

Diese Arbeit thematisiert die Herstellung und Manipulation von Systemen mit spin-aufgespaltenen Oberflächenzuständen. In einer hochauflösenden SPA-LEED-Studie wird das Wachstum von Bi2Se3 untersucht. Es wird gezeigt, dass dünne Bi2Se3-Filme innerhalb der ersten sechs Quintupel-Lagen (QL) verspannt mit einer vergrößerten Gitterkonstante aufwachsen. Dabei wächst bereits die erste QL epitaktisch. Durch die van-der-Waals-Bindung zwischen den einzelnen QL können diese aufeinander gleiten. Die Filme mit der geringsten Verspannung werden auf einem Bi-rekonstruierten Si(111)-Substrat bei T = 250° C erzeugt und haben für unverspannte Schichten eine laterale Gitterkonstante von a = 0,4136 nm. Durch ex-situ XRD-Messungen wird die vertikale Gitterkonstante zu c = 2,8559 nm bestimmt. Über die Temperaturabhängigkeit der Beugungsintensität kann für Bi2Se3 eine Oberflächen-Debye-Temperatur von T = 89 K ermittelt werden. Nachdem das Wachstum von Bi(111) auf Si(001)-Substraten etabliert ist, wird das Wachstum auf Si(111) optimiert und charakterisiert. Die so gewachsenen Bi(111)-Filme haben Terrassengrößen, die nur durch die Fehlneigung der Probe bestimmt sind. Der Großteil der Ladungsträger befindet sich in Bi-Filmen im Oberflächenzustand. Durch die gezielte Deposition einzelner Bi-Adatome wird der Streuquerschnitt eines einzelnen Bi-Atoms bestimmt. Es zeigt sich in LT-STM-Messungen, dass der Streuquerschnitt einzelner Bi-Adatome und kleiner Inseln identisch ist. Die Ladungsträger werden an strukturellen Defekten, wie einer Stufenkante, gestreut und bilden stehende Wellen. Die gemessenen charakteristischen Periodizitäten liegen auf der Bi(111)-Terrasse für E = 1 meV bei etwa l = 4 nm. Vor- und Rückwärtsstreuung können identifiziert werden. Bei der Verwendung anderer Adsorbat-Systeme wird erstmals ein barrierefreier Einbau von 3d-Übergangsmetallen in die Bi(111)-Oberfläche beobachtet. Durch LT-STM Messungen wird für Co, Fe, Ni und Cu bestätigt, dass diese barrierefrei bei T = 5 K in den Film eindringen und gebunden werden. Ein, nur nahe der Fermienergie sichtbares, dreizähliges Streupattern von mehr als 10 nm Durchmesser wird als Indiz für ein eingebautes Subsorbat-Atom verwendet. Über eine STM-Messung im constant-height-Tunnelmodus kann eine lokale Variation der Zustandsdichte um einen Faktor 3 beobachtet werden. Weiterhin wird der Einbau von Ag und Au in die Bi(111)-Oberfläche verifiziert. Die eingebauten Subsorbat-Atome bleiben bis zu einer Temperatur von T = 255 K in ihrem Einbauplatz stabil. Die maximal mögliche Menge an Subsorbat-Atomen beträgt etwa 1 nm^-2. DFT-Rechnungen bestätigen den barrierefreien Einbau und können den Effekt auf eine Hybridisierung der 4s-Orbitale und eine anschließende Polarisation der 3d-Orbitale zurückführen. Der Einbauplatz wird dabei eindeutig innerhalb der ersten BL bestätigt und ist siebenfach koordiniert. Durch die starke Modulation der lokalen Zustandsdichte, ist von einem großen Einfluss einzelner Ad- und Subsorbat-Atome auf die Leitfähigkeit eines Bi-Films auszugehen. Dies wird in Magnetotransport-Messungen bestätigt. Dabei kann der enorme Effekt geringster Bedeckungen an Bi-Adatomen und Fe-, und Co-Subsorbat-Atomen im Bereich unterhalb eines Prozentes einer ML gezeigt werden. Obgleich der initiale Anstieg bei allen Systemen vergleichbar ist, kommt es durch die Subsorption zu einer Ladungsträgerinjektion und pro eingebautem Subsorbat-Atom werden 0,5 Löcher in den Film injeziert.

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Klein, Claudius: Erzeugung, Analyse und Manipulation von Systemen mit spin-aufgespaltenen Zuständen. 2015.

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