TY - THES A1 - Krivenkov, Maxim T1 - Spin textures and electron scattering in nanopatterned monolayer graphene N2 - The current thesis is focused on the properties of graphene supported by metallic substrates and specifically on the behaviour of electrons in such systems. Methods of scanning tunneling microscopy, electron diffraction and photoemission spectroscopy were applied to study the structural and electronic properties of graphene. The purpose of the first part of this work is to introduce the most relevant aspects of graphene physics and the methodical background of experimental techniques used in the current thesis. The scientific part of this work starts with the extensive study by means of scanning tunneling microscopy of the nanostructures that appear in Au intercalated graphene on Ni(111). This study was aimed to explore the possible structural explanations of the Rashba-type spin splitting of ~100 meV experimentally observed in this system — much larger than predicted by theory. It was demonstrated that gold can be intercalated under graphene not only as a dense monolayer, but also in the form of well-periodic arrays of nanoclusters, a structure previously not reported. Such nanocluster arrays are able to decouple graphene from the strongly interacting Ni substrate and render it quasi-free-standing, as demonstrated by our DFT study. At the same time calculations confirm strong enhancement of the proximity-induced SOI in graphene supported by such nanoclusters in comparison to monolayer gold. This effect, attributed to the reduced graphene-Au distance in the case of clusters, provides a large Rashba-type spin splitting of ~60 meV. The obtained results not only provide a possible mechanism of SOI enhancement in this particular system, but they can be also generalized for graphene on other strongly interacting substrates intercalated by nanostructures of heavy noble d metals. Even more intriguing is the proximity of graphene to heavy sp-metals that were predicted to induce an intrinsic SOI and realize a spin Hall effect in graphene. Bismuth is the heaviest stable sp-metal and its compounds demonstrate a plethora of exciting physical phenomena. This was the motivation behind the next part of the current thesis, where structural and electronic properties of a previously unreported phase of Bi-intercalated graphene on Ir(111) were studied by means of scanning tunneling microscopy, spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy and electron diffraction. Photoemission experiments revealed a remarkable, nearly ideal graphene band structure with strongly suppressed signatures of interaction between graphene and the Ir(111) substrate, moreover, the characteristic moiré pattern observed in graphene on Ir(111) by electron diffraction and scanning tunneling microscopy was strongly suppressed after intercalation. The whole set of experimental data evidences that Bi forms a dense intercalated layer that efficiently decouples graphene from the substrate. The interaction manifests itself only in the n-type charge doping (~0.4 eV) and a relatively small band gap at the Dirac point (~190 meV). The origin of this minor band gap is quite intriguing and in this work it was possible to exclude a wide range of mechanisms that could be responsible for it, such as induced intrinsic spin-orbit interaction, hybridization with the substrate states and corrugation of the graphene lattice. The main origin of the band gap was attributed to the A-B symmetry breaking and this conclusion found support in the careful analysis of the interference effects in photoemission that provided the band gap estimate of ~140 meV. While the previous chapters were focused on adjusting the properties of graphene by proximity to heavy metals, graphene on its own is a great object to study various physical effects at crystal surfaces. The final part of this work is devoted to a study of surface scattering resonances by means of photoemission spectroscopy, where this effect manifests itself as a distinct modulation of photoemission intensity. Though scattering resonances were widely studied in the past by means of electron diffraction, studies about their observation in photoemission experiments started to appear only recently and they are very scarce. For a comprehensive study of scattering resonances graphene was selected as a versatile model system with adjustable properties. After the theoretical and historical introduction to the topic of scattering resonances follows a detailed description of the unusual features observed in the photoemission spectra obtained in this work and finally the equivalence between these features and scattering resonances is proven. The obtained photoemission results are in a good qualitative agreement with the existing theory, as verified by our calculations in the framework of the interference model. This simple model gives a suitable explanation for the general experimental observations. The possibilities of engineering the scattering resonances were also explored. A systematic study of graphene on a wide range of substrates revealed that the energy position of the resonances is in a direct relation to the magnitude of charge transfer between graphene and the substrate. Moreover, it was demonstrated that the scattering resonances in graphene on Ir(111) can be suppressed by nanopatterning either by a superlattice of Ir nanoclusters or by atomic hydrogen. These effects were attributed to strong local variations of tork function and/or destruction of long-range order of thephene lattice. The tunability of scattering resonances can be applied for optoelectronic devices based on graphene. Moreover, the results of this study expand the general understanding of the phenomenon of scattering resonances and are applicable to many other materials besides graphene. N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Eigenschaften von Graphen auf metallischen Substraten und speziell mit dem Verhalten von Elektronen in solchen Systemen. Der wissenschaftliche Teil dieser Arbeit beginnt mit der umfassenden Untersuchung von Nanostrukturen, die in Au-interkaliertem Graphen auf Ni(111) auftreten, mittels Rastertunnelmikroskopie (RTM). Diese Studie zielte darauf ab, die möglichen strukturellen Erklärungen der experimentell in diesem System beobachteten Rashba- Spin-Aufspaltung von ~100 meV zu untersuchen — die viel größer als theoretisch vorhergesagt ist. Es wurde gezeigt, dass Gold unter Graphen nicht nur als dichte Monolage interkaliert werden kann, sondern auch in Form von exakt periodischen Anordnungen von Nanoclustern, einer Struktur, die bisher nicht beschrieben wurde. Solche Nanocluster-Arrays können Graphen von dem stark wechselwirkenden Ni-Substrat entkoppeln und es quasi freistehend machen, wie unsere Dichtefunktionaltheorie-Studie zeigt. Gleichzeitig bestätigen die Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen eine starke Erhöhung der durch Proximity induzierten Spin-Bahn-Wechselwirkung (SBW) in Graphen durch solche Nanocluster im Vergleich zu einer homogenen Gold-Monolage. Dieser Effekt, der im Falle von Clustern auf den verringerten Graphen-Au-Abstand zurückgeführt wird, liefert eine große Spinaufspaltung vom Rashba-Typ von ~60 meV. Die erhaltenen Ergebnisse liefern nicht nur einen möglichen Mechanismus zur Erhöhung der SBW in diesem speziellen System, sondern können auch auf Graphen auf anderen stark wechselwirkenden Substraten verallgemeinert werden, die mit Nanostrukturen von schweren Edelmetallen interkaliert sind. Noch faszinierender ist die Nähe von Graphen zu schweren sp-Metallen, von denen vorhergesagt wurde, dass sie eine intrinsische SBW induzieren und einen Spin-Hall-Effekt in Graphen realisieren. Wismut ist das schwerste stabile sp-Metall und seine Verbindungen zeigen eine Vielzahl aufregender physikalischer Phänomene. Dies war die Motivation für den nächsten Teil der vorliegenden Arbeit, in dem strukturelle und elektronische Eigenschaften einer bisher nicht beschriebenen Phase von Bismuth-interkaliertem Graphen auf Ir(111) untersucht werden. Experimente ergaben eine nahezu ideale Graphenbandstruktur mit stark unterdrückten Wechselwirkungssignaturen zwischen Graphen und dem Ir(111)-Substrat. Die gesamten experimentellen Daten belegen, dass Bi eine dichte interkalierte Schicht bildet, die Graphen effizient vom Substrat entkoppelt. Die Wechselwirkung manifestiert sich nur in der Ladungsdotierung vom n-Typ (~0,4 eV) und einer Bandlücke am Dirac-Punkt (~190 meV). Den Ursprung dieser Bandlücke zu ermitteln ist sehr komplex, und in dieser Arbeit konnte eine Vielzahl von Mechanismen ausgeschlossen werden, die dafür verantwortlich sein könnten, wie etwa induzierte intrinsische SBW, Hybridisierung mit den Substratzuständen und Riffelung des Graphen-Gitters. Der Hauptursprung der Bandlücke wurde einem Bruch der A-B -Symmetrie zugeschrieben, und diese Schlussfolgerung stützte sich auf eine eingehende Analyse der Interferenzeffekte bei der Photoemission, die eine Abschätzung der Bandlücke von ~140 meV lieferte. Während sich die vorherigen Kapitel auf die Anpassung der Eigenschaften von Graphen durch die Nähe zu Schwermetallen konzentrierten, ist Graphen allein ein großartiges Objekt, um verschiedene physikalische Effekte an Kristalloberflächen zu untersuchen. Der letzte Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Photoemissionsspektroskopie Untersuchung von Oberflächenstreuresonanzen, deren Effekt sich in einer deutlichen Modulation der Photoemissionsintensität manifestiert. Obwohl Streuresonanzen in der Vergangenheit häufig mittels Elektronenbeugung untersucht wurden, erschienen einige wenige Studien über ihre Beobachtung in Photoemissionsexperimenten erst vor kurzem. Für eine umfassende Untersuchung der Streuresonanzen wurde Graphen als vielseitiges Modellsystem mit einstellbaren Eigenschaften ausgewählt. Das Kapitel beginnt mit einer historischen Einführung in das Thema Streuresonanzen, gefolgt von der Beschreibung der ungewöhnlichen Photoemissionsspektralmerkmale, die in dieser Arbeit erhalten wurden. Schließlich wird die Äquivalenz zwischen diesen Merkmalen und Streuresonanzen bewiesen. Die erhaltenen Photoemissionsergebnisse stimmen qualitativ gut mit der bestehenden Theorie überein, wie unsere Berechnungen im Rahmen des Interferenzmodells belegen. Dieses einfache Modell liefert eine geeignete Erklärung für die Gesamtheit der experimentellen Beobachtungen. Möglichkeiten, die Streuresonanzen zu modifizieren wurden ebenfalls untersucht. Eine systematische Untersuchung von Graphen auf einer Vielzahl von Substraten ergab, dass die Energieposition der Resonanzen in direktem Zusammenhang mit der Größe des Ladungstransfers zwischen Graphen und Substrat steht. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Streuresonanzen in Graphen auf Ir(111) durch Nanostrukturierung entweder durch ein Übergitter von Ir-Nanoclustern oder durch atomaren Wasserstoff unterdrückt werden können. Diese Effekte wurden auf starke lokale Variationen der Austrittsarbeit und/oder die Zerstörung der langreichweitigen Ordnung des Graphengitters zurückgeführt. Die Abstimmbarkeit von Streuresonanzen kann für optoelektronische Bauelemente auf der Basis von Graphen verwendet werden. Darüber hinaus erweitern die Ergebnisse dieser Studie das allgemeine Verständnis des Phänomens der Streuresonanzen und sind neben Graphen auch auf viele andere Materialien anwendbar. T2 - Spin-Texturen und Elektronenstreuung in nanostrukturiertem Monolage-Graphen KW - graphene KW - spin texture KW - scattering resonances KW - Rashba effect KW - bismuth KW - Rashba-Effekt KW - Wismut KW - Graphen KW - Streuresonanzen KW - Spin Textur Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487017 ER - TY - JOUR A1 - Krivenkov, Maxim A1 - Marchenko, Dimitry A1 - Sánchez-Barriga, Jaime A1 - Golias, Evangelos A1 - Rader, Oliver A1 - Varykhalov, Andrei T1 - Origin of the band gap in Bi-intercalated graphene on Ir(111) JF - 2D Materials N2 - Proximity to heavy sp-elements is considered promising for reaching a band gap in graphene that could host quantum spin Hall states. The recent report of an induced spin-orbit gap of 0.2 eV in Pb-intercalated graphene detectable by spin-resolved photoemission has spurred renewed interest in such systems (Klimovskikh et al 2017 ACS Nano 11, 368). In the case of Bi intercalation an even larger band gap of 0.4 eV has been observed but was assigned to the influence of a dislocation network (Warmuth et al 2016 Phys. Rev. B 93, 165 437). Here, we study Bi intercalation under graphene on Ir(111) and report a nearly ideal graphene dispersion without band replicas and no indication of hybridization with the substrate. The band gap is small (0.19 eV) and can be tuned by +/- 25 meV through the Bi coverage. The Bi atomic density is higher than in the recent report. By spin-resolved photoemission we exclude induced spin-orbit interaction as origin of the gap. Quantitative agreement of a photoemission intensity analysis with the measured band gap suggests sublattice symmetry breaking as one of the possible band gap opening mechanisms. We test several Bi structures by density functional theory. Our results indicate the possibility that Bi intercalates in the phase of bismuthene forming a graphene-bismuthene van der Waals heterostructure. KW - graphene KW - bismuth KW - Ir(111) KW - spin-orbit interaction KW - ARPES KW - STM KW - bismuthene Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1088/2053-1583/abd1e4 SN - 2053-1583 VL - 8 IS - 3 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Matkovic, Aleksandar A1 - Vasic, Borislav A1 - Pesic, Jelena A1 - Prinz, Julia A1 - Bald, Ilko A1 - Milosavljevic, Aleksandar R. A1 - Gajic, Rados T1 - Enhanced structural stability of DNA origami nanostructures by graphene encapsulation JF - NEW JOURNAL OF PHYSICS N2 - We demonstrate that a single-layer graphene replicates the shape of DNA origami nanostructures very well. It can be employed as a protective layer for the enhancement of structural stability of DNA origami nanostructures. Using the AFM based manipulation, we show that the normal force required to damage graphene encapsulated DNA origami nanostructures is over an order of magnitude greater than for the unprotected ones. In addition, we show that graphene encapsulation offers protection to the DNA origami nanostructures against prolonged exposure to deionized water, and multiple immersions. Through these results we demonstrate that graphene encapsulated DNA origami nanostructures are strong enough to sustain various solution phase processing, lithography and transfer steps, thus extending the limits of DNA-mediated bottom-up fabrication. KW - graphene KW - DNA origami nanostructures KW - atomic force microscopy Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/025016 SN - 1367-2630 VL - 18 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - THES A1 - Prinz, Julia T1 - DNA origami substrates as a versatile tool for surface-enhanced Raman scattering (SERS) T1 - DNA Origami-Substrate als ein vielseitiges Werkzeug für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) N2 - Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is a promising tool to obtain rich chemical information about analytes at trace levels. However, in order to perform selective experiments on individual molecules, two fundamental requirements have to be fulfilled. On the one hand, areas with high local field enhancement, so-called “hot spots”, have to be created by positioning the supporting metal surfaces in close proximity to each other. In most cases hot spots are formed in the gap between adjacent metal nanoparticles (NPs). On the other hand, the analyte has to be positioned directly in the hot spot in order to profit from the highest signal amplification. The use of DNA origami substrates provides both, the arrangement of AuNPs with nm precision as well as the ability to bind analyte molecules at predefined positions. Consequently, the present cumulative doctoral thesis aims at the development of a novel SERS substrate based on a DNA origami template. To this end, two DNA-functionalized gold nanoparticles (AuNPs) are attached to one DNA origami substrate resulting in the formation of a AuNP dimer and thus in a hot spot within the corresponding gap. The obtained structures are characterized by correlated atomic force microscopy (AFM) and SERS imaging which allows for the combination of structural and chemical information. Initially, the proof-of principle is presented which demonstrates the potential of the novel approach. It is shown that the Raman signal of 15 nm AuNPs coated with dye-modified DNA (dye: carboxytetramethylrhodamine (TAMRA)) is significantly higher for AuNP dimers arranged on a DNA origami platform in comparison to single AuNPs. Furthermore, by attaching single TAMRA molecules in the hot spot between two 5 nm AuNPs and optimizing the size of the AuNPs by electroless gold deposition, SERS experiments at the few-molecule level are presented. The initially used DNA origami-AuNPs design is further optimized in many respects. On the one hand, larger AuNPs up to a diameter of 60 nm are used which are additionally treated with a silver enhancement solution to obtain Au-Ag-core-shell NPs. On the other hand, the arrangement of both AuNPs is altered to improve the position of the dye molecule within the hot spot as well as to decrease the gap size between the two particles. With the optimized design the detection of single dye molecules (TAMRA and cyanine 3 (Cy3)) by means of SERS is demonstrated. Quantitatively, enhancement factors up to 10^10 are estimated which is sufficiently high to detect single dye molecules. In the second part, the influence of graphene as an additional component of the SERS substrate is investigated. Graphene is a two-dimensional material with an outstanding combination of electronical, mechanical and optical properties. Here, it is demonstrated that single layer graphene (SLG) replicates the shape of underlying non-modified DNA origami substrates very well, which enables the monitoring of structural alterations by AFM imaging. In this way, it is shown that graphene encapsulation significantly increases the structural stability of bare DNA origami substrates towards mechanical force and prolonged exposure to deionized water. Furthermore, SLG is used to cover DNA origami substrates which are functionalized with a 40 nm AuNP dimer. In this way, a novel kind of hybrid material is created which exhibits several advantages compared to the analogue non-covered SERS substrates. First, the fluorescence background of dye molecules that are located in between the AuNP surface and SLG is efficiently reduced. Second, the photobleaching rate of the incorporated dye molecules is decreased up to one order of magnitude. Third, due to the increased photostability of the investigated dye molecules, the performance of polarization-dependent series measurements on individual structures is enabled. This in turn reveals extensive information about the dye molecules in the hot spot as well as about the strain induced within the graphene lattice. Although SLG can significantly influence the SERS substrate in the aforementioned ways, all those effects are strongly related to the extent of contact with the underlying AuNP dimer. N2 - Desoxyribonukleinsäure (engl. deoxyribonucleic acid (DNA)) ist nicht nur Träger der Erbinformation, sondern wird auch seit den frühen 80er Jahren als Gerüstmaterial in der Nanotechnologie verwendet. Im Jahr 2006 wurde die bis dato entwickelte DNA-Nanotechnologie durch die Erfindung der sogenannten DNA Origami-Technik weiter revolutioniert. Diese erlaubt die Konstruktion vielfältiger zwei- und dreidimensionaler Strukturen durch gezielte DNA-Selbstassemblierung. Basierend auf der grundlegenden Watson-Crick Basenpaarung innerhalb eines DNA-Doppelstrangs können die gewünschten Zielstrukturen dabei mit hoher Genauigkeit vorhergesagt werden. Neben der Entwicklung vielfältiger DNA-Konstrukte eignen sich DNA Origami-Substrate zudem hervorragend zur Bindung funktionaler Einheiten mit der Präzision im Bereich von Nanometern. Somit lassen sich beispielsweise Goldnanopartikel (AuNPs) präzise anordnen. Dies ist von höchstem Interesse im Zusammenhang mit der oberflächenverstärkten Ramanstreuung (engl. surface-enhanced Raman scattering (SERS)). SERS basiert darauf, die naturgemäß schwache Ramanstreuung eines Analyten um mehrere Größenordnungen zu verstärken, indem der Analyt nahe einer Metalloberfläche positioniert wird. Die Verstärkung der Ramanstreuung beruht hierbei hauptsächlich auf der Wechselwirkung des Analyten mit dem elektromagnetischen Feld der Metalloberfläche und kann im Zwischenraum zweier benachbarter Metallstrukturen besonders stark ausgeprägt sein. Die vorliegende kumulative Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung einer DNA Origami-basierten Sensoroberfläche für die Anwendung von SERS-Experimenten. Hierbei werden jeweils zwei AuNPs in gezieltem Abstand an ein DNA Origami-Substrat gebunden und das verstärkte Ramansignal eines Analyten im Zwischenraum des AuNP-Dimers detektiert. Zunächst wird das allgemeine Prinzip in Form eines Wirksamkeitsnachweises vorgestellt, in welchem der Farbstoff Carboxytetramethylrhodamin (TAMRA) als Analyt verwendet wird. Die darauf aufbauenden Experimente zielen auf eine Verringerung der Nachweisgrenze bis hin zur Einzelmoleküldetektion ab. Im Zuge dessen werden vielseitige Optimierungsschritte durchgeführt, die die Größe, die Anordnung sowie die Ummantelung der AuNPs mit einer dünnen Silberschicht betreffen. Es wird gezeigt, dass durch die Optimierung aller Parameter die Detektion einzelner TAMRA- und Cyanin 3 (Cy3)-Moleküle mittels SERS möglich ist. Weiterhin wird Graphen, ein erst im Jahr 2004 entdecktes Material bestehend aus einer einzigen Schicht Kohlenstoffatome, als weiterer Bestandteil der untersuchten Nanostrukturen eingeführt. Graphen zeichnet sich durch eine bislang einzigartige Kombination aus optischen, elektronischen und mechanischen Eigenschaften aus und hat sich daher innerhalb kürzester Zeit zu einem vielfältigen Forschungsschwerpunkt entwickelt. In der vorliegenden Dissertation wird zunächst die erhöhte strukturelle Stabilität von Graphen bedeckten DNA Origami-Substraten im Hinblick auf mechanische Beanspruchung sowie auf die Inkubation in deionisiertem Wasser demonstriert. In weiterführenden Betrachtungen werden auch DNA Origami-Substrate, die mit AuNP-Dimeren funktionalisiert sind, mit Graphen bedeckt, und somit eine neuartige Hybridstruktur erzeugt. Es wird gezeigt, dass Graphen den Fluoreszenzuntergrund der untersuchten Farbstoffmoleküle deutlich reduziert und zusätzlich deren Photostabilität gegenüber der eintreffenden Laserstrahlung effektiv verbessert. KW - DNA origami KW - surface-enhanced Raman scattering KW - DNA nanostructures KW - graphene KW - single-molecule detection KW - DNA Origami KW - oberflächenverstärkte Raman-Streuung KW - DNA Nanostrukturen KW - Graphen KW - Einzelmoleküldetektion Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104089 ER - TY - THES A1 - Voroshnin, Vladimir T1 - Control over spin and electronic structure of MoS₂ monolayer via interactions with substrates T1 - Kontrolle der Spin- und elektronischen Strukturen von MoS₂-Monolagen durch Wechselwirkungen mit Substraten N2 - The molybdenum disulfide (MoS2) monolayer is a semiconductor with a direct bandgap while it is a robust and affordable material. It is a candidate for applications in optoelectronics and field-effect transistors. MoS2 features a strong spin-orbit coupling which makes its spin structure promising for acquiring the Kane-Mele topological concept with corresponding applications in spintronics and valleytronics. From the optical point of view, the MoS2 monolayer features two valleys in the regions of K and K' points. These valleys are differentiated by opposite spins and a related valley-selective circular dichroism. In this study we aim to manipulate the MoS2 monolayer spin structure in the vicinity of the K and K' points to explore the possibility of getting control over the optical and electronic properties. We focus on two different substrates to demonstrate two distinct routes: a gold substrate to introduce a Rashba effect and a graphene/cobalt substrate to introduce a magnetic proximity effect in MoS2. The Rashba effect is proportional to the out-of-plane projection of the electric field gradient. Such a strong change of the electric field occurs at the surfaces of a high atomic number materials and effectively influence conduction electrons as an in-plane magnetic field. A molybdenum and a sulfur are relatively light atoms, thus, similar to many other 2D materials, intrinsic Rashba effect in MoS2 monolayer is vanishing small. However, proximity of a high atomic number substrate may enhance Rashba effect in a 2D material as it was demonstrated for graphene previously. Another way to modify the spin structure is to apply an external magnetic field of high magnitude (several Tesla), and cause a Zeeman splitting, the conduction electrons. However, a similar effect can be reached via magnetic proximity which allows us to reduce external magnetic fields significantly or even to zero. The graphene on cobalt interface is ferromagnetic and stable for MoS2 monolayer synthesis. Cobalt is not the strongest magnet; therefore, stronger magnets may lead to more significant results. Nowadays most experimental studies on the dichalcogenides (MoS2 included) are performed on encapsulated heterostructures that are produced by mechanical exfoliation. While mechanical exfoliation (or scotch-tape method) allows to produce a huge variety of structures, the shape and the size of the samples as well as distance between layers in heterostructures are impossible to control reproducibly. In our study we used molecular beam epitaxy (MBE) methods to synthesise both MoS2/Au(111) and MoS2/graphene/Co systems. We chose to use MBE, as it is a scalable and reproducible approach, so later industry may adapt it and take over. We used graphene/cobalt instead of just a cobalt substrate because direct contact of MoS2\ monolayer and a metallic substrate may lead to photoluminescence (PL) quenching in the metallic substrate. Graphene and hexagonal boron nitride monolayer are considered building blocks of a new generation of electronics also commonly used as encapsulating materials for PL studies. Moreover graphene is proved to be a suitable substrate for the MBE growth of transitional metal dichalcogenides (TMDCs). In chapter 1, we start with an introduction to TMDCs. Then we focus on MoS2 monolayer state of the art research in the fields of application scenario; synthesis approaches; electronic, spin, and optical properties; and interactions with magnetic fields and magnetic materials. We briefly touch the basics of magnetism in solids and move on to discuss various magnetic exchange interactions and magnetic proximity effect. Then we describe MoS2 optical properties in more detail. We start from basic exciton physics and its manifestation in the MoS2 monolayer. We consider optical selection rules in the MoS2 monolayer and such properties as chirality, spin-valley locking, and coexistence of bright and dark excitons. Chapter 2 contains an overview of the employed surface science methods: angle-integrated, angle-resolved, and spin-resolved photoemission; low energy electron diffraction and scanning tunneling microscopy. In chapter 3, we describe MoS2 monolayer synthesis details for two substrates: gold monocrystal with (111) surface and graphene on cobalt thin film with Co(111) surface orientation. The synthesis descriptions are followed by a detailed characterisation of the obtained structures: fingerprints of MoS2 monolayer formation; MoS2 monolayer symmetry and its relation to the substrate below; characterisation of MoS2 monolayer coverage, domain distribution, sizes and shapes, and moire structures. In chapter~4, we start our discussion with MoS2/Au(111) electronic and spin structure. Combining density functional theory computations (DFT) and spin-resolved photoemission studies, we demonstrate that the MoS2 monolayer band structure features an in-plane Rashba spin splitting. This confirms the possibility of MoS2 monolayer spin structure manipulation via a substrate. Then we investigate the influence of a magnetic proximity in the MoS2/graphene/Co system on the MoS2 monolayer spin structure. We focus our investigation on MoS2 high symmetry points: G and K. First, using spin-resolved measurements, we confirm that electronic states are spin-split at the G point via a magnetic proximity effect. Second, combining spin-resolved measurements and DFT computations for MoS2 monolayer in the K point region, we demonstrate the appearance of a small in-plane spin polarisation in the valence band top and predict a full in-plane spin polarisation for the conduction band bottom. We move forward discussing how these findings are related to the MoS2 monolayer optical properties, in particular the possibility of dark exciton observation. Additionally, we speculate on the control of the MoS2 valley energy via magnetic proximity from cobalt. As graphene is spatially buffering the MoS2 monolayer from the Co thin film, we speculate on the role of graphene in the magnetic proximity transfer by replacing graphene with vacuum and other 2D materials in our computations. We finish our discussion by investigating the K-doped MoS2/graphene/Co system and the influence of this doping on the electronic and spin structure as well as on the magnetic proximity effect. In summary, using a scalable MBE approach we synthesised MoS2/Au(111) and MoS2/graphene/Co systems. We found a Rashba effect taking place in MoS2/Au(111) which proves that the MoS2 monolayer in-plane spin structure can be modified. In MoS2/graphene/Co the in-plane magnetic proximity effect indeed takes place which rises the possibility of fine tuning the MoS2 optical properties via manipulation of the the substrate magnetisation. N2 - Die Molybdändisulfid-Monolage MoS2 ist ein mechanisch und chemisch robuster Direktband-Halbleiter. Seine Valley-Eigenschaften versprechen spin- und valleybezogene spintronische, valleytronische und optoelektronische Anwendungen. Hier wurde die Möglichkeit untersucht, die elektronische und Spin-Struktur von MoS2 durch Wechselwirkung mit einem Substrat zu beeinflussen. Eine Kontrolle der elektronischen Struktur und der Spinstruktur ist unerlässlich, wenn man die optischen Eigenschaften kontrollieren will. Wir haben zwei Methoden angewandt, um die Spinentartung aufzuheben. Zum einen haben wir die MoS2-Monolage einem elektrischen Potentialgradienten ausgesetzt, zum anderen einem starken Magnetfeld in der Ebene, das durch einen magnetischen Proximity-Effekt erzeugt wurde. Zu diesem Zweck haben wir zwei Systeme hergestellt: eine MoS2-Monolage auf einem Gold-Einkristall und eine MoS2-Monolage auf Graphen auf einer dünnen Kobalt-Schicht. Wir modifizierten ein zuvor vorgeschlagenes Verfahren zur Synthese der MoS2-Monolage auf der Au(111)-Oberfläche und erzielten mit der MBE-Methode eine Bedeckung von ≈0,4 MoS2-Monolage. Die Bedeckung wies eine 10×10-Überstruktur auf und bestand aus gleichmäßig verteilten und ähnlich orientierten Domänen von ≈30 nm Größe. Die Kombination aus DFT-Simulationen und spinaufgelöster Photoemissionsspektroskopie bestätigte das Vorhandensein einer Rashba-ähnlichen Spinaufspaltung in der Ebene der MoS2-Valenzbandzustände in Bereichen mit k ⃗≠0, aus Symmetriegründen mit Ausnahme des K ̅-Punktes. Wir untersuchten die Möglichkeit, die Spinstruktur der MoS2-Monolage durch den magnetischen Proximity-Effekt zu manipulieren, einschließlich der Bereiche um Hochsymmetriepunkte. Die Regionen der K ̅ und (K') ̅ Punkte sind am interessantesten, da sich dort die direkte Bandlücke der MoS2-Monolage befindet. Eine energetische Verschiebung der Valenz- und Leitungsbandzustände relativ zueinander in diesen Bereichen sollte die Kontrolle über die Valley-Aufspaltung der MoS2-Monolage ermöglichen. Andererseits sollte eine Neigung der Spinrichtung dieser Zustände in Richtung der Spinrichtung in der Ebene die optischen Auswahlregeln drastisch ändern und ein dunkles Exziton aufhellen. Wir haben ein Kobalt-Dünnschichtsubstrat aufgrund seiner in der Ebene liegenden magnetischen Anisotropie als Testobjekt für den magnetischen Proximity-Effekt gewählt. Wir benutzten die CVD-Methode, um es zunächst mit Graphen zu beschichten, und dann die MBE-Methode, um eine ≈0,4 MoS2-Monolage auf dem Substrat herzustellen. Wir platzierten das Graphen zwischen der MoS2-Monolage und der Kobalt-Dünnschicht, um zu verhindern, dass die Exzitonen von MoS2 durch das metallische Substrat ausgelöscht werden. Für die Herstellung der MoS2-Monolage auf dem Graphen/Co-Substrat haben wir ein Verfahren modifiziert, das für die Herstellung von MoS2 auf einem Graphen/Ir-Substrat vorgeschlagen wurde. Die einschichtige MoS2-Bedeckung von ≈0,4 Atomlagen zeigt eine große Fläche kristalliner Domänen von mehr als 200 nm Größe. Vier MoS2-Einheitszellen entsprechen fünf Graphen-Einheitszellen. Dies lässt auf eine 5×5-Überstruktur schließen, was durch die LEED-Bilder bestätigt wird. Andererseits zeigt die STM-Abbildung mit atomarer Auflösung eine quasi-periodische Struktur mit mehreren Arten von Moiré-Mustern. Da das epitaktische Wachstum von MoS2 entlang der Graphen-Untergitter A und B gleich wahrscheinlich ist, weist die MoS2-Monolage eine gleiche Anzahl von um 180° gedrehten Domänen (Spiegeldomänen) auf. Wir bestätigten zunächst das Vorhandensein des magnetischen Proximity-Effekts, indem wir ≈20 meV Zeeman in-plane Spinaufspaltung von MoS2-Valenzbandzuständen im Bereich von Γ ̅ sowohl in DFT-Berechnungen als auch in spinaufgelösten Photoemissionsmessungen beobachteten. Im Bereich von K ̅ stimmen Berechnungen und Messungen in Bezug auf die Spinpolarisation der Valenzbandzustände von 15% überein. Im Gegensatz dazu deuten die DFT-Berechnungen für die Leitungsbandzustände auf eine 100%ige Spinpolarisierung der Zustände hin. Dieses Ergebnis impliziert die Aufhellung der dunklen Exzitonen der MoS2-Monolage. Im Falle der Magnetisierung von Kobalt senkrecht zur Ebene sagen DFT-Berechnungen eine Spinaufspaltung von ≈16 meV bei Γ ̅ und ≈8 meV bei K ̅ und (K') ̅ voraus. Um die Leitungsbandzustände von MoS2 zu untersuchen, haben wir MoS2/Graphen/Co mit Kaliumatomen dotiert. Das resultierende System zeichnet sich dadurch aus, dass Kaliumatome unter MoS2 interkaliert sind, was den Abstand zwischen der MoS2-Monolage und dem Kobaltfilm vergrößert. Spinaufgelöste Messungen zeigten keine in-plane Spinaufspaltung der MoS2-Valenzbandzustände im Bereich von Γ ̅ und der MoS2-Leitungsbandzustände im Bereich von K ̅. Da Graphen eine Pufferschicht zwischen der MoS2-Monolage und der Kobaltschicht bildet, um ein mögliches Exzitonen-Löschen zu verhindern, untersuchten wir die Rolle von Graphen für den magnetischen Proximity-Effekt. In unseren Berechnungen ersetzten wir Graphen durch eine Graphen-Doppelschicht, h-BN, Vakuum und eine Kupfer-Monolage und kamen zu dem Schluss, dass der Effekt stark vom Orbitalüberlapp abhängt. MoS2/h-BN/Co zeigen ähnliche Ergebnisse, während MoS2-Graphen-Doppelschicht/Co und MoS2/Vakuum/Co fast keinen magnetischen Proximity-Effekt aufweisen. Zusammenfassend haben wir mittels spektroskopischer Methoden und DFT-Berechnungen bewiesen, dass die Spinstruktur einer MoS2-Monolage durch Wechselwirkung mit einem Substrat manipuliert werden kann. Wir blicken daher mit Zuversicht auf zukünftige optische Untersuchungen zur optischen Kontrolle von MoS2 und Dichalcogeniden der Gruppe VI durch den magnetischen Proximity-Effekt. KW - MoS₂ KW - Au(111) KW - gold substrate KW - magnetic proximity effect KW - dark exciton KW - Molybdenum sulfide monolayer KW - graphene KW - spin structure KW - valence band structure KW - Cobalt thin film KW - ARPES KW - Angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy KW - MBE KW - Molecular Beam Epitaxy KW - CVD KW - Chemical Vapour Deposition KW - synthesis KW - XPS KW - X-rays Photoemission Spectroscopy KW - LEED KW - Low Energy Electron Diffraction KW - MoS₂ KW - Molybdänsulfid Monolagen KW - Graphene KW - Au(111) KW - Goldsubstrat KW - magnetischer Näherungseffekt KW - dunkles Exziton KW - Spinstruktur KW - Leitungsbandstruktur KW - Kobalt-Dünnfilm KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Molekularstrahlepitaxie KW - chemische Gasphasenabscheidung KW - Synthese KW - Beugung niederenergetischer Elektronen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-590709 ER - TY - THES A1 - Sánchez-Barriga, Jaime T1 - A photoemission study of quasiparticle excitations, electron-correlation effects and magnetization dynamics in thin magnetic systems T1 - Eine Photoemissionsstudie zu Quasiteilchenanregungen, Elektronenkorrelationseffekten und der Magnetisierungsdynamik in dünnen magnetischen Systemen N2 - This thesis is focused on the electronic, spin-dependent and dynamical properties of thin magnetic systems. Photoemission-related techniques are combined with synchrotron radiation to study the spin-dependent properties of these systems in the energy and time domains. In the first part of this thesis, the strength of electron correlation effects in the spin-dependent electronic structure of ferromagnetic bcc Fe(110) and hcp Co(0001) is investigated by means of spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy. The experimental results are compared to theoretical calculations within the three-body scattering approximation and within the dynamical mean-field theory, together with one-step model calculations of the photoemission process. From this comparison it is demonstrated that the present state of the art many-body calculations, although improving the description of correlation effects in Fe and Co, give too small mass renormalizations and scattering rates thus demanding more refined many-body theories including nonlocal fluctuations. In the second part, it is shown in detail monitoring by photoelectron spectroscopy how graphene can be grown by chemical vapour deposition on the transition-metal surfaces Ni(111) and Co(0001) and intercalated by a monoatomic layer of Au. For both systems, a linear E(k) dispersion of massless Dirac fermions is observed in the graphene pi-band in the vicinity of the Fermi energy. Spin-resolved photoemission from the graphene pi-band shows that the ferromagnetic polarization of graphene/Ni(111) and graphene/Co(0001) is negligible and that graphene on Ni(111) is after intercalation of Au spin-orbit split by the Rashba effect. In the last part, a time-resolved x-ray magnetic circular dichroic-photoelectron emission microscopy study of a permalloy platelet comprising three cross-tie domain walls is presented. It is shown how a fast picosecond magnetic response in the precessional motion of the magnetization can be induced by means of a laser-excited photoswitch. From a comparision to micromagnetic calculations it is demonstrated that the relatively high precessional frequency observed in the experiments is directly linked to the nature of the vortex/antivortex dynamics and its response to the magnetic perturbation. This includes the time-dependent reversal of the vortex core polarization, a process which is beyond the limit of detection in the present experiments. N2 - Diese Dissertation beschäftigt sich mit den elektronischen, spinabhängigen und dynamischen Eigenschaften dünner magnetischer Systeme. Auf dem Photoeffekt basierende Untersuchungsmethoden werden zusammen mit Synchrotronstrahlung eingesetzt, um die spinabhängigen Eigenschaften dieser Systeme im Energie- und Zeitbereich zu untersuchen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird mit spin- und winkelaufgelöster Photoemission die Stärke von Elektronenkorrelationseffekten in der spinabhängigen elektonischen Struktur von ferromagnetischerm bcc Fe(110) und hcp Co(0001) untersucht. Die experimentellen Ergebnisse werden verglichen mit theoreteischen Berechnungen im Rahmen der Näherung der Drei-Körper-Streuung und der dynamischen Molekularfeldtheorie, zusammen mit Berechnungen des Photoemissionsprozesses im Rahmen des Ein-Stufen-Modells. Ausgehend von diesem Vergleich wird gezeigt, dass die gegenwärtig fortgeschrittensten Rechnung, obgleich sie die Beschreibung von Korrelationseffekten in Fe und Co verbessern, zu kleine Massenrenormalisierungen und Streuraten ergeben, was zu der Forderung nach verfeinerten Vielteilchentheorien unter Einbeziehung von nichtlokalen Fluktuationen führt. Im zweiten Teil wird unter Kontrolle durch die Photoelektronenspektroskopie im Detail gezeigt, wie Graphen durch chemische Gasphasenabscheidung auf den Übergangsmetall-Oberflächen Ni(111) und Co(0001) aufgebracht und mit einer Monolage Au interkaliert werden kann. Für beide Systeme wird eine lineare E(k)-Dispersion masseloser Dirac-Fermionen im Graphen-pi-Band in der Nähe der Fermi-Energie beobachtet. Spinaufgelöste Photoemission des Graphen-pi-Bandes zeigt, dass die ferromagnetische Polarisation von Graphen/Ni(111) und Graphen/Co(0001) vernachlässigbar ist und dass Graphen/Ni(111) nach Interkalation mit Au eine Spin-Bahn-Aufspaltung aufgrund des Rashba-Effekts zeigt. Im letzten Teil wird eine zeitaufgelöste Studie des Röntgenzirkulardichroismus mit Photoelektronenmikroskopie präsentiert, die an einer Permalloy-Probe durchgeführt wurde, die drei als Stachelwände ausgebildete Domänenwände enthält. Es wird gezeigt, wie eine schnelle magnetische Antwort auf der Pikosekundenskala in der Präzessionsbewegung der Magnetisierung durch einen laserangesteuerten Photoschalter erzeugt werden kann. Durch Vergleich mit einer mikromagnetischen Rechnung wird gezeigt, dass die relativ hohe Präzessionsfrequenz, die im Experiment beobachtet wird, in unmittelbarer Beziehung steht zu den Eigenschaften der Vortex/Antivortex-Dynamik und ihrer Antwort auf die magnetische Störung. Das schließt die zeitabhängige Umkehr der Vortexkernpolarisation ein, einem Vorgang der jenseits der Nachweisgrenze der gegenwärtigen Experimente liegt. KW - Spin- und winkelaufgelöste Photoemission KW - Photoelektronenmikroskopie KW - Eisen KW - Kobalt KW - Graphen KW - Rashba-Effekt KW - Spinwellen KW - Synchrotronstrahlung KW - spin- and angle-resolved photoemission KW - photoelectron microscopy KW - iron KW - cobalt KW - graphene KW - Rashba effect KW - spin waves KW - synchrotron radiation Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-48499 ER - TY - GEN A1 - Ehlert, Christopher A1 - Holzweber, Markus A1 - Lippitz, Andreas A1 - Unger, Wolfgang E. S. A1 - Saalfrank, Peter T1 - A detailed assignment of NEXAFS resonances of imidazolium based ionic liquids N2 - In Near Edge X-Ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) spectroscopy X-Ray photons are used to excite tightly bound core electrons to low-lying unoccupied orbitals of the system. This technique offers insight into the electronic structure of the system as well as useful structural information. In this work, we apply NEXAFS to two kinds of imidazolium based ionic liquids ([CnC1im]+[NTf2]- and [C4C1im]+[I]-). A combination of measurements and quantum chemical calculations of C K and N K NEXAFS resonances is presented. The simulations, based on the transition potential density functional theory method (TP-DFT), reproduce all characteristic features observed by the experiment. Furthermore, a detailed assignment of resonance features to excitation centers (carbon or nitrogen atoms) leads to a consistent interpretation of the spectra. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 315 KW - ray absorption-spectroscopy KW - fine-structure KW - spectra KW - simulations KW - molecules KW - dynamics KW - graphene KW - surface KW - salts Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-394417 SP - 8654 EP - 8661 ER -