Spin polarization, circular dichroism, and robustness of topological surface states

Spinpolarisation, Zirkulardichroismus und Robustheit Topologischer Oberflächenzustände

  • This thesis is focussed on the electronic properties of the new material class named topological insulators. Spin and angle resolved photoelectron spectroscopy have been applied to reveal several unique properties of the surface state of these materials. The first part of this thesis introduces the methodical background of these quite established experimental techniques. In the following chapter, the theoretical concept of topological insulators is introduced. Starting from the prominent example of the quantum Hall effect, the application of topological invariants to classify material systems is illuminated. It is explained how, in presence of time reversal symmetry, which is broken in the quantum Hall phase, strong spin orbit coupling can drive a system into a topologically non trivial phase. The prediction of the spin quantum Hall effect in two dimensional insulators an the generalization to the three dimensional case of topological insulators is reviewed together with the first experimental realization of a three dimensionalThis thesis is focussed on the electronic properties of the new material class named topological insulators. Spin and angle resolved photoelectron spectroscopy have been applied to reveal several unique properties of the surface state of these materials. The first part of this thesis introduces the methodical background of these quite established experimental techniques. In the following chapter, the theoretical concept of topological insulators is introduced. Starting from the prominent example of the quantum Hall effect, the application of topological invariants to classify material systems is illuminated. It is explained how, in presence of time reversal symmetry, which is broken in the quantum Hall phase, strong spin orbit coupling can drive a system into a topologically non trivial phase. The prediction of the spin quantum Hall effect in two dimensional insulators an the generalization to the three dimensional case of topological insulators is reviewed together with the first experimental realization of a three dimensional topological insulator in the Bi1-xSbx alloys given in the literature. The experimental part starts with the introduction of the Bi2X3 (X=Se, Te) family of materials. Recent theoretical predictions and experimental findings on the bulk and surface electronic structure of these materials are introduced in close discussion to our own experimental results. Furthermore, it is revealed, that the topological surface state of Bi2Te3 shares its orbital symmetry with the bulk valence band and the observation of a temperature induced shift of the chemical potential is to a high probability unmasked as a doping effect due to residual gas adsorption. The surface state of Bi2Te3 is found to be highly spin polarized with a polarization value of about 70% in a macroscopic area, while in Bi2Se3 the polarization appears reduced, not exceeding 50%. We, however, argue that the polarization is most likely only extrinsically limited in terms of the finite angular resolution and the lacking detectability of the out of plane component of the electron spin. A further argument is based on the reduced surface quality of the single crystals after cleavage and, for Bi2Se3 a sensitivity of the electronic structure to photon exposure. We probe the robustness of the topological surface state in Bi2X3 against surface impurities in Chapter 5. This robustness is provided through the protection by the time reversal symmetry. Silver, deposited on the (111) surface of Bi2Se3 leads to a strong electron doping but the surface state is observed up to a deposited Ag mass equivalent to one atomic monolayer. The opposite sign of doping, i.e., hole-like, is observed by exposing oxygen to Bi2Te3. But while the n-type shift of Ag on Bi2Se3 appears to be more or less rigid, O2 is lifting the Dirac point of the topological surface state in Bi2Te3 out of the valence band minimum at $\Gamma$. After increasing the oxygen dose further, it is possible to shift the Dirac point to the Fermi level, while the valence band stays well beyond. The effect is found reversible, by warming up the samples which is interpreted in terms of physisorption of O2. For magnetic impurities, i.e., Fe, we find a similar behavior as for the case of Ag in both Bi2Se3 and Bi2Te3. However, in that case the robustness is unexpected, since magnetic impurities are capable to break time reversal symmetry which should introduce a gap in the surface state at the Dirac point which in turn removes the protection. We argue, that the fact that the surface state shows no gap must be attributed to a missing magnetization of the Fe overlayer. In Bi2Te3 we are able to observe the surface state for deposited iron mass equivalents in the monolayer regime. Furthermore, we gain control over the sign of doping through the sample temperature during deposition. Chapter6 is devoted to the lifetime broadening of the photoemission signal from the topological surface states of Bi2Se3 and Bi2Te3. It is revealed that the hexagonal warping of the surface state in Bi2Te3 introduces an anisotropy for electrons traveling along the two distinct high symmetry directions of the surface Brillouin zone, i.e., $\Gamma$K and $\Gamma$M. We show that the phonon coupling strength to the surface electrons in Bi2Te3 is in nice agreement with the theoretical prediction but, nevertheless, higher than one may expect. We argue that the electron-phonon coupling is one of the main contributions to the decay of photoholes but the relatively small size of the Fermi surface limits the number of phonon modes that may scatter off electrons. This effect is manifested in the energy dependence of the imaginary part of the electron self energy of the surface state which shows a decay to higher binding energies in contrast to the monotonic increase proportional to E$^2$ in the Fermi liquid theory due to electron-electron interaction. Furthermore, the effect of the surface impurities of Chapter 5 on the quasiparticle life- times is investigated. We find that Fe impurities have a much stronger influence on the lifetimes as compared to Ag. Moreover, we find that the influence is stronger independently of the sign of the doping. We argue that this observation suggests a minor contribution of the warping on increased scattering rates in contrast to current belief. This is additionally confirmed by the observation that the scattering rates increase further with increasing silver amount while the doping stays constant and by the fact that clean Bi2Se3 and Bi2Te3 show very similar scattering rates regardless of the much stronger warping in Bi2Te3. In the last chapter we report on a strong circular dichroism in the angle distribution of the photoemission signal of the surface state of Bi2Te3. We show that the color pattern obtained by calculating the difference between photoemission intensities measured with opposite photon helicity reflects the pattern expected for the spin polarization. However, we find a strong influence on strength and even sign of the effect when varying the photon energy. The sign change is qualitatively confirmed by means of one-step photoemission calculations conducted by our collaborators from the LMU München, while the calculated spin polarization is found to be independent of the excitation energy. Experiment and theory together unambiguously uncover the dichroism in these systems as a final state effect and the question in the title of the chapter has to be negated: Circular dichroism in the angle distribution is not a new spin sensitive technique.show moreshow less
  • Dreidimensionale topologische Isolatoren sind ein neues Materialsystem, welches dadurch charakterisiert ist, dass es in seinem Inneren isolierend an der Ober äche jedoch leitend ist. Ursächlich für die Leitfähigkeit an der Ober äche sind sogenannte topologische Ober- ächenzustände, welche das Valenzband des Inneren mit dem Leitungsband des Inneren verbinden. An der Ober äche ist also die Bandlücke, welche die isolierende Eigenschaft verursacht, geschlossen. Die vorliegende Arbeit untersucht diese Ober ächenzustände mittels spin- und winkelauf- gelöster Photoemissionsspektroskopie. Es wird gezeigt, dass in den Materialien Bi2Se3 und Bi2Te3, in übereinstimmung mit der Literatur, die entscheidenden Charakteristika eines topologischen Ober ächenzustands vorzu nden sind: Die Ober ächenzustände dieser Sys- teme durchqueren die Bandlücke in ungerader Anzahl, sie sind nicht entartet und weisen folgerichtig eine hohe Spinpolarisation auf. Weiterhin wird durch Aufdampfen diverser Adsorbate gezeigt, dass der Ober ächenzustän- de von Bi2Se3Dreidimensionale topologische Isolatoren sind ein neues Materialsystem, welches dadurch charakterisiert ist, dass es in seinem Inneren isolierend an der Ober äche jedoch leitend ist. Ursächlich für die Leitfähigkeit an der Ober äche sind sogenannte topologische Ober- ächenzustände, welche das Valenzband des Inneren mit dem Leitungsband des Inneren verbinden. An der Ober äche ist also die Bandlücke, welche die isolierende Eigenschaft verursacht, geschlossen. Die vorliegende Arbeit untersucht diese Ober ächenzustände mittels spin- und winkelauf- gelöster Photoemissionsspektroskopie. Es wird gezeigt, dass in den Materialien Bi2Se3 und Bi2Te3, in übereinstimmung mit der Literatur, die entscheidenden Charakteristika eines topologischen Ober ächenzustands vorzu nden sind: Die Ober ächenzustände dieser Sys- teme durchqueren die Bandlücke in ungerader Anzahl, sie sind nicht entartet und weisen folgerichtig eine hohe Spinpolarisation auf. Weiterhin wird durch Aufdampfen diverser Adsorbate gezeigt, dass der Ober ächenzustän- de von Bi2Se3 und Bi2Te3, wie erwartet, extrem robust ist. Ober ächenzustände topologisch trivialer Systeme erfüllen diese Eigenschaft nicht; bereits kleine Verunreinigungen kön- nen diese Zustände zerstören, bzw. die Ober äche isolierend machen. Die topologischen Ober ächenzustände können in der vorliegenden Arbeit noch bis zur Detektionsgrenze der experimentellen Messmethode nachgewiesen werden und die Ober äche bleibt Leitfähig. Unter den Adsorbaten be ndet sich auch Eisen, ein bekanntermaßen magnetisches Materi- al. Eine der Grundvoraussetzungen für topologische Isolatoren ist die Zeitumkehrsymme- trie, die Elektronen, welche den topologischen Ober ächenzustand besetzen, vorschreibt, dass sie eine bestimmte Spinrichtung haben müssen, wenn sie sich beispielsweise nach links bewegen und den entgegengesetzten Spin wenn sie sich nach rechts bewegen. In magnetischen Materialien ist die Zeitumkehrsymmetrie jedoch explizit gebrochen und die gezeigte Robustheit des Ober ächenzustands gegen magnetische Materialien daher uner- wartet. Die Zeitumkehrsymmetrie sorgt auch dafür, dass eine Streuung der Elektronen um 180°, beispielsweise an einem Gitterdefekt oder an einem Phonon strikt verboten ist. Bei einem solchen Streuprozess bleibt die Spinrichtung erhalten, da aber in der Gegenrichtung nur Zustände mit entgegengesetztem Spin vorhanden sind kann das Elektron nicht in diese Richtung gestreut werden. Dieses Prinzip wird anhand der Lebensdauer der durch Pho- toemission angeregten Zustände untersucht. Hierbei wird gezeigt, dass die Kopplung der Elektronen des Ober ächenzustands von Bi2Te3 an Phononen unerwartet hoch ist und dass sich eine Anisotropie in der Bandstruktur des Selbigen auch in den Lebensdauern der ange- regten Zustände widerspiegelt. Weiterhin wird gezeigt, dass sich die Ein üsse von magne- tischen und nicht-magnetischen Verunreinigungen auf die Lebensdauern stark voneinander unterscheiden. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit wird untersucht, ob eine Asymmetrie in der Inten- sitätsverteilung der winkelaufgelösten Photoemissionsspektren, bei Anregung mit zirku- lar polarisiertem Licht, in Bi2Te3 Rückschlüsse auf die Spinpolarisation der Elektronen erlaubt. Bei Variation der Energie des eingestrahlten Lichts wird ein Vorzeichenwechsel der Asymmetrie beobachtet. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Asymmetrie keine Rückschlüsse auf die Spinpolarisation erlaubt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Markus Reiner Scholz
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96686
Subtitle (English):a photoemission study
Subtitle (German):eine Photoemissionsstudie
Advisor:Oliver Rader
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2012
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2013/08/29
Release Date:2016/10/04
Tag:Bi2Se3; Bi2Te3; Magnetismus; Oberflächenzustände; Spinpolarisation; Zirkulardichroismus; spinaufgelöste Photoelektronenspektroskopie; topologische Isolatoren; winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie
Bi2Se3; Bi2Te3; angle resolved photoelectron spectroscopy; circular dichroism; quasiparticle interactions; spin resolved photoelectron spectroscopy; spin-orbit coupling; surface states; time reversal symmetry; topological insulators
Pagenumber:153
RVK - Regensburg Classification:UP 1080, UP 5450, UP 5020, UP 4600
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Extern / Extern
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
PACS Classification:70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES
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