ISBN 978-3-8439-1885-5

978-3-8439-1885-5, Reihe Physik

Thomas Kunze
Impulsabhängige, ultraschnelle Elektronendynamik an gestuften Oberflächen und topologischen Isolatoren untersucht mit winkelauflösender Flugzeitspektroskopie

147 Seiten, Dissertation Freie Universität Berlin (2014), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit wurde am Max-Born-Institut Berlin und an der FU Berlin in Kooperation mit der SPECS Surface Nano Analysis GmbH durchgeführt. Gemeinsam wurde ein winkelauflösendes Flugzeitspektrometer entwickelt. Im Gegensatz zu einem Halbkugelanalysator bietet es den großen Vorteil, dass alle Richtungen im k-Raum gleichzeitig vermessen werden.

Erste Funktionstests mit Zwei-Photonen-Photoemission wurden an einer Cu(1 1 1)-Probe durchgeführt. Die gemessenen Bindungsenergien und Dispersionen des Shockley Oberflächenzustands und der Bildladungszustände entsprechen denen in der Literatur.

Die richtungsabhängigen Lebensdauermessungen an der gestuften Cu(1 1 11)-Oberfläche zeigen das große Potential des Flugzeitspektrometers. Durch die gleichzeitige Messung der Elektronendynamik parallel und senkrecht zu den Stufenkanten konnte der Einfluss der Stufenkanten auf die Lebensdauern, die sich um wenige fs unterscheiden, gezeigt werden.

Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Messungen am Topologischen Isolator Sb2Te2S. Das Material ist p-dotiert, daher liegt der Dirac-Punkt über dem Ferminiveau. Die Elektronendynamik konnte vermessen und erklärt werden. Die Zerfallsdauern betragen bis zu 1200 fs. Unsere Messungen zeigen, dass die Elektronendynamik nicht von der Hauptsymmetrierichtung, jedoch von der Temperatur abhängt. Bei tiefen Temperaturen wird die gesamte Elektronendynamik schneller. Insbesondere im Leitungsbandminimum und im Dirac-Kegel verkleinern sich die Zerfallsdauern. Im Leitungsband wird die Relaxation der Elektronen durch Elektron-Elektron-Streuung, im Leitungsbandminimum und Dirac-Kegel durch Elektron-Phonon-Streuung getrieben. Für den Dirac-Kegel wurde eine Simulation entwickelt, die mit Hilfe von Ratengleichungen die Populationszahl abhängig von der Energie und der Zeit berechnet. Durch die Einbeziehung der Phononenabsorption konnte die Beschleunigung der Dynamik bei tiefen Temperaturen reproduziert werden.