Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-3295
Authors: Schaefer, Erik Dai
Title: Vectorial multichannel-spin-polarimetry and the analysis of spin-transport in metal-organic interfaces
Online publication date: 15-Feb-2017
Language: english
Abstract: Photoemission spectroscopy has become the key technique for the investigation of electronic properties of promising materials such as Heusler compounds, Weyl systems, materials exhibiting a strong Rashba effect, topological insulators or hybrid metal-organic interfaces. During the last decade photoemission spectroscopy without spin resolution enjoyed a considerable increase in performance due to parallel image detection while the spin polarization analysis of a given electron beam remained time consuming. Since potential candidates for spintronic applications such as metal-organic interfaces tend to degrade within a short period, a massive reduction of spin-resolved data acquisition time is crucial. A newly developed high-performance imaging spin filter system based on a large Ir(001) scattering crystal tackles this issue by enhancing the measurement efficiency. An increase of the effective figure of merit by a factor of over 103 in contrast to standard single-channel detectors is presented together with a detailed characterization of the experimental setup. Furthermore, the spectrometer resolution, spin filter preparation and lifetime are reviewed. An energy and angular resolution of 27 meV and 0.23◦ has been determined for an energy and angular acceptance of 1.5 eV and ±10◦. The spin filter efficiency is analyzed by mapping a broad range of scattering energy and azimuthal angle. A Sherman function of up to 0.44 has been measured under ideal conditions. If the scattering plane coincides with a mirror plane of the crystal, the spin filter is only sensitive to the component of the spin vector perpendicular to the scattering plane. A scattering plane that does not coincide with a crystal mirror plane yields a high sensitivity to spin vector components that are parallel to the scattering plane. A spin rotator element enables the independent determination of the two in-plane components of the spin vector. By combining three or six scattering conditions a vectorial spin analysis becomes possible for both, magnetic and non-magnetic samples. Spin-resolved spectra of Fe/W(110) and H2TPP films of different thickness on Fe/W(110) are measured with the efficient multichannel spin-resolving photoemission spectrometer and with the ESPRESSO spectrometer at the Hiroshima Synchrotron Radiation Center. The experimental results allow for a determination of the spin diffusion length within the molecular film.
Die Photoemissionsspektroskopie ist zur Schlüsseltechnik für die Untersuchung elektronischer Eigenschaften von vielversprechenden Materialien wie Heusler Verbindungen, Weyl Systeme, Materialien mit Rashba-Effekt, topologische Isolatoren oder metall-organische Grenzflächen geworden. In den letzten Jahren hat sich die Leistungsfähigkeit der Photoemissionsspektroskopie durch die Einführung der parallelen Bildgebung erheblich gesteigert. Die Analyse der Spinpolarisation blieb jedoch zeitaufwendig. Da für Spintronikanwendungen potenziell geeignete Materialien wie zum Beispiel metall-organische Grenzflächen dazu neigen, innerhalb von kurzer Zeit qualitativ zu degradieren, ist eine deutliche Reduzierung der Messdauer spinaufgelöster Daten notwendig. Ein neu entwickelter und leistungsfähiger abbildender Spinfilter, der auf einem großen Ir(001) Streukristall basiert, bewältigt dieses Problem durch die Erhöhung der Messeffizienz. Eine Erhöhung der effektiven Gütefunktion um einen Faktor von über 103 im Gegensatz zu üblichen einkanaligen Detektoren wird zusammen mit einer detaillierten Charakterisierung des experimentellen Aufbaus präsentiert. Insbesondere wird die Spektrometerauflösung im Energie- und Impulsraum bestimmt. Die Energie- und Winkelauflösung beträgt 27 meV bzw. 0.23◦ für eine Energie- und Winkelakzeptanz 1.5 eV bzw. ±10◦. Die Spinfiltereffizienz wird über große Energie- und Winkelbereiche kartiert und analysiert. Dabei wird unter idealen Bedingungen eine Sherman Funktion von bis zu 0.44 gemessen. Fällt die Streuebene mit einer Spiegelebene des Kristalls zusammen, ist der Spinfilter ausschließlich sensitiv auf die Komponente des Spinvektors senkrecht zur Streuebene. Streuebenen, die nicht mit einer Spiegelebene zusammenfallen, ergeben eine ergeben eine hohe Sensitivität für Komponenten des Spinvektors parallel zur Streuebene. Ein Element zur Drehung von Spins ermöglicht die unabhängige Bestimmung der zwei in-plane Komponenten des Spinvektors. Durch die Kombination von drei oder sechs Streubedingungen wird die vektorielle Spinanalyse für magnetische und unmagnetische Proben möglich. Spinaufgelöste Spektren von Fe/W(110) und H2TPP Schichten unterschiedlicher Dicke auf Fe/W(110) werden mit dem effizienten und parallelisierten spin-auflösenden Photoemissionsspektrometer sowie mit dem ESPRESSO Spektrometer am Hiroshima Synchrotron Radiation Center gemessen. Die experimentellen Resultate ermöglichen die Bestimmung der Spindiffusionslänge innerhalb des molekularen Films.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3295
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 101 Seiten
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