Forschung in der Gruppe von Prof. Dr. Claus M. Schneider
Laborexperimente
Die besonderen Eigenschaften von elektronischen Banddispersionen, die im reziproken Raum beschrieben werden, sind die Grundlage für die Funktion moderner Spintronik-Bauelemente, wie zum Beispiel magnetischen Tunnelkontakten. Für die Untersuchung dieser elektronischen Strukturen neuer Materialien ist die hochauflösende winkelabhängige Photoemission (ARPES) die Methode der Wahl.
Unser ARPES Experiment im Labor [1] ist ausgerüstet mit einem winkelauflösenden Scienta SES200 Halbkugelanalysator, diversen Gasentladungslampen, die Licht mit Energien von 8,3 eV, 10,0 eV, 11,6 eV, 21,2 eV und 40,8 eV zur Verfügung stellen, sowie einem Helium gekühltem Kryostaten, der unsere Proben auf eine Temperatur von 15K abkühlt.
Da die Photoemission eine oberflächensensitive Methode ist, müssen alle Experimente unter Ultrahochvakuum- (UHV) Bedingungen durchgeführt werden. Die Techniken zur Präparation einer sauberen Oberfläche, wie beispielsweise das Aufspalten von Proben (cleaving), das Abtragen der Kontaminationen mit einem Ionenstrahl (sputtering) oder das plötzliche starke Erhitzen (annealing) sind unter diesen UHV-Bedingungen anwendbar. Ultradünne epitaktische Filme können mit einer integrierten Molekularstrahlepitaxieanlage (MBE) direkt im UHV erzeugt werden. Unsere Experimentierkammer ist außerdem unter anderem mit einem System zur Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED), einem Auger-Spektrometer, einem Massenspektrometer und einer Quartzwaage zur Schichtdickenmessung ausgestattet.
Die Abbildung zeigt die dreidimensionale Darstellung der elektronischen Bandstruktur von Bi2Te3, gemessen bei einer Photonenenergie von 21,2 eV und einer Probentemperatur von 15 K [2].
Zur Zeit bauen wir eine weitere Experimentierkammer auf, die ausgerüstet wird mit einem modernen Halbkugelanalysator, dessen zwei Detektoren sowohl ARPES Experimente als auch spinaufgelöste Photoemission ermöglichen.
[1] S. Suga, A. Sekiyama, G. Funabashi, J. Yamaguchi, M. Kimura, M. Tsujibayashi, T. Uyama, H. Sugiyama, Y. Tomida, G. Kuwahara, S. Kitayama, K. Fukushima, K. Kimura, T. Yokoi, K. Murakami, H. Fujiwara, Y. Saitoh, L. Plucinski und C. M. Schneider, “High resolution, low h nu photoelectron spectroscopy with the use of a microwave excited rare gas lamp and ionic crystal filters”, Rev. Sci. Instrum. 81, 105111 (2010).
[2] L. Plucinski, G. Mussler, J. Krumrain, A. Herdt, S. Suga, D. Grützmacher und C. M. Schneider, "Robust surface electronic properties of topological insulators: Bi2Te3 films grown by molecular beam epitaxy", Appl. Phys. Lett. 98, 222503 (2011).
XPS-Experimente bei DELTA in Dortmund
An der Synchrotronstrahlungsquelle DELTA der TU Dortmund betreiben wir eine Strahllinie mit Experimentierstation. Die Anlage ist ausgelegt für winkel- und spinaufgelöste Photoemissionsexperimente im Ultraviolett- (UV) und Röntgenbereich. Hier untersuchen wir magnetische Mehrlagen-Dünnschichtsysteme sowie ihre Grenz- und Oberflächen.
Ein Undulator am Elektronenspeicherring erzeugt für unsere Experimente die benötigte Strahlung in einem Energiebereich von 10 eV bis 400 eV mit einer besonders hohen Intensität im unteren Energiebereich. Mithilfe eines Planspiegel-Plangitter Monochromators wird diese Strahlung in der Strahllinie monochromatisiert und in die Experimentierkammer geleitet. Auf diese Weise steht uns für die Experimente intensive Strahlung in einem weiten Energiebereich zur Verfügung.
Die Experimentierkammer ist ausgestattet mit einem Halbkugelanalysator, an den zwei unterschiedliche Detektoren angeschlossen sind [3]. Mit dem ortsauflösenden 2D-Delay-Line Detektor sind ARPES Experimente möglich, mit deren Hilfe elektronische Bandstrukturen untersucht werden. Bei dem anderen Detektor handelt es sich um einen SPLEED-Detektor für spinaufgelöste Photoemissionsexperimente.
Die zu untersuchenden Proben können in einer zweiten UHV-Kammer vorbereitet werden. Diese Präparationskammer ist mit der Experimentierkammer so verbunden, dass die Proben unter UHV-Bedingungen in beide Richtungen transferiert werden können. Zur Reinigung der Oberfläche bereits vorbereiteter und zur Herstellung neuer Proben, ist die Präparationskammer mit diversen Verdampfer- und Sputtereinrichtungen ausgerüstet. Auch ein LEED- und Auger-System steht zur Verfügung.
[3] L. Plucinski, A. Oelsner, F. Matthes und C.M. Schneider, "A hemispherical photoelectron spectrometer with 2-dimensional delay-line detector and integrated spin-polarization analysis", J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 181, 215-219 (2010).
Ausgewählte Arbeiten
V. Feyer, M. Graus, P. Nigge, G. Zamborlini, R. G. Acres, A. Schöll, F. T. Reinert und C. M. Schneider, "The geometric and electronic structure of TCNQ and TCNQ+Mn on Ag(001) and Cu(001) surfaces", J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom.204, 125 (2015).
M. L. Hoppe, S. Döring, M. Gorgoi, S. Cramm und M. Müller, "Enhanced ferrimagnetism in auxetic NiFe2O4 in the crossover to the ultrathin-film limit" ,Phys. Rev. B 91, 054418 (2015).
Y. Aoki, C.Wiemann, V. Feyer, H.-S. Kim, C. M. Schneider, H. Ill-Yoo und M. Martin, "Bulk mixed ion electron conduction in amorphous gallium oxide causes memristive behaviour", Nat. comm. 5, 3473 (2014).
M. Patt, C. Wiemann, N. B. Weber, M. Escher, A. V. Gloskovskiǐ, W. Drube, M. Merkel und C. M. Schneider, "Bulk sensitive hard x-ray photoemission electron microscopy", Rev. Sci. Instrum. 85, 113704 (2014).
C. Caspers, A. Gloskovskii, W. Drube,c. M. Schneider und M. Müller, "Conductive yttria-stabilized zirconia as an epitaxial template for oxide heterostructures", J. Appl. Phys. 115, 17C111 (2014).
D. Legut, M. F. Tesch, H.-Ch. Mertins, M. C. Gilbert, C. Jansing, D. E. Bürgler, C. M. Schneider, A. Gaupp, J. Hamrle und P. M. Oppeneer, "Influence of the crystal structure of thin Co films on X-ray magnetic linear dichroism: comparison of ab initio theory and reflectometry experiments", J. Appl. Phys. 115, 17E132 (2014).
V. Feyer, M. Graus, P. Nigge, M. Wießner, R. G. Acres, C. Wiemann, C. M. Schneider, A. Schöll und F. Reinert, "Adsorption geometry and electronic structure of iron phthalocyanine on Ag surfaces: a LEED and photoelectron momentum mapping study", Surf. Sci. 621, 64 (2014).
H.-C. Mertins, D. Legut, C. Jansing, M. Gilbert, A. Gaupp, P. M. Oppeneer, D. E. Bürgler, C. M. Schneider und U. Berges, "Detection of the Magnetocrystalline Anisotropy in X-Ray Magnetic Linear Dichroism Reflection Spectra Across the Fe 3p and 2p Edges", IEEE Transactions on Magnetics 50, 11 (2014).
D. Gottlob, T. Jansen, M. Hoppe, D. E. Bürgler und C. M. Schneider, "Epitaxial Cu(001) films grown on a Cr/Ag/Fe/GaAs(001) buffer system", Thin Solid Films 562, 250 (2014).
M. F. Tesch, D. Legut, H.-Ch. Mertins, M. C. Gilbert, C. Jansing, J. Hamrle, J. Rusz, P. M. Oppeneer, D. E. Bürgler, C. M. Schneider, A. Gaupp und U. Berges, "Magnetocrystalline anisotropy in x-ray magnetic linear dichroism at the 3p edges of crystalline Fe thin films", Phys. Rev. B 89, 140404 (2014).
S. Khan, F. Bahnsen, S. Cramm, S. Döring, J. Grewe, M. Höner, H. Huck, M. Huck, R. Molo, L. Plucinski, A. Schick, C. M. Schneider und P. Ungelenk, "Generation of Ultrashort and Coherent Synchrotron Radiation Pulses at DELTA", Synchrotron Radiation News 26, 25 (2013).
A. Herdt, L. Plucinski, G. Bihlmayer, G. Mussler, S. Döring, J. Krumrain, D. Grützmacher, S. Blügel und C. M. Schneider, “Spin-polarization limit in Bi2Te3 Dirac cone studied by angle- and spin-resolved photoemission experiments and ab initio calculations”, Phys. Rev. B 87, 035127 (2013).
L. Plucinski, A. Herdt, S. Fahrendorf, G. Bihlmayer, G. Mussler, S. Döring, J. Kampmeier, F. Matthes, D. E. Bürgler, D. Grützmacher, S. Blügel und C. M. Schneider, “Electronic structure, surface morphology, and topologically protected surface states of Sb2Te3 thin films grown on Si(111)”, J. Appl. Phys. 113, 053706 (2013).