Stuttgart, Univ., Diss., 2003.

Spin- and \(k\)-resolved hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) is a powerful tool to probe bulk electronic properties of complex metal oxides. Due to the low efficiency of common spin detectors of about \(10^{-4}\), such experiments have been rarely performed within the hard X-ray regime since the notoriously low photoionization cross sections further lower the performance tremendously. This thesis is about a new type of spin detector, which employs an imaging spin-filter with multichannel electron recording. This increases the efficiency by a factor of \(10^4\) and makes spin- and \(k\)-resolved photoemission at high excitation energies possible. Two different technical approaches were pursued in this thesis: One using a hemispherical deflection analyzer (HDA) and a separate external spin detector chamber, the other one resorting to a momentum- or \(k\)-space microscope with time-of-flight (TOF) energy recording and an integrated spin-filter crystal. The latter exhibits significantly higher count rates and - since it was designed for this purpose from scratch - the integrated spin-filter option found out to be more viable than the subsequent upgrade of an existing setup with an HDA. This instrumental development is followed by the investigation of the complex metal oxides (CMOs) KTaO\(_3\) by angle-resolved HAXPES (HARPES) and Fe\(_3\)O\(_4\) by spin-resolved HAXPES (spin-HAXPES), respectively. KTaO\(_3\) (KTO) is a band insulator with a valence-electron configuration of Ta 5\(d^0\). By angle- and spin-integrated HAXPES it is shown that at the buried interface of LaAlO\(_3\)/KTO - by the generation of oxygen vacancies and hence effective electron doping - a conducting electron system forms in KTO. Further investigations using the momentum-resolution of the \(k\)-space TOF microscope show that these states are confined to the surface in KTO and intensity is only obtained from the center or the Gamma-point of each Brillouin zone (BZ). These BZs are furthermore square-like arranged reflecting the three-dimensional cubic crystal structure of KTO. However, from a comparison to calculations it is found that the band structure deviates from that of electron-doped bulk KTaO\(_3\) due to the confinement to the interface. There is broad consensus that Fe\(_3\)O\(_4\) is a promising material for spintronics applications due to its high degree of spin polarization at the Fermi level. However, previous attempts to measure the spin polarization by spin-resolved photoemission spectroscopy have been hampered by the use of low photon energies resulting in high surface sensitivity. The surfaces of magnetite, though, tend to reconstruct due to their polar nature, and thus their magnetic and electronic properties may strongly deviate from each other and from the bulk, dependent on their orientation and specific preparation. In this work, the intrinsic bulk spin polarization of magnetite at the Fermi level (\(E_F\)) by spin-resolved photoelectron spectroscopy, is determined by spin-HAXPES on (111)-oriented thin films, epitaxially grown on ZnO(0001) to be \(P(E_F) = -80^{+10}_{-20}\) %. / Spin- und \(k\)-aufgelöste harte Röntgenphotoelektronenspektroskopie (HAXPES) ist ein leistungsähiges Werkzeug zur Untersuchung der elektronischen Eigenschaften komplexer Metalloxide. Aufgrund der geringen Effizienz gängiger Spin-Detektoren von etwa \(10^{-4}\) wurden solche Experimente im Bereich der harten Röntgenstrahlung nur selten durchgeführt, da die notorisch niedrigen Photoionisationsquerschnitte die Leistungsfähigkeit noch weiter verringern. In dieser Arbeit geht es um einen neuartigen Spin-Detektor, der einen abbildenden Spin-Filter mit Mehrkanal-Elektronenaufzeichnung verwendet. Dies erhöht die Effizienz um einen Faktor \(10^4\) und ermöglicht spin- und \(k\)-aufgelöste Photoemission bei hohen Anregungsenergien. Zwei verschiedene technische Ansätze werden in der vorliegenden Arbeit verfolgt: Zum einen mit einem Halbkugelanalysator (HDA) und einer separaten externen Spin-Detektorkammer, zum anderen mit einem Impuls- oder Impuls-Mikroskop mit Flugzeit-Energieaufzeichnung (TOF) und einem integrierten Spin-Filterkristall. Letzteres weist deutlich höhere Zählraten auf, und - da es von Grund auf für diesen Zweck entwickelt wurde - erwies sich die integrierte Spinfilteroption als praktikabler als die nachträgliche Aufrüstung des bestehenden Aufbaus mit einem HDA. Auf diese instrumentelle Entwicklung folgt die Untersuchung der komplexen Metalloxide (CMOs) KTaO\(_3\) durch winkelaufgelöstes HAXPES (HARPES) und Fe\(_3\)O\(_4\) durch spinaufgelöstes HAXPES (spin-HAXPES). KTaO\(_3\) (KTO) ist ein Bandisolator mit einer Valenz-Elektronenkonfiguration von Ta 5\(d^0\). Durch winkel- und spin-integriertes HAXPES wird gezeigt, dass sich an der vergrabenen Grenzfläche von dLaAlO\(_3\)/KTO - durch die Erzeugung von Sauerstoff-Fehlstellen und damit effektiver Elektronendotierung - ein leitendes Elektronensystem in KTO bildet. Weitere Untersuchungen mit der Impulsauflösung des TOF-Mikroskops im \(k\)-Raum zeigen, dass diese Zustände auf die Oberfläche in KTO beschränkt sind und die Intensität nur vom Zentrum oder dem Gamma-Punkt jeder Brillouin-Zone (BZ) gemessen wird. Diese BZn sind darüber hinaus quadratisch angeordnet, was die dreidimensionale kubische Kristallstruktur von KTO widerspiegelt. Aus einem Vergleich mit Bandrechnungen geht jedoch hervor, dass die Bandstruktur aufgrund des Einschlusses an der Grenzfläche von der des elektronen-dotierten KTO-Volumens abweicht. Es besteht ein breiter Konsens darüber, dass Fe\(_3\)O\(_4\) aufgrund seines hohen Grades an Spinpolarisation am Fermi-Niveau ein vielversprechendes Material für Spintronik-Anwendungen ist. Bisherige Versuche, die Spinpolarisation durch spinaufgelöste Photoemissionsspektroskopie zu messen, wurden jedoch durch die Verwendung von niedrigen Photonenenergien behindert, was zu einer hohen Oberflächenempfindlichkeit führt. Die Oberflächen von Magnetit neigen jedoch aufgrund ihres polaren Charakters zu Rekonstruktionen, so dass ihre magnetischen und elektronischen Eigenschaften stark voneinander und vom Volumen abweichen können, abhängig von ihrer Oberflächenorientierung und ihrer spezifischen Präparation. In dieser Arbeit wird die intrinsische Bulk-Spinpolarisation von Magnetit am Fermi-Niveau (\(E_F\)) durch spinaufgelöste Photoelektronenspektroskopie an (111)-orientierten dünnen Filmen, die epitaktisch auf ZnO(0001) gewachsen sind, zu \(P(E_F) = -80^{+10}_{-20}\) % bestimmt.

Das haloalkaphile Archaeon Natronomas pharaonis nutzt den Lichtrezeptor, das Sensorische Rhodopsin II (NpSRII), im Komplex mit dem halobakteriellen Transducer (NpHtrII) zur photophoben Antwort auf schädliches grün-blaues Licht und entsprechender Steuerung des Flagellenmotors um optimale Umgebungen zum Überleben aufzusuchen. In einer Membran rekonstituiert bildet der Rezeptor/Transducer Komplex eine 2:2 Stöchiometrie aus, wobei ein Transducer-Dimer von zwei Rezeptor-Molekülen flankiert wird. Durch die Lichtanregung wird ein Photozyklus initiiert, dessen Intermediate sich aufgrund ihrer optischen und/oder strukturellen Eigenschaften unterscheiden. In dieser Studie sind die strukturellen Änderungen des Rezeptors und des Transducers während des Photozyklus mit Hilfe der Elektronenspinresonanz (ESR)-Spektroskopie in Kombination mit der ortsspezifischen Spinmarkierung aufgeklärt worden. Als Methoden wurden dabei die zeitaufgelöste ESR-Spektroskopie und Abstandsmessungen in unterschiedlichen Intermediaten mit Hilfe von cw- und Puls-ESR-Techniken genutzt. Der Signaltransfer nach Initiierung des Photozyklus im Rezeptor, die Weiterleitung des Signals zum Transducer durch die Auswärtsbewegung der Helix F und die damit verbundene Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichts in der HAMP-Domäne des Transducers konnten beobachtet und analysiert werden. Die Methode der ESR-Spektroskopie erweist sich als mächtige biophysikalische Technik, die eine direkte und zeitaufgelöste Analyse von strukturellen Konformationsänderungen in Membranproteinen und die strukturelle Aufklärung unterschiedlicher Intermediate erlaubt.

Die Ergänzung der konventionellen Elektronik durch die quantenmechanischen Spin Eigenschaften der Elektronen ermöglicht die Entwicklung von schnellen und effizienten Rechnersystemen. Ein bekannter Baustein für solch ein System ist der Datta-Das Spin-Transistor. In dieser Arbeit wird ein akustisch angetriebener Spin-Transistor untersucht, basiert auf Quantendrähten definiert mittels Molekularstrahlepitaxie. Diese Quantendrähte (QWRs: quantum wires) bilden sich während des epitaktischen Überwachsens an den Flanken von Barrenstrukturen auf GaAs (001) Substraten. Elektronen (Löcher), die optisch in den QWR injiziert werden, sind lateral durch eine Potenzialbarriere von 25.4 meV (4.8 meV) zum umgebenden Qauntum Well eingesperrt. Die Verwendung einer akustischen Oberflächenwelle (AOW) ermöglicht den Transport von Elektronen und Löchern über große Entfernungen von bis zu 90 micron. Die akustische Transportdauer der QWR Ladungsträger entspricht der Dauer, die man aufgrund der akustischen Geschwindigkeit erwartet, d.h. dass die Ladungsträger sehr effizient transportiert werden. Im Fall von niedrigen akustischen Leistungen führen unbeabsichtigte Einfangzentren zu zusätzlichen Hotspots der Ladungsträgerrekombination auf dem Transportweg. Die intrinsischen Spinlebenszeiten der QWR Ladungsträger betragen ungefähr 2 ns bis 3 ns. Akustischer Spintransport im QWR wird über Entfernungen von mindestens 15 micron beobachtet. Es wird gezeigt, dass für Ladungsträger im QWR das Spin-Bahn Feld, um welches die Spins während des Transportes rotieren, stark von der akustischen Leistung abhängt. Daher stellen Flanken-QWRs auf GaAs (001) Substraten ein vielversprechendes Konzept für die Verwendung in einem akustisch betriebenen Spin-Transistor dar. / Fast and efficient computation devices can be developed by complementing conventional electronics with quantum mechanical spin. A common example for such a building block is the Datta-Das spin transistor. In this thesis, an acoustically driven spin transistor based on acoustic spin transport in quantum wires is investigated. These quantum wires (QWRs) are defined by molecular-beam epitaxy growth. They form on the sidewalls of ridges on GaAs (001) substrates. The edges of the ridges contain deviations from a straight line, originating from the photolithography process. Optically injected electrons and holes in the QWR are laterally confined by a potential barrier between the QWR and the surrounding QW of 25.4 meV and 4.8 meV, respectively. The application of a surface acoustic wave (SAW) enables the transport of electrons and holes over long distances along the QWR. For high acoustic powers, the charge carriers are transported by the strong SAW potential over distances up to 90 micron. The acoustic transport time of QWR corresponds to the one expected from the acoustic velocity, indicating a high transport efficiency. For lower acoustic powers, unintentional trapping centers lead to hotspots of carrier recombination along the transport path. The intrinsic spin lifetimes of the QWR carriers are approximately 2 ns to 3 ns. Acoustic spin transport in the QWR is observed over distances of at least 15 micron. It is shown that the spin-orbit field, around which the spins rotate during transport, strongly depends on the acoustic power for the QWR carriers. For high acoustic powers, the QWR spin precession frequency is enhanced by 3.5 times with respect to the intrinsic one. The results presented in this thesis demonstrate that the strain field of a SAW acts as a strain gate for QWR spins which are transported over a fixed distance. Therefore, the sidewall quantum wire on GaAs (001) substrates is a promising concept to be used in an acoustically driven spin transistor.

Die vorliegende Arbeit behandelt die elektrochemische Synthese (elektrochemische Polymerisation und Copolymerisation) und die Charakterisierung der Redox- und sensorischen Eigenschaften neuer funktionalisierter Polymere für die Ionensensorik. Die Funktionalisierung wird sowohl in der Polymer-Hauptkette (Polysalene) als auch in der Polymer-Seitenkette (ein Thiophen-Copolymer: 3-Methylthiophen/6-Hydroxy-2-(2-(3-thienyl)-ethoxy)-acetophenon) dargestellt. Die Redox-Prozesse der funktionalisierten Polymere wurden mit spektroelektrochemischen Methoden: ESR-, UV-Vis-NIR- und FTIR-Spektroelektrochemie charakterisiert. Durch diese Methoden konnten während der elektrochemischen Oxidation von funktionalisierten leitfähigen Polymeren verschiedene Polymer- bzw. Copolymer-Ladungsträger nachgewiesen werden: Polaronen, Bipolaronen beim Thiophen-Copolymer, zwei Polaronen auf einer Polymerkette im Singulettezustand beim Poly(3-methylthiophen) und eine diamagnetische Spin-Spin-Wechselwirkung zwischen ungepaarten Elektronen der Cu(II)-Ionen und der ungepaarten Elektronen von bisphenolischen Ligand-Kationradikalen beim Poly[Cu(II)-salen]. Sensorische Eigenschaften gegenüber Ni(II)-Ionen wurden durch Potentiometrie an einem Poly[Ni(II)-salen]-Derivat getestet. Es zeigt eine gute potentiometrische Ni(II)-Ionenselektivität (der Logarithmus des potentiometrischen Selektivitätskoeffizienten liegt im Bereich von -0.5 bis -1.5) in Anwesenheit von Cd(II), Mn(II), Zn(II) und Na(I).

Die vorliegende Arbeit behandelt die elektrochemische Synthese (elektrochemische Polymerisation und Copolymerisation) und die Charakterisierung der Redox- und sensorischen Eigenschaften neuer funktionalisierter Polymere für die Ionensensorik. Die Funktionalisierung wird sowohl in der Polymer-Hauptkette (Polysalene) als auch in der Polymer-Seitenkette (ein Thiophen-Copolymer: 3-Methylthiophen/6-Hydroxy-2-(2-(3-thienyl)-ethoxy)-acetophenon) dargestellt. Die Redox-Prozesse der funktionalisierten Polymere wurden mit spektroelektrochemischen Methoden: ESR-, UV-Vis-NIR- und FTIR-Spektroelektrochemie charakterisiert. Durch diese Methoden konnten während der elektrochemischen Oxidation von funktionalisierten leitfähigen Polymeren verschiedene Polymer- bzw. Copolymer-Ladungsträger nachgewiesen werden: Polaronen, Bipolaronen beim Thiophen-Copolymer, zwei Polaronen auf einer Polymerkette im Singulettezustand beim Poly(3-methylthiophen) und eine diamagnetische Spin-Spin-Wechselwirkung zwischen ungepaarten Elektronen der Cu(II)-Ionen und der ungepaarten Elektronen von bisphenolischen Ligand-Kationradikalen beim Poly[Cu(II)-salen]. Sensorische Eigenschaften gegenüber Ni(II)-Ionen wurden durch Potentiometrie an einem Poly[Ni(II)-salen]-Derivat getestet. Es zeigt eine gute potentiometrische Ni(II)-Ionenselektivität (der Logarithmus des potentiometrischen Selektivitätskoeffizienten liegt im Bereich von -0.5 bis -1.5) in Anwesenheit von Cd(II), Mn(II), Zn(II) und Na(I).