Techn. University, Diss., 2004--Dresden.

This thesis examines the electronic properties of two materials that promise the realization and observation of novel exotic quantum phenomena. For this purpose, angle-resolved photoemission forms the experimental basis for the investigation of the electronic properties. Furthermore, the magnetic order is investigated utilizing X-ray dichroism measurements. First, the bulk and surface electronic structure of epitaxially grown HgTe in its three-dimensional topological insulator phase is investigated. In this study, synchrotron radiation is used to address the three-dimensional band structure and orbital composition of the bulk states by employing photon-energy-dependent and polarization-dependent measurements, respectively. In addition, the topological surface state is examined on in situ grown samples using a laboratory photon source. The resulting data provide a means to experimentally localize the bulk band inversion in momentum space and to evidence the momentum-dependent change in the orbital character of the inverted bulk states. Furthermore, a rather new series of van der Waals compounds, (MnBi\(_2\)Te\(_4\))(Bi\(_2\)Te\(_3\))\(_n\), is investigated. First, the magnetic properties of the first two members of the series, MnBi\(_2\)Te\(_4\) and MnBi\(_4\)Te\(_7\), are studied via X-ray absorption-based techniques. The topological surface state on the two terminations of MnBi\(_4\)Te\(_7\) is analyzed using circular dichroic, photon-energy-dependent, and spin-resolved photoemission. The topological state on the (MnBi\(_2\)Te\(_4\))-layer termination shows a free-standing Dirac cone with its Dirac point located in the bulk band gap. In contrast, on the (Bi\(_2\)Te\(_3\))-layer termination the surface state hybridizes with the bulk valences states, forming a spectral weight gap, and exhibits a Dirac point that is buried within the bulk continuum. Lastly, the lack of unambiguous evidence in the literature showing a temperature-dependent mass gap opening in these magnetic topological insulators is discussed through MnBi\(_2\)Te\(_4\). / In dieser Arbeit werden die elektronischen Eigenschaften zweier Materialien untersucht, welche die Realisierung und Beobachtung neuartiger exotischer Quantenphänomene versprechen. Hierbei bildet die winkelaufgelöste Photoemission die experimentelle Grundlade für die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften. Zudem wird die magnetische Ordnung mittels Röntgendichroismusmessungen untersucht. Zunächst wird die elektronische Volumen- und Oberflächenstruktur von epitaktisch gewachsenem HgTe in der Phase eines dreidimensionalen topologischen Isolators untersucht. In dieser Studie wird Synchrotronstrahlung verwendet, um die dreidimensionale Bandstruktur und die orbitale Zusammensetzung der Volumenzustände durch photonenenergieabhängige bzw. polarisationsabhängige Messungen zu bestimmen. Darüber hinaus wird der topologische Oberflächenzustand an in situ gewachsenen Proben mit einer Laborphotonenquelle untersucht. Die daraus resultierenden Daten ermöglichen eine Lokalisierung der Bandinversion im Impulsraum und den Nachweis der impulsabhängigen Veränderung des Orbitalcharakters der invertierten Volumenzustände. Zusätzlich wird eine relativ neue Reihe von van-der-Waals-Verbindungen, (MnBi\(_2\)Te\(_4\))(Bi\(_2\)Te\(_3\))\(_n\), untersucht. Zunächst werden die magnetischen Eigenschaften der ersten beiden Mitglieder der Reihe, MnBi\(_2\)Te\(_4\) und MnBi\(_4\)Te\(_7\), mittels Röntgenabsorptionsverfahren bestimmt. Der topologische Oberflächenzustand auf den beidem Terminierungen von MnBi\(_4\)Te\(_7\) wird unter der Verwendung von zirkularem Dichroismus, photonenenergieabhängiger sowie spinaufgelöster Photoemission analysiert. Der topologische Zustand auf der (MnBi\(_2\)Te\(_4\)-Terminierung zeigt dabei einen freistehenden Dirac-Zustand mit einem in der Volumenbandlücke liegendem Dirac-Punkt. Im Gegensatz dazu hybridisiert der Oberflächenzustand auf der (Bi\(_2\)Te\(_3\))\(_n\)-Terminierung mit den Volumenzuständen, wodurch eine Lücke im spektralen Gewicht entsteht, und weist einen Dirac-Punkt auf, der vom Volumenkontinuum überlagert ist. Abschließend wird das Fehlen einer eindeutigen Beweislage in der Literatur, die eine temperaturabhängige Öffnung einer Energielücke in diesen Materialien zeigt, anhand von (MnBi\(_2\)Te\(_4\) diskutiert.

Since the prediction of the quantum spin Hall effect in graphene by Kane and Mele, \(Z_2\) topology in hexagonal monolayers is indissociably linked to high-symmetric honeycomb lattices. This thesis breaks with this paradigm by focusing on topological phases in the fundamental two-dimensional hexagonal crystal, the triangular lattice. In contrast to Kane-Mele-type systems, electrons on the triangular lattice profit from a sizable, since local, spin-orbit coupling (SOC) and feature a non-trivial ground state only in the presence of inversion symmetry breaking. This tends to displace the valence charge form the atomic position. Therefore, all non-trivial phases are real-space obstructed. Inspired by the contemporary conception of topological classification of electronic systems, a comprehensive lattice and band symmetry analysis of insulating phases of a \(p\)-shell on the triangular lattice is presented. This reveals not only the mechanism at the origin of band topology, the competition of SOC and symmetry breaking, but sheds also light on the electric polarization arising from a displacement of the valence charge centers from the nuclei, i. e., real-space obstruction. In particular, the competition of SOC versus horizontal and vertical reflection symmetry breaking gives rise to four topologically distinct insulating phases: two kinds of quantum spin Hall insulators (QSHI), an atomic insulator and a real-space obstructed higher-order topological insulator. The theoretical analysis is complemented with state-of-the-art first principles calculations and experiments on trigonal monolayer adsorbate systems. This comprises the recently discovered triangular QSHI indenene, formed by In atoms, and focuses on its topological classification and real-space obstruction. The analysis reveals Kane-Mele-type valence bands which profit from the atomic SOC of the triangular lattice. The realization of a HOTI is proposed by reducing SOC by considering lighter adsorbates. Further the orbital Rashba effect is analyzed in AgTe, a consequence of mirror symmetry breaking, the formation of local angular momentum polarization and SOC. As an outlook beyond topology, the Fermi surface and electronic susceptibility of Group V adsorbates on silicon carbide are investigated. In summary, this thesis elucidates the interplay of symmetry breaking and SOC on the triangular lattice, which can promote non-trivial insulating phase. / Seit der Vorhersage des Quanten-Spin-Hall-Effekts in Graphen durch Kane und Mele wird die \(Z_2\) Topologie in hexagonalen Monolagen unausweichlich mit hochsymmetrischen Honigwabengittern assoziiert. Diese Dissertation bricht mit diesem Paradigma, indem sie sich auf topologische Phasen im fundamentalen zweidimensionalen hexagonalem Kristall, dem Dreiecksgitter, konzentriert. Im Gegensatz zu Kane-Mele-artigen Systemen profitieren Elektronen im Dreiecksgitter von einer beträchtlichen, weil lokalen, Spin-Bahn-Kopplung (SBK). Ein nicht-trivialer Grundzustand erfordert das Brechen der Inversionssymmetrie. Gleichzeitig führt dies zu einer Dislokation der Valenzelektronen weg von der atomaren Position. Daher sind alle nicht-trivialen Phasen real-space obstructed. Inspiriert durch die gegenwärtige Auffassung der topologischen Klassifikation von elektronischen Systemen wird eine umfassende Analyse der Gitter- und Bandsymmetrie der isolierenden Phasen einer \(p\)-Schale auf dem Dreiecksgitter präsentiert. Dies offenbart nicht nur den bestimmenden Mechanismus der Bandtopologie, den Wettbewerb von SBK und Symmetriebruch. Letzterer bestimmt auch die elektrische Polarisation, die sich aus der Verschiebung der Valenzladungszentren von den Kernen ergibt. Insbesondere führt der Wettbewerb zwischen SBK und horizontalem sowie vertikalem Reflexionssymmetriebruch zu vier topologisch unterschiedlichen isolierenden Phasen: zwei Quanten-Spin-Hall Isolatoren (QSHI), ein atomarer Isolator und ein real-space obstructed Isolator höherer Ordnung. Die theoretische Analyse wird ergänzt durch moderne ab initio Berechnungen und Experimente an trigonalen Monolagen-Adsorbatsystemen. Dies umfasst den erst kürzlich entdeckten QSHI Indenene, basierend auf einer Dreieckslage von In Atomen, und konzentriert sich auf dessen topologische Klassifikation und Ladungsträgerlokalisation. Die Analyse ergibt Kane-Mele-artige Valenzbänder, die von der atomaren SBK des Dreiecksgitters profitieren. Die Realisierung eines HOTI wird vorgeschlagen, indem die SBK durch die Verwendung leichterer Adsorbate reduziert wird. Weiterhin wird der Orbitale Rashba-Effekt in AgTe analysiert, eine Folge der Spiegelsymmetriebruch, der Bildung von lokalem orbitalem Bahndrehimpuls und SBK. Als Ausblick über die Topologie hinaus werden die Fermi-Oberfläche und die elektronische Suszeptibilität von Gruppe-V Adsorbaten auf Siliziumkarbid untersucht. Zusammenfassend erläutert diese Dissertation das Zusammenspiel von Symmetriebruch und SOC auf dem Dreiecksgitter, die Grundlage für nicht-triviale isolierende Phasen.

Mittels Photolumineszenz(PL)-Spektroskopie werden die Lumineszenzeigenschaften von wurtzitischen MgZnO-Dünnfilmen mit Mg-Konzentrationen im Bereich von 0 ≤ x ≤ 0,35 experimentell untersucht und die gefundenen Zusammenhänge anhand mehrerer im Rahmen dieser Arbeit entwickelter Modelle theoretisch beschrieben. Dabei werden Erklärungen für verschiedene Auswirkungen der Mischkristallunordnung auf die Lumineszenz dieses ternären Mischhalbleiters vorgestellt, welche in der Literatur bisher nicht bzw. nur unvollständig untersucht wurden. Aufgrund der Mischkristallverbreiterung überlagern sich in MgZnO für x > 0,02 die Lumineszenzbeiträge von störstellengebundenen, freien und in Potentialmulden lokalisierten Exzitonen. Sie können daher mittels zeitintegrierter PL nicht spektral getrennt werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die verschiedenen Übergänge dennoch durch zeitaufgelöste PL-Messungen unterschieden und identifiziert werden können. Die gemessenen PL-Transienten werden angepasst und die Linienform der Lumineszenzabklingkurven in Abhängigkeit von der PL-Energie analysiert. Die Bewegung der Exzitonen im Mischkristall wird unter Verwendung eines Effektiv-Masse-Modells quantenmechanisch beschrieben und der Einfluss der Mischkristallunordnung auf die optischen Übergänge qualitativ untersucht. Dabei wird insbesondere auf die Mischkristallverbreiterung sowie auf das nichtexponentielle Abklingen der Lumineszenz eingegangen. Daneben wird ein Tunnelmodell vorgestellt, mit welchem die zeitverzögerten PL-Spektren von MgZnO quantitativ reproduziert werden können. Dabei wird die asymmetrische Linienform sowie die zeitabhängige Rotverschiebung des Emissionsmaximums modelliert und die Parameter auf mikroskopische Eigenschaften der Exzitonen zurückgeführt. Außerdem wird die für Mischkristalle typische S-förmige Verschiebung des temperaturabhängigen PL-Maximums durch ein modifiziertes Arrheniusmodell erklärt.

In this work a systematic method for determining correlated wavefunctions of extended systems in the ground state as well as in excited states is presented. It allows to fully exploit the power of quantum-chemical programs designed for correlation calculations of finite molecules. Using localized Hartree-Fock (HF) orbitals (both occupied and virtual ones), an effective Hamiltonian which can easily be transferred from finite to infinite systems is built up. Correlation corrections to the matrix elements of the effective Hamiltonian are derived from clusters using an incremental scheme. To treat the correlation effects, multireference configuration interaction (MRCI) calculations with singly and doubly excited configurations (SD) are performed. This way one is able to generate both valence and conduction bands where all correlation effects in the excited states as well as in the ground state of the system are taken into account. An appropriate size-extensivity correction to the MRCI(SD) correlation energies is developed which takes into account the open-shell character of the excited states. This approach is applicable to a wide range of polymers and crystals. In the present work trans-polyacetylene is chosen as a test system. The corresponding band structure is obtained with the correlation of all electrons in the system being included on a very high level of sophistication. The account of correlation effects leads to substantial shifts of the "center-of-mass" positions of the bands (valence bands are shifted upwards and conduction bands downwards) and a flattening of all bands compared to the corresponding HF band structure. The method reaches the quantum-chemical level of accuracy. Further an extention of the above approach to excitons (optical excitations) in crystals is developed which allows to use standard quantum-chemical methods to describe the electron-hole pairs and to finally obtain excitonic bands.

In this work a systematic method for determining correlated wavefunctions of extended systems in the ground state as well as in excited states is presented. It allows to fully exploit the power of quantum-chemical programs designed for correlation calculations of finite molecules. Using localized Hartree-Fock (HF) orbitals (both occupied and virtual ones), an effective Hamiltonian which can easily be transferred from finite to infinite systems is built up. Correlation corrections to the matrix elements of the effective Hamiltonian are derived from clusters using an incremental scheme. To treat the correlation effects, multireference configuration interaction (MRCI) calculations with singly and doubly excited configurations (SD) are performed. This way one is able to generate both valence and conduction bands where all correlation effects in the excited states as well as in the ground state of the system are taken into account. An appropriate size-extensivity correction to the MRCI(SD) correlation energies is developed which takes into account the open-shell character of the excited states. This approach is applicable to a wide range of polymers and crystals. In the present work trans-polyacetylene is chosen as a test system. The corresponding band structure is obtained with the correlation of all electrons in the system being included on a very high level of sophistication. The account of correlation effects leads to substantial shifts of the "center-of-mass" positions of the bands (valence bands are shifted upwards and conduction bands downwards) and a flattening of all bands compared to the corresponding HF band structure. The method reaches the quantum-chemical level of accuracy. Further an extention of the above approach to excitons (optical excitations) in crystals is developed which allows to use standard quantum-chemical methods to describe the electron-hole pairs and to finally obtain excitonic bands.

Seltenerd-Eisenpniktide ziehen gegenwärtig großes wissenschaftliches Interesse auf sich, da sie wegen der bei ihnen beobachteten Hochtemperatursupraleitung eine vielversprechende Alternative zu den herkömmlichen Kuprat-Supraleitern darstellen. Neben der Supraleitung weisen diese Systeme ein breites Spektrum magnetischer Eigenschaften auf, die auf dem Wechselspiel von Eisen 3d- und Seltenerd-4f-Elektronen beruhen und teils in Konkurrenz zu, teils aber auch in Koexistenz mit der Supraleitung auftreten. Das theoretische Verständnis dieser Phänomene lässt noch viele Fragen offen, da sich vor allem die 4f-Elektronen infolge ihrer starken räumlichen Lokalisierung und der damit verbundenen hohen Coulomb-Korrelationsenergien einer einfachen Behandlung im Rahmen von Bandstrukturtheorien weitgehend entziehen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit winkelaufgelösten Photoemissionsuntersuchungen an CeFe2P2, CeFePO und CeFeP0.3As0.7O, bei denen Schwer-Fermionen-Verhalten bzw. Ferromagnetismus beobachtet werden kann. Die Wechselwirkung der 4f-Elektronen mit dem überwiegend von Fe 3d-Orbitalen abgeleiteten Valenzband spiegelt sich in den Spektren durch das Auftreten dispergierender Strukturen im Bereich der Kondoresonanz wider. Diese werden in der Arbeit auf der Grundlage von LDA-Bandstrukturrechnungen und dem Periodischen Andersonmodell, welches für einfache Fallbeispiele mittels der DMFT (Dynamical Mean Field Theory) gelöst wird, diskutiert. Anhand der experimentellen Beobachtungen wird ein Mechanismus für die in der Verbindungsklasse beobachteten magnetischen Übergänge, basierend auf charakteristischen Unterschieden in der Bandstruktur, vorgeschlagen sowie ein möglicher Zusammenhang mit der Supraleitung diskutiert.

Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

Ungesättigte Kohlenwasserstoffketten wie Poly(para)-Phenyl stellen eine Gruppe interessanter Materialien für das sich schnell entwickelnde Gebiet der Organischen Leuchtdioden (OLEDs) dar. Entsprechende Materialien sollten sich durch schwach gebundene Pi-Elektronen auszeichnen. Poly(para)-Phenyl erfüllt diese Bedingung, seine Modellpolymerepara-Hexaphenyl und para-Quaterphenyl ebenso.In der vorliegenden Arbeit werden photoelektronenspektros-kopische Messungen an diesen Materialien vorgestellt, wobeiBenzoesäure und Oligomere der Länge 2,3,4,6 untersuchtwurden. Es wird gezeigt, dass sich die Bandstruktur der unendlich langen Poly(para)-Phenyl-Kette auch anhand seiner kürzeren Oligomere mit bis zu sechs Wiederholeinheiten ermitteln lässt und mit entsprechenden theoretischen Berechnungen gut übereinstimmt. Hierzu wurdenorientierte dünne Schichten der Oligomere para-Hexaphenyl im Ultrahochvakuum hergestellt und anschließend mittels winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (ARUPS) am Berliner Speicher-Synchrotron BESSY I vermessen. Die Orientierung der dünnen Filme wird anhand der aus den Symmetrieüberlegungen entwickelten Auswahlregeln aus dem Vergleich der winkelaufgelösten Spektren nachgewiesen und durch AFM-Messungen (Atomic Force Microscopy) bestätigt. Entsprechende Untersuchungen an SAM-Schichten (Self Assembled Monolayer) aus Biphenylthiol und para-Terphenylthiol werden vorgestellt. XPS-Messungen (X-ray Photoelectron Spectroscopy) an den orientierten para-Hexaphenyl-Proben werden mit der aus den Bandstruktur-Rechnungen gewonnenen Zustandsdichteund UPS-Messungen verglichen. Aus den XPS-Messungen an den para-Hexaphenyl- und para-Quaterphenyl-Proben werden durch Auswertung der Shake-up-Satellitenstruktur der C1s-Peaks die Bandlücken der Materialien bestimmt. Im Rahmen von Voruntersuchungen wurden strahleninduzierte Schäden an gesättigten Kohlenwasserstoffketten mittels XPS festgestellt, die aber bei den ungesättigten Kohlenwasserstoffketten nicht auftreten.

Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes, CNTs) sind Dank ihrer außergewöhnlichen elektrischen Eigenschaften Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Mikroelektronik. Ihre ballistischen Transporteigenschaften und die geringe Anfälligkeit auf Elektromigration sind vorteilhaft für die Anwendung von CNTs in Interconnectsystemen. Die Abhängigkeit der elektrischen Transporteigenschaften von mechanischer Verformung bildet weiterhin die Grundlage für die Produktion neuartiger Sensoren auf CNT-Basis. Durch die Besetzung mit Adatomen können diese Eigenschaften dabei weiter verbessert und bei der Herstellung gezielt eingestellt werden. Die Verformung besetzter CNTs ist dabei ein noch relativ unerforschtes Gebiet. In dieser Arbeit wird dieses Verhalten untersucht. Zu Beginn wird gezeigt, dass die Eigenschaften von CNTs durch die Besetzung mit verschiedenen Metallen auf unterschiedliche Weise beeinflusst werden können. Dazu gehören auch Unterschiede zwischen den Spinzuständen, welche bei einigen der untersuchten Metalle auftreten. Durch die axiale Verformung der CNTs wird abschließend gezeigt, dass die Sensoreigenschaften von CNTs auch nach der Besetzung mit Metallen erhalten bleiben.