Understanding circular dichroic angle-resolved photoemission from quantum materials

Boban, Honey; Plucinski, Lukasz; Morgenstern, Markus

doi:44314

Understanding circular dichroic angle-resolved photoemission from quantum materials

Boban, Honey^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Honey Boban Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Morgenstern, Markus (Thesis advisor)^RWTH* ; Plucinski, Lukasz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-01-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04342
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1010815/files/1010815.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Physik zweidimensionaler (2D) Materialien hat sich aufgrund ihrer einzigartigen elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften sowie ihres breiten Anwendungspotenzials zu einem rasant wachsenden Forschungsfeld entwickelt. Die elektronische Bandstruktur dieser Materialien beeinflusst maßgeblich ihre Quantentransporteigenschaften, was für die nächste Generation quantenbasierter Geräte – basierend auf Phänomenen wie dem Quanten-Hall-Effekt, dem Spin-Hall-Effekt und dem Orbital-Hall-Effekt – von entscheidender Bedeutung ist. Daher ist eine detaillierte Charakterisierung der Bandstruktur, insbesondere mit Fokus auf den Orbitalen Drehimpuls (OAM) und den Spin-Drehimpuls (SAM), unerlässlich für die Realisierung praktischer Anwendungen von 2D-Materialien.Die zirkulardichroitische winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (CD-ARPES) ist eine weit verbreitete Technik zur Untersuchung des OAM von Bändern, da angenommen wird, dass sie den OAM der Bandstruktur erfassen kann. Diese Arbeit liefert eine tiefgehende Analyse verschiedener Beiträge zu den CD-ARPES-Spektren, einschließlich des Photoionisationsprozesses, der experimentellen Geometrie, interatomarer Interferenzen und Mehrfachstreuung. Diese Faktoren werden im Kontext von zwei technologisch relevanten 2D-Materialien untersucht – Graphen und WSe₂ – die beide einzigartige elektronische und optische Eigenschaften aufweisen, die für Quanten- und Elektronikanwendungen von Interesse sind. Darüber hinaus bietet die Arbeit eine detaillierte Charakterisierung der elektronischen Bandstruktur von 2D-Magnetmaterialien, insbesondere Cr₂Ge₂Te₆ und Fe₃GeTe₂. In Anerkennung der Bedeutung der magnetischen Domänenstruktur für die Bestimmung der gesamten magnetischen Eigenschaften präsentiert diese Arbeit auch eine dickeabhängige Untersuchung der magnetischen Domänenstruktur in Fe₃GeTe₂ und beleuchtet, wie reduzierte Dimensionen das magnetische Verhalten im Nanobereich beeinflussen.

AbstractThe physics of two-dimensional (2D) material has become a rapidly expanding field ofresearch due to their unique electrical, optical, and mechanical properties, as well astheir wide range of potential applications. The electronic band structure of these ma-terials strongly influences their quantum transport properties, which is critical for next-generation quantum devices based on phenomena such as the quantum Hall effect, spinHall effect, and orbital Hall effect. Consequently, a detailed characterization of the bandstructure, particularly focusing on the orbital angular momentum (OAM) and spin angu-lar momentum (SAM), is essential for realizing the practical applications of 2D materials. Circular dichroic angle-resolved photoemission spectroscopy (CD-ARPES) is a widelyused technique for investigating the OAM of bands, as it has been thought to be able toprobe the OAM of the band structure. This thesis provides an in-depth analysis of various contributions to the CD-ARPESspectra, including the photoionization process, experimental geometry, inter-atomic in-terference, and multiple scattering. These factors are explored in the context of twotechnologically relevant 2D materials, graphene and WSe2, both of which exhibit uniqueelectronic and optical properties that are of interest for quantum and electronic applica-tions. In addition, the thesis provides a detailed characterization of the electronic band struc-ture of 2D magnetic materials, specifically Cr2Ge2Te6 and Fe3GeTe2. Recognizing theimportance of magnetic domain structure in determining the overall magnetic properties, this work also presents a thickness-dependent study of the magnetic domain structure inFe3GeTe2, shedding light on how reduced dimensions influence the magnetic behavior atthe nanoscale.

OpenAccess:
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