Interplay of magnetic interactions and electronic structure in two-dimensional materials: sample preparation, scanning tunneling microscopy and μ-angular resolved photoelectron spectroscopy

Pestka, Benjamin Jan; Plucinski, Lukasz; Morgenstern, Markus

doi:HT031388560

Interplay of magnetic interactions and electronic structure in two-dimensional materials: sample preparation, scanning tunneling microscopy and μ-angular resolved photoelectron spectroscopy

Pestka, Benjamin Jan^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Benjamin Jan Pestka, Master of Science der RWTH Aachen University

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-01-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-01127
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1027003/files/1027003.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
angular resolved photoelectron spectroscopy (frei) ; density functional theory (frei) ; layered magnetism (frei) ; magnetic 2D materials (frei) ; scanning tunneling microscopy (frei) ; transition metal phosphorus trisulfides (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Im Folgenden wird die Gliederung und Methodik der vorliegenden Dissertation in drei Abschnitte unterteilt: (i) die Probenpräparation, (ii) die Charakterisierung der Proben mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) einschließlich Rastertunnelspektroskopie (STS) und (iii) die Bestimmung der elektrischen Bandstruktur mittels µ-Angular Resolved Photoelectron Spectroscopy (µ-ARPES).Im ersten Abschnitt wird die Herstellung magnetischer 2D-van-der-Waals-Materialien am Beispiel der Verbindungen FePS3, NiPS3, MnPS3 und CrPS4 detailliert beschrieben. Hierbei wurden methodische Erkenntnisse aus der Probenpräparation anderer 2D-Materialien, wie beispielsweise Graphen, adaptiert und spezifisch für das jeweilige Material optimiert. Im Rahmen dieser Optimierung wurden spezielle Verfahren für das Cleaving und Exfoliieren entwickelt sowie die Auswahl und Vorbehandlung des Substrats systematisch angepasst. Konkret werden für die hier untersuchten Materialien 5 nm Gold auf einer 1 nm dicken Titanschicht aufgedampft, die auf einem geheizten 90 nm SiO2/Si-Substrat aufgedampft werden. Eine abschließende Sauerstoffplasma-Behandlung kurz vor der Exfoliation bei 60 ◦C stellt darüber hinaus sicher, dass das Substrat in optimalem Zustand für die weitere Probenproduktion verbleibt. Der zweite Teil befasst sich mit den Ergebnissen der STM-Messungen an den Materialien CrBr3, CrPS4, MnPS3 und FePS3. An sämtlichen Proben wurde erstmals erfolgreich eine STM-Untersuchung realisiert, die in mehreren Fällen atomare Auflösung sowie ergänzende STS-Messungen ermöglichte. Besonders hervorzuheben ist die erste Beobachtung einer Überstruktur auf FePS3, welche Hinweise auf den Einfluss der antiferromagnetischen zigzag-Konfiguration auf die Schwefelatome liefert. Im dritten Abschnitt werden die mittels µ-ARPES gewonnenen Bandstrukturdaten von FePS3 und NiPS3 systematisch dargestellt und interpretiert. Für NiPS3 wurden erstmals Photon-Energie-abhängige Messreihen durchgeführt, die Messungen sowohl oberhalb (bei T = 222 K) als auch unterhalb (bei T = 45 K) der Néel-Temperatur umfassen. Besondere Beachtung findet hierbei die deutliche Photonenergieabhängigkeit der Querschnitte der Materialien sowie der Einfluss des gemessenen kz-Vektors. Für den temperaturabhängigen Vergleich wurde eine Messung bei hν = 60 eV herangezogen, die signifikante Unterschiede in der Bandstruktur zwischen dem paramagnetischen und dem antiferromagnetischen Zustand aufzeigt. Analog wurden auch für FePS3 erstmals zwei Messreihen realisiert – unterhalb der Néel-Temperatur bei T = 90 K mit hν = 58 eV und oberhalb der Néel-Temperatur im Raumtemperaturbereich. Die Systematik der Photonenergievariation in Ein-eV-Schritten ermöglichte die Identifikation der Fe 3p - Fe 3d-Resonanz, wodurch Bänder mit Fe 3d-Charakter gezielt verstärkt und somit bestimmt werden konnten. Der abschließende Vergleich der experimentellen Bandstrukturen mit DFT+U-Berechnungen führte zur Bestimmung eines optimalen effektiven Coulomb-Parameters von Ueff = 1.2 eV. Dabei konnten im Übergang in den antiferromagnetischen Zustand drei wesentliche Modifikationen der Bandstruktur festgestellt werden, die sich auf Bänder mit Fe 3d-, S 3p- und P 3p- Charakter beziehen. Diese Beobachtung legt nahe, dass alle drei atomaren Bestandsteile - Eisen, Schwefel und Phosphor - aktiv in den magnetischen Phasenübergang eingebunden sind. Diese strukturierte Darstellung der Arbeit bietet somit eine umfassende Grundlage für das Verständnis sowohl der experimentellen Methodik als auch der zugrunde liegenden physikalischen Phänomene in magnetischen 2D-van-der-Waals-Systemen.

In this dissertation, the work is organized into three main parts: (i) sample preparation, (ii) characterization of the samples by scanning tunneling microscopy (STM) including scanning tunneling spectroscopy (STS), and (iii) the determination of the electronic band structure using µ-Angular Resolved Photoelectron Spectroscopy (µ-ARPES). The first section details the fabrication of magnetic 2D van der Waals materials, exemplified by the compounds FePS3, NiPS3, MnPS3, and CrPS4. Here, methodological insights from the sample preparation of other two-dimensional materials, such as graphene, were systematically adapted and optimized for the present systems. This includes the development of specialized procedures for cleaving and exfoliation as well as the selection and pre-treatment of substrates. In the present case, a 5 nm layer of gold is evaporated atop a 1 nm titanium film, which is deposited on a preheated 90 nm SiO2/Si substrate. Immediately before exfoliation at 60 ◦C, the substrate is treated with oxygen plasma to ensure optimal surface conditions. The second part presents the results of STM measurements performed on CrBr3, CrPS4, MnPS3, and FePS3. STM imaging was successfully achieved on all investigated materials for the first time, in some cases with atomic resolution, complemented by corresponding STS measurements. Notably, a superstructure was observed on FePS3 that provides evidence of the influence of the antiferromagnetic zigzag configuration on the sulfur atoms. The third section focuses on the band structures of FePS3 and NiPS3 as determined by µ-ARPES measurements. For NiPS3, photon-energy-dependent measurements were conducted for the first time, covering both temperatures above (T = 222 K) and below (T = 45 K) the Néel temperature. These measurements exhibit a pronounced dependence of the photoemission cross section on the photon energy, as well as a clear influence of the measured kz component. For the temperature comparison, a measurement at hν = 60 eV was employed, which distinctly reveals differences in the band structure between the paramagnetic and antiferromagnetic states. Analogous experiments on FePS3 were also performed for the first time; measurements below the Néel temperature were carried out at T = 90 K using hν = 58 eV, while measurements above the Néel temperature were conducted at room temperature. A systematic study, varying the photon energy in one-eV steps, enabled the identification of the Fe 3p – Fe 3d resonance, which was then utilized to enhance and so characterize bands with Fe 3d character. Furthermore, comparison of the experimental data with DFT+U calculations yielded an optimal effective Coulomb parameter of Ueff = 1.2 eV. It was found that the transition into the antiferromagnetic state is accompanied by three significant modifications in the band structure, each associated with bands of Fe 3d, S 3p, and P 3p character. This indicates that all three atomic species - iron, sulfur, and phosphorus - play an active role in the magnetic phase transition. This structured presentation provides a comprehensive foundation for understanding both the experimental methodologies and the underlying physical phenomena in magnetic 2Dvan der Waals systems.

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