Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2354
Main Title: Static and dynamic electronic structure of ferromagnetic Ni metal and Co2FeSi Heusler alloy studied by photoemission spectroscopy
Translated Title: Untersuchung der statischen und dynamischen elektronischen Struktur von ferromagnetischem Nickel und der Heuslerlegierung Co2FeSi mittels Photoelektronenspektroskopie
Author(s): Ovsyannikov, Ruslan
Advisor(s): Eberhardt, Wolfgang
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Spintronik, auch bekannt als Magneto-Elektronik, ist eine sich entwickelnde Technologie basierend auf der Detektion and Manipulation des Elektronenspins zusätzlich zur elektrischen Ladung. Eine hohe Spinpolarisation der Ladungsträger am Fermi-Niveau ist für Spintronikanwendungen von wesentlicher Bedeutung. Einige der vielversprechendsten Kanditaten für zum Einsatz kommende Materialien sind halbmetallische Heuslerlegierungen. Der erste Teil der vorliegenden Dissertation beschäftigt sich mit der Heuslerlegierung Co2FeSi. Für dieses Material wurde eine Spinpolarisation am Fermi-Niveau von 100% vorhergesagt, jedoch bisher nur 10-12% experimentell nachgewiesen. In dieser Arbeit kam eine neu entwickelte Spektromikroskopie zum Einsatz um die Co2FeSi Heuslerlegierung zu untersuchen. Effekte der Probenpräparation auf Oberflächenstochiometrie wurden untersucht und soweit möglich reduziert. Die daraufhin beobachtete Spinpolarisation am Fermi-Niveau von 16% ist der bisher Höchste experimentell nachgewiesene Wert für dieses Material. Ein weiteres wichtiges Thema für Spintronikanwendungen ist die Lebensdauer spinpolarisierter Ladungsträger. Die Leistungsfähigkeit von Spintronikanwendungen ist grossteils bestimmt durch die Lebensdauer spinpolarisierter Ladungsträger, besonders an Grenzflächen. Deshalb ist es von besonderer Bedeutung die elektronische Struktur und das dynamisch Verhalten von Ladungsträgern in 3d Ferromagneten, Übergangsmetalloxyden und Seltene-Erdsystemen zu untersuchen. Die theoretische Beschreibung von Elektronenstreuprozessen existiert zwar, ihre Bedeutung für die Leistungsfähigkeit von Bauteilen ist jedoch eine offene Frage. Das bessere Verständnis der elektronischen Wechselwirkungen in Modellsystemen ist deshalb von grundlegender Bedeutung. Der zweite Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit elektronischen Korrelationseffekten in Nickel, dem Beispiel eines itineranten Ferromagneten. Sogenannte ‚Kinks’, d.h. die Renormierung der Banddispersion und der Linienbreite, in der Ni Bandstruktur, verursacht durch Kopplung von elektronischen zu bosonischen Anregungen, wurden für tiefe Probentemperaturen spektroskopisch aufgelöst. Die in dieser Arbeit ermittelten Kopplungsparameter sind etwas kleiner als entsprechende Literaturwerte. Dieser Unterschied ist erklärbar durch die unterschiedlichen Bereiche der Brillouinzone, die in dieser Arbeit geprobt wurden. Im Gegensatz zur Literaturmeinung schlagen wir von die beobachteten ‚Kinks’ nicht durch Elektron-Phonon Kopplung zu erklären sonder mit der Wechselwirkung von Elektronen mit Magnonen. Dies erklärt zwanglos die Abwesenheit der ‚Kinks’ für Majoritätsspinbänder. Mit ansteigender Temperatur wurde die für Elektron-Boson-Kopplung erwartete Erniedrigung der Quasiteilchenlebensdauer für alle gemessenen Ni Minoritätsspinbänder beobachtet. Überraschenderweise verhalten sich die Majoritätsspinbänder anders. Ein leichtes Anwachsen der Lebensdauer bei Raumtemperatur wurde beobachtet. Dei damit einhergehende Erhöhung der Fermigeschwindigkeit deutet auf eine temperaturabhängige Reduktion der Majoritätsspin-Quasiteilchenrenormierung hin. Die mikroskopische Ursache für diesen neuartigen Effekt ist jedoch immer noch unklar und weitere temperaturabhägige Studien über einen erweiterten Temperaturbereich werden benötigt.
Spintronics, also known as magnetoelectronics, is an emerging technology involving detection and manipulation of the electron spin in addition to the electron charge. High spin polarization at Fermi level is an important issue for spintronics applications. One of the promising candidates are half metallic ferromagnets. The first part of this thesis contains a study of the Co2FeSi Heusler alloy. For this system 100% spin polarization at the Fermi edge was predicted, but experimentally obtained values of 10-12% were significantly lower. In this a work novel spin resolved specto-microscopy technique was applied to study Co2FeSi Heusler alloys. Effects of sample preparation on surface stoichiometry were observed and reduced as much as possible. The obtained spin polarization at the Fermi level of 16% is the highest experimentally determined so far for this material. Another important issue for spintronics applications is the lifetime of the spin polarized carriers. The ultimate performance of spintronics devices is determined by the lifetimes of spin-polarized charge carriers, especially at interfaces, thus attracting a lot of attention to the electronic structure and the dynamic properties of strongly correlated electron systems like 3d-ferromagnets, transition metal oxides and 4f-rare-earths systems. Although the theoretical description of the electron scattering processes exists, the influence and the roles that these processes play in device performance are still open questions. Hence a better understanding of the electronic interactions in model systems is imperative. The second part of the thesis deals with electron correlation effects in case of nickel bulk, a model system of an itinerant ferromagnet. At low temperature kink structures due to coupling of electronic to bosonic excitations for the minority bands were resolved. Coupling parameters obtained in this work are slightly less than reported before. This difference was attributed to different points in k space probed in this work. Contrary to the literature was proposed to relate the kink not to the electron-phonon interaction but to an electron-magnon interaction. This explains unambiguously the absence of kinks for the majority bands. With increasing temperature a decreasing quasiparticle lifetime at the Fermi level for all probed minority spin bands was observed as expected for electron-boson coupling. Surprisingly the majority spin states behave differently. A slightly increased lifetime at room temperature was observed. The corresponding increase in Fermi velocity points to a temperature dependent reduction of the majority spin quasiparticle renormalization. The microscopic origin of this novel effect is still unclear. Clearly studies over a extended temperature range are required.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-25302
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2651
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2354
Exam Date: 2-Sep-2009
Issue Date: 27-Jan-2010
Date Available: 27-Jan-2010
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Elektron-Phonon Kopplung
Elektronische Struktur
Halbmetallische Ferromagnete
Korrelationseffekten
Spektromikroskopie
ARPES
Kink
Magnetism
PEEM
Quasiparticle
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/
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