Volltextdatei(en) vorhanden
Titel: Electron Spin Resonance Studies on Spin-Orbit Interactions in Graphene
Sonstige Titel: Elektronenspinresonanz-Studien von Spin-Bahn-Wechselwirkungen in Graphen
Sprache: Englisch
Autor*in: Sichau, Jonas
Schlagwörter: intrinsische Spin-Bahn-Wechselwirkung; graphene; electron spin resonance; band structure; g-factor; intrinsic spin-orbit coupling
GND-Schlagwörter: Graphen; Elektronenspinresonanz; Energielücke; Bandstruktur; Tieftemperatur; g-Faktor
Erscheinungsdatum: 2019
Tag der mündlichen Prüfung: 2019-09-30
Zusammenfassung: 
In the early years of the rise of graphene, Kane and Mele [Phys. Rev. Lett. 95, 226801 (2005)] predicted that spin-orbit interactions would induce a topological state of matter at sufficiently low energies. This spin-Hall insulating state would be gapped in the bulk, while supporting spin transport along the sample boundaries. The size of the intrinsic gap has been the subject of theoretical discussions as it has not been measured until recently. Resistively-detected electron spin resonance at low temperatures is proven to be a suitable experimental method to probe the low-energy regime in graphene by coupling charge carriers of opposite spin in an external magnetic field via microwave excitation. The observed features in the sample resistivity can be linked to the band structure of graphene, which is described by a numerical model. The size of the intrinsic spin-orbit bulk band gap of graphene is determined to be 42.2 µeV. The experiments yield indications of a phase transition from the spin-Hall insulating state to the Dirac semi-metallic state at an external magnetic field of 0.38 T. Additionally, the robustness of the g-factor of the charge carriers against variations of the sample geometry and the carrier density is confirmed. However, g shifts between values of 1.81 and 2.03 when the external magnetic field direction is altered. By employing a microscopic theory to the angular dependence of the g-factor, the mixing parameter of the p- and d-orbitals in graphene as well as the atomic spin-orbit coupling are extracted. In a separate experiment, graphene is directly placed on Pt/Co/Pt magnetic nanoparticles, which are found to enhance the features of the electron spin resonance in graphene by a factor ≥ 5 without affecting the value of the g-factor. Variations of the magnetic field angle yield indications of interactions between the microwaves and the magnetic moments of the nanoparticles, which affect the resistivity of the graphene.

Im Zeitraum nach der experimentellen Entdeckung von Graphen sagten Kane und Mele [Phys. Rev. Lett. 95, 226801 (2005)] voraus, dass die Spin-BahnWechselwirkung der Ladungsträger einen topologischen Zustand bei ausreichend geringen Energien erzeugt. Dieser isolierende Spin-Hall Zustand weist eine Bandlücke im Bulk auf, während Spin-Transport am Probenrand möglich ist. Die Größe der intrinsischen Bandlücke ist Gegenstand von theoretischen Debatten, da bis vor kurzem noch kein genauer Wert gemessen wurde. Widerstands-detektierte Elektronen-Spin-Resonanz bei Tieftemperaturen stellt sich als geeignete experimentelle Methode heraus, um den NiedrigenergieBereich in Graphen zu messen. Hierbei werden Ladungsträger mit entgegengesetztem Spin in einem Magnetfeld über Mikrowellenstrahlung gekoppelt. Die beobachteten Widerstandsänderungen im Graphen spiegeln die Bandstruktur wider, welche mit Hilfe eines numerischen Modells berechnet wird. Die Größe der intrinsischen Bulk-Bandlücke von Graphen wird mit 42.2 µeV bestimmt. Die Experimente lassen Rückschlüsse zu auf einen Phasenübergang vom isolierenden Spin-Hall-Zustand zum Dirac-Halbmetall-Zustand bei einem äußeren Magnetfeld von 0.38 T. Zusätzlich wird die Invarianz des g-Faktors der Ladungsträger gegenüber der Probengeometrie und der Ladungsträgerdichte gezeigt. Allerdings variiert g zwischen Werten von 1.81 bis 2.03, wenn die Richtung des äußeren Magnetfeldes geändert wird. Indem eine mikrospkopische Theorie auf die Messergebnisse der Winkelabhängigkeit des g-Faktors angewandt wird, kann sowohl der Misch-Paramter der p- und d-Orbitale in Graphen, als auch die atomistische Spin-Bahn-Wechselwirkung extrahiert werden. In einem separaten Experiment wird Graphen direkt mit Pt/Co/Pt Nanopartikeln in Kontakt gebracht, welche das Elektronen-Spin-Resonanz-Signal um einen Faktor ≥ 5 erhöhen, ohne den g-Faktor zu beinflussen. Winkeländerungen des äußeren Magnetfeldes lassen Rückschlüsse zu, die auf Wechselwirkungen zwischen der Mikrowellenstrahlung und den magnetischen Momenten der Nanopartikel hindeuten, welche wiederum den spezifischen Widerstand von Graphen beeinflussen.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6041
URN: urn:nbn:de:gbv:18-100676
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Blick, Robert H. (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

Dateien zu dieser Ressource:
Datei Beschreibung GrößeFormat  
Dissertation.pdf9.51 MBAdobe PDFÖffnen/Anzeigen
Zur Langanzeige

Diese Publikation steht in elektronischer Form im Internet bereit und kann gelesen werden. Über den freien Zugang hinaus wurden durch die Urheberin / den Urheber keine weiteren Rechte eingeräumt. Nutzungshandlungen (wie zum Beispiel der Download, das Bearbeiten, das Weiterverbreiten) sind daher nur im Rahmen der gesetzlichen Erlaubnisse des Urheberrechtsgesetzes (UrhG) erlaubt. Dies gilt für die Publikation sowie für ihre einzelnen Bestandteile, soweit nichts Anderes ausgewiesen ist.

Info

Seitenansichten

35
Letzte Woche
Letzten Monat
geprüft am 23.04.2021

Download(s)

35
Letzte Woche
Letzten Monat
geprüft am 23.04.2021
Werkzeuge

Google ScholarTM

Prüfe