Electronic Excitations in Solids Studied with Static and Time Resolved X-ray Spectroscopy

Abstract

Spectroscopy with x-rays allows to determine the electronic structure of condensed matter, and thereby the electronic contribution to physical properties of solids. Within this thesis time resolved and static x-ray spectroscopic methods are applied in different experiments.

The fast thermalization of photo excited electrons in a gallium arsenide semiconductor (GaAs) after absorption of a short x-ray pulse is investigated. Therefore short pulses of x-rays from the Free Electron Laser (FEL) FLASH are applied in a jitter free, x-ray pump x-ray probe time resolved Photoemission experiment (TR-PES) on GaAs samples. Delay and pump-fluence dependent effects, caused by pump pulse induced vacuum spacecharge in the TR-PES experiment, are modeled with numerical simulations and the results of the simulations are used to correct the experimentally obtained data. A transient rise of the local potentials at the gallium sites is found, which is characterized by a fast rising and 500 fs lasting increase of the Ga3d core level binding energy.

The second focus of this work lies in the investigation of the metal-to-insulator phase transition (Verwey transition) in the iron oxide magnetite (Fe 3 O 4 ). With resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) at the iron M 2,3 -absorption edge of magnetite at different temperatures, a signature of the Verwey transition in magnetite is found and experimentally characterized. A qualitative comparison of the obtained excitation spectra, with the calculated x-ray absorption spectrum suggests, that the measured excitation spectra are in agreement with the proposed existence of three iron sites spanning orbital molecules (trimerons) in magnetite. Towards time resolved RIXS investigations (TR-RIXS) of the Verwey transition in magnetite at a seeded FEL, an experimental endstation was brought to operation. Excitation spectra of an easy-to-prepare KCoF 3 sample were recorded in a first RIXS experiment at the seeded FEL FERMI.

Spektroskopie mit Röntgenstrahlung ermöglicht die Bestimmung der elektronischen Struktur von Festkörpern und dadurch den elektronischen Beitrag zu physikalischen Eigenschaften der selben. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Experimente vorgestellt in denen unterschiedliche Zeit-aufgelöste und statische Röntgenspektroskopie Methoden verwendet werden.

Die schnelle Thermalisierung von angeregten Elektronen im Halbleiter Gallium Arsenid (GaAs) nach Absorption eines kurzen Röntgenpulses wird untersucht. Hierfür werden die kurzen Röntgenpulse des Freie Elektronen Lasers (FEL) FLASH verwendet, um ein perfekt synchronisiertes, Röntgenstrahlungs-Anregung Röntgenstrahlungs-Abfrage Zeit aufgelöstes Photoelektronenspektroskopie Experiment (TR-PES) an GaAs Proben durchzuführen. Zeit- und Anregungs-Intensitäts abhängige Effekte, verursacht durch die von den Anregungspulsen induzierte Vakuumraumladung im TR-PES Experiment, werden mit numerischen Simulationen vorherbestimmt und mit den Ergbenissen der Simulationen die experimentel bestimmten Daten korrigiert. Ein vorrübergehende Änderung der elektrischen Potenziale innerhalb der erstenn 500 fs nach Anregung wird bestimmt und charakterisiert durch Veränderungen in der Bindungsenergie der Gallium 3d Rumpf-Elektronen Niveaus.

Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung des Metal-Isolator Phasenüberganges (Verwey-Übergang) im Eisenoxid Magnetit (Fe 3 O 4 ). Mit resonanter inelastischer Röntgenstreuung (RIXS) an der Eisen M 2,3 Absorptionskante von Magnetit bei unterschiedlichen Temperaturen, wird eine Signatur des Verwey-Übergangs bestimmt und experimentell charakterisiert. Ein qualitiativer Vergleich der experimentel bestimmten Anregungsspektren mit dem berechneten Röntgenabsorptionsspektrum zeigt, dass die gemessenen Spektren verträglich mit der Existenz von den vorgeschlagenen, aus drei Eisen Ionen bestehenden Orbital-Molekülen (orbital molecules) in Magnetit (trimerons) sind. Mit dem Ziel Zeit-aufgelöster RIXS Experimente (TR-RIXS) am Verwey-Übergang in Magnetit an einem extern induzierten ("seeded") Freie Elektronen Laser, wurde ein neues Experiment aufgebaut. Das Anregungsspektum einer einfach zu präparierenden KCoF 3 Probe wurde in einem ersten RIXS Experiment am FEL FERMI bestimmt.