dc.contributor.author
Lisowski, Martin Julius
dc.date.accessioned
2018-06-07T18:32:11Z
dc.date.available
2006-01-10T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/5114
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-9313
dc.description
Titelseite und Inhaltsverzeichnis
Einleitung1
1 Grundlagen9
1.1 Absorption von Licht in Metallen9
1.2 Elementare Streuprozesse in Festkörpern12
1.3 Ferromagnetismus15
1.4 Das Zwei-Temperatur-Modell19
1.5 Photoelektronen-Spektroskopie25
2 Experimenteller Aufbau37
2.1 UHV-Kammer37
2.2 Elektronik zur Datenaufnahme43
2.3 Das Elektronen-Flugzeitspektrometer44
2.4 Verstärktes Femtosekunden-Lasersystem51
2.5 Allgemeine Gesichtspunkte58
2.6 Messablauf59
2.7 Datenanalyse60
3 Elektronendynamik in dünnen Cu(111)/Si(111)-7x7 Schichten67
3.1 Stand der Forschung68
3.2 Präparation der Kupfer-Filme70
3.3 Ergebnisse71
3.4 Diskussion73
4 Elektronendynamik und Transport-Prozesse in Volumenmetallen77
4.1 Stand der Forschung78
4.2 Präparation von Ruthenium80
4.3 Elektronendynamik in Ru(0001)81
4.4 Das erweiterte 2-Temperatur-Modell92
4.5 Diskussion98
4.6 Elektronendynamik im Gd-Leitungsband103
5 Elektronen- und Magnetisierungsdynamik in Gd(0001)/W(110)109
5.1 Elektronische Struktur von Gadolinium109
5.2 Präparation der Gadolinium-Filme114
5.3 Elektronendynamik in einem optisch dünnen Gd-Film117
5.4 Magnetisierungsdynamik122
5.5 Kohärente Dynamik139
Zusammenfassung147
Anhang153
A Elektron-Phonon-Kopplung157
B Elektronendynamik der D2O/Ru(0001)-Oberfläche161
C RKKY-Wechselwirkung163
D Wechselwirkung eines intensiven Laser-Strahls mit Photoelektronen im
Vakuum165
Literaturverzeichnis 175
Eigene Publikationen193
Kurzfassung195
Danksagung199
dc.description.abstract
In dieser Arbeit wurden die elementaren Streu- und Transportprozesse in dia-
und ferromagnetischen Metallen mit zeitaufgelöster Photoemission (TR-PES) und
2-Photonen-Photoemission (2PPE) untersucht. Dabei wird durch Absorption eines
Femtosekunden-Laserpulses (Pump) eine Nichtgleichgewichtsverteilung heißer
Elektronen und Löcher präpariert, deren Relaxation durch mit einem
zeitverzögerten Laserpuls (Probe) spektroskopiert wird.
Der Einfluss der Elektronen-Transports auf die Dynamik der
Elektronenpopulation an der Oberfläche von Metallen wurde an epitaktischen
Cu(111)/Si(111)-7x7-Filmen mit Dicken im Bereich 6 bis 44 nm und an einem
Cu(111)-Einkristall untersucht. Im Energiebereich 0,2 eV ≤ E \- EF ≤ 1,0 eV
wurden mit der Filmdicke abnehmende Relaxationszeiten der Elektronenpopulation
beobachtet und als diffusiver Transport-Effekt interpretiert. Für E \- EF >
0,4 eV kann die Abnahme der Relaxationszeit durch einen zusätzlichen
Relaxationskanal mit einer effektiven Transport-Relaxationszeit von τtr = (400
± 100) fs beschrieben werden.
Die Dynamik der Energieumverteilung an Metalloberflächen nach einer intensiven
optischen Anregung wurde an Ru(0001), 1 BL D2O/Ru(0001) und an 50 nm dicken
epitaktischen Gd(0001)/W(110)-Filmen direkt durch Analyse der Elektronen-
Verteilungsfunktion untersucht. In Ru thermalisiert das Elektronengas
innerhalb 400 fs. Eine Analyse der Energiedichte im Elektronensystem an der
Oberfläche zeigt, dass in Ru die Anregungsenergie extrem gut dissipiert wird.
Um dies zu beschreiben wurde ein erweitertes 2TM entwickelt, das nicht-
thermische Elektronen und ballistischen Transport berücksichtigt. Eine
Übereinstimmung mit dem Experiment lässt sich nur erzielen, wenn die e-ph-
Kopplung der nicht-thermischen Elektronen auf 20% reduziert und eine
ballistische Transportgeschwindigkeit von vb = 7 · 105 m/s verwendet wird. In
Gd thermalisieren die Elektronen hingegen innerhalb 100 fs und eine
Beschreibung mit dem 2TM ist ausreichend. Die e-ph-Kopplungskonstante von Gd
wurde bestimmt zu g = (2,5 ± 0,1) · 1017 Wm-3K-1.
Die Dynamik der Magnetisierung eines Ferromagneten direkt nach einer
intensiven optischen Anregung innerhalb der ersten Pikosekunde wurde mit TR-
PES an 10 nm dicken Gd(0001)/W(110)-Filmen studiert. Während Messungen mit SHG
[Mel03] zeigen, dass die Spin-Polarisation des Oberflächenzustands innerhalb
von 100 fs um 60% einbricht, zeigen die TR-PES-Messungen dieser Arbeit, dass
seine Austauschaufspaltung im Rahmen des Messgenauigkeit (100 meV) konstant
bleibt. Für den Einbruch der Spin-Polarisation wird ein Elektron-Spin-Umklapp
Streuprozess innerhalb von Spin-Mischungs-Zuständen verantwortlich gemacht.
Der Drehimpuls wird dabei vermutlich durch Anregung des Magnonen-Systems
abgeführt.
Die Anregung einer kohärenten Phonon-Magnon-Mode [Mel03] an der
Gd(0001)-Oberfläche zeigt sich in TR-PES als Oszillation der Bindungsenergie
des Oberflächenzustands mit einer Frequenz von 3,0 THz und einer
Anfangsamplitude von 2,2 meV. Durch Vergleich mit Bandstrukturrechnungen
[Kur02,Kur04] konnte die anfängliche Auslenkung des Gitters (Kompression) und
die Amplitude zu 1,1 pm abgeschätzt werden.
de
dc.description.abstract
In this work the elementary scattering and transport processes in dia- and
ferromagnetic metals were studied by time-resolved photoemission (TR-PES) and
2-photon photoemission (2PPE). By absorption of a femtosecond laser pulse a
non-equilibrium electron distribution is prepared and studied by photoemission
with a second time-delayed laser pulse.
The influence of electron transport on the dynamics of the electron population
at the surface of metals was studied for epitaxial Cu(111)/Si(111)-7x7 films
with thickness between 6 and 44 nm and for a Cu(111) single-crystal. For
electron energies 0,2 eV ≤ E \- EF ≤ 1,0 eV decreasing population relaxation
times were observed with increasing film thickness, which is explained by
diffusive transport. For E \- EF > 0,4 eV the decrease of the relaxation time
can be modeled by an effective transport relaxation time of τtr = (400 ± 100)
fs.
The dynamics of energy dissipation at metal surfaces after excitation with an
intense optical pulse was studied for Ru(0001), 1 BL D2O/Ru(0001) and 50 nm
thick epitaxial Gd(0001)/W(110) films. In Ru the electrons thermalise within
400 fs. The analysis of the energy density in the electron system at the Ru
surface shows an extremely efficient energy dissipation. To describe this an
extended two-temperature model was developed, which accounts for non-thermal
electron distributions and ballistic transport. Agreement with experimental
data can only be achieved when the e-ph coupling of non-thermal electrons is
reduced to 20% and ballistic transport with vb = 7 · 105 m/s is used. In Gd
the electrons thermalise within 100 fs and a description with the two-
temperature model is sufficient. The e-ph coupling constant in Gd was
determined as g = (2,5 ± 0,1) · 1017 Wm-3K-1.
The magnetisation dynamics of a ferromagnet within the first picosecond after
excitation with an intense optical pulse was studied for 10 nm thick
Gd(0001)/W(110) films. While second-harmonic generation shows a 60% drop of
the spin-polarisation of the surface state within 100 fs [Mel03], the TR-PES
measurements in this work show that the exchange splitting of this state
remains constant within the error bars (100 meV). Therefore the elementary
scattering process responsible for the ultrafast drop of the spin-polarisation
is identified as an electron spin-flip within spin-mixed states. Angular
momentum is conserved by excitation of the magnon system.
The excitation of a coherent phonon-magnon mode [Mel03] of the Gd(0001)
surface shows up in TR-PES as an oscillation of the surface state binding
energy by 2.2 meV with a frequency of 3.0 THz. By comparison with band
structure calculations [Kur02,Kur04] the real space amplitude of the phonon
mode can be estimated to 1.1 pm and the initial motion is a compression of the
interlayer distance between (0001) planes of the surface.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
magnetisation dynamics time-resolved photoemission ultrafast
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
dc.title
Elektronen- und Magnetisierungsdynamik in Metallen untersucht mit
zeitaufgelöster Photoemission
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Martin Wolf
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Paul Fumagalli
dc.date.accepted
2005-12-07
dc.date.embargoEnd
2006-01-11
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-2006000093
dc.title.translated
Electron and Magnetisation Dynamics in Metals Studied by Time-Resolved
Photoemission
en
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000001938
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/2006/9/
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000001938
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open access