Laser-induced structurals changes at the surfaces investigated with synchrotron radiation

Abstract

The present thesis comprises time-resolved photoemission studies which combine femtosecond laser-pump and synchrotron-probe pulses.

* The vanadium dioxide system

Vanadium dioxide VO2 exhibits a metal-to-semiconductor phase transition as a function of temperature. The transition temperature close to room temperature makes VO2 an interesting candidate for technology. VO2 films were grown by subsequent vanadium deposition and oxidation on TiO2(110) with filmthickness ranging from less than one monolayer to approximately 100 nm. Additionally, VO2 films of 200 nm thickness were grown by reactive radio-frequency (RF) sputtering. While ultrathin films up to a few monolayers grow epitaxially thicker films show a polycrystalline structure with a preferential azimuthal orientation of the high symmetry directions in the crystallites parallel to the high symmetry directions of the TiO2(110) surface. All films show only subtle changes in the V 3d region of the valence band as a function of temperature. In contrast VO2 films grown by reactive RF sputtering show a substantial change in the region of the V 3d level. We find a transition temperature of around 310 K with a width of the hysteresis loop of ±15 K. The relatively broad transition range of ± 70 K could be explained by the different size of the VO2 particles as observed by AFM. An optical-induced phase transition is attributed to laser heating which slowly increases the temperature of the VO2 RF sputtered films.

* Transient change of the dimer buckling on the Si(100) surface

Carrier dynamics in silicon is of fundamental and technological importance. The lower-coordinated atoms at the Si(100) surface rebound to buckled dimer. Concomitant to the dimer tilt, the remaining dangling-bond states split to form semiconducting surface bands. We describe the response of the buckled surface dimers to the optically redistributed electron population in the (100)-silicon dangling-bond bands. We follow the dynamics of both the valence electrons and the dimer displacement by photoelectron spectroscopy employing 10-picosecond XUV synchrotron pulses synchronized to 70-femtosecond infrared pump pulses. The lifetime of hot carriers in the surface conduction-band of several tenths of picoseconds by far exceeds the initial electron-lattice relaxation time of 2 ps. Density functional theory reveals that the surface potential is modified by the altered dangling-bond population. The changes of the dimer buckling-angle manifest in a transient broadening of the Si 2p surface core-level component. Moreover, the broadening resembles the population dynamics of the excited surface carriers and therefore lasts over 100 picoseconds.

* Picosecond spin dynamics of Gd(0001) studied by linear dichroism in 4f photoemission

The transient linear magnetic dichroism in the gadolinium 4f core-level is studied by time-resolved X-ray photoemission spectroscopy employing laser-pump and synchrotron-probe pulses. Absorption of a 80 fs, 800 nm of laser pump- pulse leads to excitation of the 5d6s valence-electrons. We probe the quenching of the magnetization by linear dichroism in photoemission from the Gd 4f electrons using a 60 eV, 50 ps synchrotron probe-pulse. We observe a reduction of the dichroic signal by 20 % even for fluences where electron- phonon scattering leads to lattice temperatures above the Curie point. This suggests that the spin-lattice relaxation time is larger than 50 ps and that the hot electrons are responsible for observed demagnetization. The recovery of the equilibrium magnetization is driven by cooling of the laser spot and spin-lattice interaction. As linear dichroism is a measure of the alignment of the Gd 4f moments, its breakdown is a further proof of laser-induced demagnetization.

Die vorliegende Doktorarbeit beschreibt Untersuchungen zur elektronischen Struktur und Dynamik verschiedener Festkörper und deren Oberflächen. Zur zeitaufgelösten Photoelektronenspektroskopie wurden Femtosekunden (fs) Laseranregungspulse und Pikosekunden (ps) Synchrotronabfragepulse kombiniert.

* Vanadium Dioxid

Vanadium Dioxid (VO2) zeigt als Funktion der Temperatur einen Übergang von einer metallischen in eine halbleitende Phase. Die Übergangstemperatur liegt in etwa bei Raumtemperatur. Dies eröffnet zahlreiche technologische Anwendungen. VO2 Filme mit einer Dicke von etwa 200 nm wurden durch reaktives Hochfrequenzzerstäuben hergestellt. Rasterkaftmessungen zeigen VO2 Partikel unterschiedlicher Größe. Alle Filme weisen im Bereich des Vanadium 3d Valenzbandes nur geringe spektrale Veränderungen als Funktion der Temperatur auf. Wir beobachten eine Übergangstemperatur von 310 K mit einer Hysterese von etwa 15 K Breite. Die Anstiegsflanken der Hysterese sind mit 70 K sehr breit. Dies wird auf die unterschiedliche Größe der VO2 Körner im Film zurückgeführt. Auch durch optische Anregung wird ein Phasenübergang ausgelöst, der allerdings einer langsamen Erwärmung des Films zugeschrieben werden muss.

* Transiente Änderung des Kippwinkels der Si(100) Dimere

Die Ladungsträgerdynamik an Siliziumgrenzflächen ist von fundamentaler wie technologischer Bedeutung. Die Atome der Silizium (100) Oberfläche formen zur Sättigung ihrer Valenzorbitale Dimere. Damit einhergehend bilden sich elektronische Oberflächenzustände aus. Durch Verkippen des Dimers spalten diese Zustände in besetzte und unbesetzte Oberflächenbänder auf, was wiederum die geometrische Verzerrung der Silizium Oberfläche stabilisiert. Durch optische Anregung kann die Population der Elektronen in den Oberflächenzuständen massiv verändert werden. Wir verfolgen die Dynamik der Ladungsträger, sowie die Dimer Verkippung mittels Photoelektronenspektroskopie des Valenzbandes und des Si 2p Rumpfniveaus. Zeitaufgelöste Messungen wurden mit 70 fs Infrarotlaserpulsen und 10 ps XUV Synchrotronpulsen durchgeführt. Die Synchronisation dieser unabhängigen Lichtquellen gelang mit einer Genauigkeit von besser 10 ps. Die Lebensdauer der Löcher und Elektronen in den Oberflächenzuständen sowie im Silizium Leitungsband beträgt mehrere 10 ps und übertrifft die theoretisch bestimmte Elektron-Gitter Relaxionszeit von 2 ps bei weitem. Die Modellierung des Experiments mittels Dichtefunktionaltheorie zeigt zudem, dass das Dimerpotential durch die sich ändernde Ladungsträgerpopulation an der Oberfläche modifiziert wird. Die transiente Änderungen des Dimerkippwinkels zeigt sich in einer Verbreiterung der Oberflächenkomponente des Si 2p Rumpfniveaus. Die Zeitabhängigkeit dieser Verbreiterung folgt der Populationsdynamik der angeregten Ladungsträger an der Silizium Oberfläche, sodass die geometrische Veränderung der Oberfläche über mehr als 100 ps bestehen bleibt.

* Pikosekunden Spindynamik in Gd(0001) Filmen auf W(110) untersucht mittels linearem Dichroismus in der 4f Photoemission

Magnetisierungsdynamik in Gadoliniumfilmen wurde mittels zeitaufgelöster Photoemissionsspektroskopie untersucht. Die Absorption eines 80 fs Infrarotlaserpulses führt zur Anregung der Gd 5d6s Valenzelektronen. Wir verfolgen den damit einhergehenden Einbruch der Magnetisierung durch Messung der Änderungen des linearen Dichroismus in der Gd 4f Photoemission mit einem 60 eV, 50 ps Synchrotronabfragepuls. Eine Reduktion des dichroischen Signals um 20 % wird selbst für Fluenzen beobachtet, für die die Elektron-Phonon- Relaxation zu Gittertemperaturen über dem Curie Punkt führt. Dies deutet darauf hin, das die Spin-Gitter Relaxationszeit größer als 50 ps ist, und heiße Elektronen für die beobachtete Entmagnetisierung verantwortlich sind. Das Wiederherstellen der Magnetisierung wird durch Abkühlen des Laserspots und entsprechende Spin-Gitter Wechselwirkung bestimmt. Es wird gezeigt, dass der lineare Dichroismus ein Maß für die magnetische Ordnung der Gadolinium 4f Momente ist und somit ein weiterer Beweis für die laserinduzierte Entmagnetisierung ferromagnetischer Schichten erbracht.