Electron-Lattice Interactions and Ultrafast Structural Dynamics of Solids

Abstract

In this thesis, the interactions of electrons and lattice vibrations of solids are studied. Femtosecond laser pulses are used to prepare non-equilibrium states. The pathway of the following relaxation dynamics is governed by the interplay of electrons and nuclei. Experiments based on the pump-probe scheme allow to study these pathways on their fundamental time-scale and therefore the underlying interaction mechanisms. Complementary femtosecond optical- and diffraction techniques were applied to investigate different aspects of the electronic and structural dynamics. Specifically, an experimental apparatus for femtosecond electron diffraction (FED) was designed, constructed and applied. Four different material systems were studied. The incoherent scattering of electrons with phonons was investigated in the simple metal aluminium. Using femtosecond electron diffraction, the rate of energy transfer from photoexcited electrons to the lattice was measured as a function of excitation level. The dynamics of the system are modeled with rate equations, describing the energy transfer between electrons and phonons. The data is compared to first principle density functional theory calculations, and a model including temperature- and frequency dependent electron-phonon coupling is developed, quantitatively matching theory and experiment. Photoexcitation of antimony changes the potential energy surface of the lattice, which directly launches a specific optical phonon mode. Subsequently, this phonon mode decays while simultaneously electrons and other lattice vibrations equilibrate. Here, the excitation and decay of this strongly coupled mode and the competition with incoherent electron-lattice interactions is investigated. The compound Ge2Sb2Te5 (GST) is a prominent member of the class of phase change materials, which are characterized by their large contrast of optical and electronic properties between their metastable amorphous and crystalline phases. Here, an irreversible phase transition from the crystalline to the amorphous state is induced with femtosecond laser pulses. Combining single- shot variations of FED and single-shot femtosecond optical spectroscopy, the first steps of the amorphization process are investigated. Large and immediate changes in the dielectric function are observed, which are followed by a significantly slower heating of the lattice. Semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDCs) are producible in isolated atomic layers, as their atomic structure is highly anisotropic. This anisotropy is reflected in its properties and becomes most pronounced in the isolated monolayers. Here, different electronically excited states are created by different laser excitation conditions, and the subsequent coupling to lattice vibrations is studied, constituting the basis for future experiments on layered materials and heterostructures.

In dieser Arbeit werden die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Gitteratomen in Festkörpern untersucht. Ungleichgewichts-Zustände werden hierzu mit Femtosekunden Laserimpulsen präpariert. Der Verlauf der folgenden Relaxationsprozesse hängt dabei von den Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Kristallgitter ab. Zeitaufgelöste Messungen, basierend auf dem Pump- Abfrage-Prinzip, ermöglichen es, diese Prozesse auf der ihr eigenen Zeitskala zu beobachten. Im Zuge dieser Arbeit wurden komplementäre optische und Beugungs-Methoden entwickelt und angewendet um verschiedene Aspekte der strukturellen und optischen Relaxationsdynamiken zu untersuchen. Die inkohärenten Streuprozesse von Elektronen mit Phononen wurden in Aluminium als Funktion der Anregungsdichte mit Femtosekunden-Elektronenbeugung untersucht. Die Dynamik des Systems wird mit Ratengleichungen, die den Energieübertrag beschreiben, modelliert. Die Daten werden mit ab initio Dichtefunktionaltheorie Rechnungen verglichen. Ein Modell, welches temperatur- und frequenzabhängige Kopplungsparameter zulässt, wird entwickelt und bringt Theorie und Experiment in quantitative Übereinstimmung. Photoanregung von Antimon ändert die Potenzialfläche der Gitteratome, was zur direkten Anregung einer spezifischen Phononenmode führt. Im darauffolgenden klingt die Anregung dieser Phononen ab, und Elektronen und Gitterschwingungen equilibrieren. Die Anregung und der Zerfall dieser stark gekoppelten Phononen und der Zusammenhang mit inkohärenten Elektron-Phonon Wechselwirkungen wird untersucht. Die Verbindung Ge2Sb2Te5 (GST) ist ein prominenter Vertreter der Klasse von Phasenwechselmaterialien, welche sich durch einen großen optischen Kontrast zwischen ihren metastabilen kristallinen und amorphen Phasen auszeichnen. Mit einer Kombination von Einzelschuss-Varianten von fs- Elektronenbeugung und optischer Spektroskopie werden die ersten Schritte der laserinduzierten Amorphisation von GST untersucht. Es wird gezeigt, dass durch Photoanregung große und quasi-instantane Änderungen der dielektrischen Funktion hervorgerufen werden, welche von einem deutlich langsameren Energieübertrag an das Kristallgitter gefolgt werden. Halbleitende Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs) sind aufgrund ihrer anisotropen Struktur in einzelnen atomaren Schichten herstellbar. Diese Anisotropie spiegelt sich in ihren Eigenschaften wider, und ist in isolierten Einzellagen besonders ausgeprägt. Unterschiedliche elektronisch angeregte Zustände werden hier durch Laseranregung erzeugt, und die darauffolgende Kopplung mit Gitterschwingungen studiert, was als Basis für künftige Experimente an Einzellagen dienen kann.