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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-364610
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.36461
Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
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Open Access Art: | Primärpublikation |
Datum: | 15 Dezember 2017 |
Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Sergey D. Ganichev |
Tag der Prüfung: | 8 Dezember 2017 |
Institutionen: | Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Professor Ganichev > Arbeitsgruppe Sergey Ganichev |
Stichwörter / Keywords: | Topologische Isolatoren, Quecksilbertelluride, Terahertz-Laserspektroskopie, HgTe-Nanostrukturen |
Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik |
Status: | Veröffentlicht |
Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
Dokumenten-ID: | 36461 |
Zusammenfassung (Englisch)
In the framework of this thesis, two- and three-dimensional topological insulators (TI) are investigated with opto-electronic effects in the terahertz range. It is demonstrated that in both cases, photogalvanic effects can be utilized for the detection and the analysis of Dirac fermion states. In the three-dimensional case, a cyclotron-resonance-enhanced photocurrent is observed by exciting 80 nm ...
Zusammenfassung (Englisch)
In the framework of this thesis, two- and three-dimensional topological insulators (TI) are investigated with opto-electronic effects in the terahertz range. It is demonstrated that in both cases, photogalvanic effects can be utilized for the detection and the analysis of Dirac fermion states.
In the three-dimensional case, a cyclotron-resonance-enhanced photocurrent is observed by exciting 80 nm strained HgTe films with terahertz radiation. The arising resonances could be clearly attributed to the topologically protected top and bottom surface states of the system. Studying these resonant responses in a gated sample, the behaviour of the photocurrent is observed upon a modification of the Fermi energy, which allows the extraction of the cyclotron masses of the top and bottom surface states as a function of the Fermi energy. For larger gate voltages, an additional cyclotron resonance is detected, which is caused by bulk carriers and corresponds to a mass about two times larger than that obtained for the surface states. These results are in full agreement with the band structure of the strained HgTe films, calculated by the k•p method. The cyclotron masses of the surface states estimated from this calculation fit well with the experimental ones. Based on the experimental results, a microscopic theory of the resonant photocurrent is developed. It is shown that an orbital effect emerges due to an asymmetric scattering of non-equilibrium surface electrons, resulting in a fully spin-polarized direct electric current, which exhibits a resonant behaviour due to the cyclotron-resonance-enhanced absorbance.
Photogalvanic spectroscopy is also used for the investigation of two-dimensional topological insulators. There spin-polarized photogalvanic currents flowing mainly in the edges of the sample are observed by exciting 2D HgTe QWs with circularly polarized terahertz radiation. These currents exhibit a strong helicity-dependence, meaning that the reversal of the radiation helicity reverses the direction of the photocurrent. Moreover, the sign of the photosignal for a fixed helicity is opposite for the opposite edge, which demonstrates that the current indeed flows in the edges of the sample. Such chiral edge photocurrents are detected in a wide range of applied gate voltages, in which they change their sign twice, which allows a division into three different regions. The mechanisms responsible for the generation of the photocurrent strongly depend on the location of the Fermi level within the band structure. For a Fermi level in the conduction band, the helicity-sensitive photocurrent flowing in the bulk can be attributed to the circular photogalvanic effect, whereas the part generated in the edges is attributed to diffusive scattering at the boundaries of the sample together with the action of the electric field of the circularly polarized radiation on the carrier. In contrast to this, in the TI-regime, the photocurrent is caused by a photoionization of helical edge electrons into the conduction band. For this effect, a microscopic model and the microscopic theory are developed simultaneous to the experiments. It is shown that due to spin-dependent selection rules, the photoionization from spin-up and spin-down branches induced by right- and left-handed circularly polarized radiation is different, which leads to an imbalance of the edge state population and thus to an electric net current. A similar effect is expected for a Fermi level near the valence band region. The photocurrent generation is attributed to transitions from the valence band to the edge sates. However, no full theory could be given till now, as this would require a full understanding of the complex band structure of HgTe near the valence band.
To conclude, this work clearly demonstrated that opto-electronic methods present a convenient tool for the investigation of two- and three-dimensional topological insulators and can even be suitable for the search for new topological insulators. An important feature of this kind of investigation is that it can be applied to diverse geometries and states of samples. Thus, opto-electronic effects can be utilised for micrometre-sized samples where pure optical methods can no longer be performed. Furthermore, the CR-assisted investigation of 3D TI can even be carried out in samples where classical dc transport is hardly possible. For example, it can be used in samples with a high residual carrier density of the bulk or in samples with a Fermi energy lying in the conduction band.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei- und dreidimensionale topologische Isolatoren (TI) mit optoelektronischen Effekten im Terahertzbereich untersucht. Dabei wird gezeigt, dass in beiden Fällen der photogalvanische Effekt für den Nachweis als auch für die Analyse von Dirac-Fermionen genutzt werden kann. Im dreidimensionalen Fall wird ein durch Zyklotronresonanz verstärkter Photostrom nachgewiesen, ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei- und dreidimensionale topologische Isolatoren (TI) mit optoelektronischen Effekten im Terahertzbereich untersucht. Dabei wird gezeigt, dass in beiden Fällen der photogalvanische Effekt für den Nachweis als auch für die Analyse von Dirac-Fermionen genutzt werden kann. Im dreidimensionalen Fall wird ein durch Zyklotronresonanz verstärkter Photostrom nachgewiesen, indem verspannte 80nm-dicke HgTe-Filme mit Terahertzstrahlung angeregt werden. Die auftretenden Resonanzen können eindeutig den topologisch geschützten oberen und unteren Oberflächenzuständen des Systems zugeordnet werden. Untersucht man mit Hilfe von gegateten Proben diese Resonanzen, kann der Photostroms und die Zyklotronmassen der oberen und unteren Oberflächenzustände als eine Funktion der Fermienergie betrachtet werden. Für große Gate-Spannungen wird eine zusätzliche Zyklotronresonanz detektiert, welche sich Ladungsträgern mit etwa zweimal größerer Masse als die der Oberflächenzustände zuschreiben lässt. Diese Ergebnisse lassen sich vollständig mit der Bandstruktur der verspannten HgTe-Filme erklären, welche nach der k•p – Methode berechnet wurden. Die aus dieser Berechnung geschätzten Zyklotronmassen der Oberflächen- und der Volumenzustände passen gut zu den experimentellen bestimmten Massen. Basierend auf den vorliegenden Ergebnissen wird eine mikroskopische Theorie des resonanten Photostroms entwickelt. Es wird gezeigt, dass ein orbitaler Effekt aufgrund einer asymmetrischen Streuung von angeregten Oberflächenelektronen auftritt, was zu einem vollständig spinpolarisierten elektrischen Strom führt, welcher durch die Zyklotronresonanz verstärkte Absorption ein Resonanzverhalten zeigt.
Die Methode der photogalvanischen Spektroskopie wird auch für die Untersuchung von zweidimensionalen TI verwendet. Dabei werden spinpolarisierte photogalvanische Ströme, die hauptsächlich in den Rändern der Probe fließen, durch Anregung von 2D HgTe Quantenwells mit zirkular polarisierter Terahertzstrahlung beobachtet. Diese Ströme zeigen eine starke Helizitätsabhängigkeit. Dies bedeutet, dass eine Umkehrung der Helizität der Strahlung, die Richtung des Photostroms umdreht. Außerdem ist das Vorzeichen des Photosignals für eine feste Helizität für den gegenüberliegenden Rand entgegengesetzt, was zeigt, dass ein Kreisstrom an den Rändern der Probe fließt. Solche chiralen Randströme werden in einem weiten Bereich von angelegten Gatespannungen detektiert, in dem sie ihr Vorzeichen zweimal ändern, was eine Unterteilung in drei verschiedene Bereiche erlaubt. Die Mechanismen, die für die Erzeugung des Photostroms verantwortlich sind, hängen stark von der Position des Ferminiveaus innerhalb der Bandstruktur ab. Liegt das Ferminiveau im Leitungsband kann der im Volumen fließende helizitätsempfindliche Photostrom auf den zirkularen photogalvanischen Effekt zurückgeführt werden. Der in den Rändern erzeugte Teil wird durch die diffusive Streuung an den Grenzen der Probe zusammen mit der Wirkung des elektrischen Feldes der zirkular polarisierten Strahlung auf die Ladungsträger generiert. Im Gegensatz dazu wird der Photostrom in der Bandlücke durch eine Photoionisation von Randelektronen in das Leitungsband verursacht. Für diesen Effekt werden ein mikroskopisches Modell und eine semiklassische Theorie entwickelt. Dabei wird gezeigt, dass der elektrische Strom durch spinabhängige Auswahlregeln entsteht, welche dazu führen dass die Photoionisation von Spin-up- und Spin-down-Zuständen unterschiedlich sind, abhängig davon ob sie durch rechts- oder linksdrehende zirkular polarisierte Strahlung induziert werden. Dies führt zu einem Ungleichgewicht der Randzustandspopulation und somit zu einem messbaren Strom. Ein ähnlicher Effekt wird für ein Ferminiveau nahe der Valenzbandregion erwartet, wo die Photostromerzeugung auf Übergänge vom Valenzband zu den Randzuständen zurückgeführt wird. Jedoch konnte bis jetzt keine vollständige Theorie für diese Fermienergieregion angegeben werden, da dies ein vollständiges Verständnis der komplexen Bandstruktur von HgTe nahe dem Valenzband erfordern würde.
Zusammenfassend wird gezeigt, dass optoelektronische Methoden ein geeignetes Werkzeug für die Untersuchung von zwei- und dreidimensionalen topologischen Isolatoren darstellen und sogar für die Suche nach neuen topologischen Isolatoren geeignet sind. Ein wichtiges Merkmal für diese Art von Untersuchung ist, dass sie auf verschiedenste Geometrien und Probenzustände angewendet werden kann. So können optoelektronische Effekte für mikrometergroße Proben verwendet werden, bei denen reine optische Methoden scheitern. Darüber hinaus kann die Zyklotronresonanz unterstützte Untersuchung von 3D topologischen Isolatoren sogar in Proben durchgeführt werden, bei denen klassische Transportmessungen kaum möglich sind. Zum Beispiel kann sie in Proben mit einer hohen Ladungsträgerdichte im Volumen oder in Proben mit einer im Leitungsband liegenden Fermienergie verwendet werden.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 20:40