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Ultrafast electron dynamics and the role of screening
Wegkamp, Daniel

Main titleUltrafast electron dynamics and the role of screening
Title variationsUltraschnelle Dynamik von Elektronen und die Rolle von Abschirmungseffekten
Author(s)Wegkamp, Daniel
Place of birth: Coburg, Deutschland
1. RefereeProf. Dr. Martin Wolf
Further Referee(s)Prof. Dr. Martin Weinelt
Dr. Robert A. Kaindl
Keywordsphotoemission; time-resolved; electron-dynamics; vanadium dioxide; screening; ice; low-dimensional
Classification (DDC)530 Physics
SummaryDiese Arbeit beschäftigt sich mit ultraschneller Dynamik elektronischer Anregungen in Festkörpern und dem Einfluss der Abschirmung der Coulomb-Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen. Die Auswirkungen dieser Abschirmung sind vielfältig und reichen von der Modifizierung von Elektron-Elektron-Streuraten über das Einfangen von Überschussladungen bis hin zur vollständigen Renormierung der elektronischen Bandstruktur. Zeitaufgelöste optische und Photoelektronenspektroskopie kann die Femtosekunden Zeitskala dieser dynamischen Prozesse direkt erfassen. Drei Beispielsysteme werden untersucht, um solche grundlegenden Prozesse zu beleuchten:
Vanadiumdioxid weist einen Phasenübergang von monoklinem Isolator zu rutilem Metall auf. Neben Temperatur, Dotierung und weiteren Einflüssen kann man den Phasenübergang auch durch Anregung mit Licht induzieren. Dies führte zu einer kontroversen Diskussion über die Zeitskalen des strukturellen und elektronischen Phasenübergangs und warf die Frage auf, welcher der beiden die treibende Kraft darstellt. Durch zeitaufgelöste Photoelektronenspektroskopie wird gezeigt, dass sich die Bandlücke des Isolators sofort mit der Photoanregung schließt, ohne dass die Gitterstruktur beteiligt ist. Der Grund ist eine Änderung der Abschirmung der Coulomb-Wechselwirkung durch photoinduzierte Löcher. Die Spektroskopie von kohärenten Phononen zeigt, dass sich gleichzeitig das Gitterpotential ändert. Diese Potentialänderung initiiert vermutlich den Phasenübergang von monokliner zu rutiler Struktur. Die anfängliche Ungleichgewichtssituation kann dennoch durch eine metallische elektronische Struktur beschrieben werden, während die Atome sich an ihren monoklinen Gitterplätzen befinden.
An der SrTiO3/Vakuum-Grenzfläche existiert ein zwei-dimensionales Elektronengas (2DEG), welches entlang der Oberfläche delokalisiert, senkrecht dazu jedoch lokalisiert ist. Die Form der abgeschirmten Coulomb-Wechselwirkung und der Phasenraum im 2DEG sind durch die niedrige Dimensionalität modifiziert, was zu veränderten Lebensdauern von heißen Ladungsträgern führt. Diese Lebensdauern werden mit zeitaufgelöster Photoelektronenspektroskopie untersucht: Das vorhergesagte 2D-Verhalten wird bestätigt und es werden zwei ausgeprägte Endzustände in der unbesetzten elektronischen Bandstruktur entdeckt. Weiterhin wird die Besetzung des 2DEG durch Photoanregung aus lokalisierten Defektzuständen in der Bandlücke vorübergehend erhöht.
Eine andere Art der Abschirmung mit Hilfe von Dipolmomenten in einer amorphen Eisschicht, wird ausgenutzt um Elektronen in einem polaren Medium vor einer Metalloberfläche zu stabilisieren und einzufangen. Hierbei wird die mittlere freie Weglänge von niederenergetischen Elektronen in amorphem Eis abgeschätzt. Weiterhin werden die eingefangenen Elektronen dazu benutzt eine chemische Reaktion anzutreiben: Eine langlebige Änderung der elektronischen Oberflächenstruktur der Eisschicht wird durch die sogenannte "dielectron hydrogen evolution reaction" erklärt.
Das Verständnis der Abschirmung der Coulomb-Wechselwirkung in diesen Systemen erlaubt es, scheinbar unverwandte Effekte, wie den Einfang von Überschusselektronen in Eis oder den Phasenübergang von Isolator zu Metall in VO2, im Rahmen des gleichen Konzeptes zu erklären.
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PDF-Datei von FUDISS_thesis_000000099417
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Number of pagesXII, 206 S.
FU DepartmentDepartment of Physics
Year of publication2015
Document typeDoctoral thesis
Media type/FormatText
LanguageEnglish
Terms of use/Rights Nutzungsbedingungen
Date of defense2015-05-11
Created at2015-06-01 : 01:29:35
Last changed2015-06-12 : 07:54:46
 
Static URLhttp://edocs.fu-berlin.de/diss/receive/FUDISS_thesis_000000099417
NBNurn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000099417-2
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