Graphene sheet versus two-dimensional electron gas: A relativistic Fano spin filter via STM and AFM tips

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Imaging spin-filter efficiency of W(001) and Ir(001) single crystals

Während der letzten Jahre wurde für Spinfilter-Detektoren ein wesentlicher Schritt in Richtung stark erhöhter Effizienz vollzogen. Das ist eine wichtige Voraussetzung für spinaufgelöste Messungen mit Hilfe von modernen Elektronensp ektrometern und Impulsmikroskopen. In dieser Doktorarbeit wurden bisherige Arbeiten der parallel abbildenden Technik weiterentwickelt, die darauf beruht, dass ein elektronenoptisches Bild unter Ausnutzung der k-parallel Erhaltung in der Niedrigenergie-Elektronenbeugung auch nach einer Reflektion an einer kristallinen Oberfläche erhalten bleibt. Frühere Messungen basierend auf der spekularen Reflexion an einerrnW(001) Oberfläche [Kolbe et al., 2011; Tusche et al., 2011] wurden auf einenrnviel größeren Parameterbereich erweitert und mit Ir(001) wurde ein neues System untersucht, welches eine sehr viel längere Lebensdauer der gereinigten Kristalloberfläche im UHV aufweist. Die Streuenergie- und Einfallswinkel-“Landschaft” der Spinempfindlichkeit S und der Reflektivität I/I0 von gestreuten Elektronen wurde im Bereich von 13.7 - 36.7 eV Streuenergie und 30◦ - 60◦ Streuwinkel gemessen. Die dazu neu aufgebaute Messanordnung umfasst eine spinpolarisierte GaAs Elektronenquellernund einen drehbaren Elektronendetektor (Delayline Detektor) zur ortsauflösenden Detektion der gestreuten Elektronen. Die Ergebnisse zeigen mehrere Regionen mit hoher Asymmetrie und großem Gütefaktor (figure of merit FoM), definiert als S2 · I/I0. Diese Regionen eröffnen einen Weg für eine deutliche Verbesserung der Vielkanal-Spinfiltertechnik für die Elektronenspektroskopie und Impulsmikroskopie. Im praktischen Einsatz erwies sich die Ir(001)-Einkristalloberfläche in Bezug auf längere Lebensdauer im UHV (ca. 1 Messtag), verbunden mit hoher FOM als sehr vielversprechend. Der Ir(001)-Detektor wurde in Verbindung mit einem Halbkugelanalysator bei einem zeitaufgelösten Experiment im Femtosekunden-Bereich am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY eingesetzt. Als gute Arbeitspunkte erwiesen sich 45◦ Streuwinkel und 39 eV Streuenergie, mit einer nutzbaren Energiebreite von 5 eV, sowie 10 eV Streuenergie mit einem schmaleren Profil von < 1 eV aber etwa 10× größerer Gütefunktion. Die Spinasymmetrie erreicht Werte bis 70 %, was den Einfluss von apparativen Asymmetrien deutlich reduziert. Die resultierende Messungen und Energie-Winkel-Landschaft zeigt recht gute Übereinstimmung mit der Theorie (relativistic layer-KKR SPLEED code [Braun et al., 2013; Feder et al.,rn2012])

Electric tunable of electron spin polarization in hybrid magnetic-electric barrier structures

Electron spin-dependent transport properties have been theoretically investigated in two-dimensional electron gas (2DEG) modulated by the magnetic field generated by a pair of anti-parallel magnetization ferromagnetic metal stripes and the electrostatic potential provided by a normal metal Schottky stripe. It is shown that the energy positions of the spin-polarization extremes and the width of relative spin conductance excess plateau could be significantly manipulated by the electrostatic potential strength and width, as well as its position relative to the FM stripes. These interesting features are believed useful for designing the electric voltage controlled spin filters. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Spin-polarized transport in one-dimensional waveguide structures with spatially-periodic electronic and magnetic fields

We investigate theoretically the spin-polarized transport in one-dimensional waveguide structure with spatially-periodic electronic and magnetic fields. The interplay of the spin-orbit interaction and in-plane magnetic field significantly modifies the spin-dependent transmission and the spin polarization. The in-plane magnetic fields increase the strength of the Rashba spin-orbit coupling effect for the electric fields along y axis and decrease this effect for reversing the electric fields, even counteract the Rashba spin-orbit coupling effect. It is very interesting to find that we may deduce the strength of the Rashba effect through this phenomenon. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Dimensionality effects in the local density of states of ferromagnetic hosts probed via STM: Spin-polarized quantum beats and spin filtering

We theoretically investigate the local density of states (LDOS) probed by an STM tip of ferromagnetic metals hosting a single adatom and a subsurface impurity. We model the system via the two-impurity Anderson Hamiltonian. By using the equation of motion with the relevant Green's functions, we derive analytical expressions for the LDOS of two host types: a surface and a quantum wire. The LDOS reveals Friedel-like oscillations and Fano interference as a function of the STM tip position. These oscillations strongly depend on the host dimension. Interestingly, we find that the spin-dependent Fermi wave numbers of the hosts give rise to spin-polarized quantum beats in the LDOS. Although the LDOS for the metallic surface shows a damped beating pattern, it exhibits the opposite behavior in the quantum wire. Due to this absence of damping, the wire operates as a spatially resolved spin filter with a high efficiency. © 2013 American Physical Society.

Batimentos quânticos dependentes do SPIN via STM

Pós-graduação em Ciência dos Materiais - FEIS

Interplay between sublattice and spin symmetry breaking in graphene

We study the effect of sublattice symmetry breaking on the electronic, magnetic, and transport properties of two-dimensional graphene as well as zigzag terminated one- and zero-dimensional graphene nanostructures. The systems are described with the Hubbard model within the collinear mean field approximation. We prove that for the noninteracting bipartite lattice with an unequal number of atoms in each sublattice, in-gap states still exist in the presence of a staggered on-site potential ±Δ/2. We compute the phase diagram of both 2D and 1D graphene with zigzag edges, at half filling, defined by the normalized interaction strength U/t and Δ/t, where t is the first neighbor hopping. In the case of 2D we find that the system is always insulating, and we find the Uc(Δ) curve above which the system goes antiferromagnetic. In 1D we find that the system undergoes a phase transition from nonmagnetic insulator for U

Resonant tunneling of holes in GaMnAs-related double- barrier structures

Using the multiband quantum transmitting boundary method (MQTBM), hole resonant tunneling through AlGaAs/GaMnAs junctions is investigated theoretically. Because of band-edge splitting in the DMS layer, the current for holes with different spins are tuned in resonance at different biases. The bound levels of the "light" hole in the quantum well region turned out to be dominant in the tunneling channel for both "heavy" and "light" holes. The resonant tunneling structure can be used as a spin filter for holes for adjusting the Fermi energy and the thickness of the junctions.

Resonant tunneling of holes in GaMnAs-related double- barrier structures

Using the multiband quantum transmitting boundary method (MQTBM), hole resonant tunneling through AlGaAs/GaMnAs junctions is investigated theoretically. Because of band-edge splitting in the DMS layer, the current for holes with different spins are tuned in resonance at different biases. The bound levels of the "light" hole in the quantum well region turned out to be dominant in the tunneling channel for both "heavy" and "light" holes. The resonant tunneling structure can be used as a spin filter for holes for adjusting the Fermi energy and the thickness of the junctions.

Disorder-based graphene spintronics

The use of the spin of the electron as the ultimate logic bit-in what has been dubbed spintronics-can lead to a novel way of thinking about information flow. At the same time single-layer graphene has been the subject of intense research due to its potential application in nanoscale electronics. While defects can significantly alter the electronic properties of nanoscopic systems, the lack of control can lead to seemingly deleterious effects arising from the random arrangement of such impurities. Here we demonstrate, using ab initio density functional theory and non-equilibrium Green`s functions calculations, that it is possible to obtain perfect spin selectivity in doped graphene nanoribbons to produce a perfect spin filter. We show that initially unpolarized electrons entering the system give rise to 100% polarization of the current due to random disorder. This effect is explained in terms of different localization lengths for each spin channel which leads to a new mechanism for the spin filtering effect that is disorder-driven.

IxV Curves of Boron and Nitrogen Doping Zigzag Graphene Nanoribbons

We investigate the transport properties (IxV curves and zero bias transmittance) of pristine graphene nanoribbons (GNRs) as well as doped with boron and nitrogen using an approach that combines nonequilibrium Green`s functions and density functional theory (DFT) [NEGF-DFT]. Even for a pristine nanoribbon we verify a spin-filter effect under finite bias voltage when the leads have an antiparallel magnetization. The presence of the impurities at the edges of monohydrogenated zigzag GNRs changes dramatically the charge transport properties inducing a spin-polarized conductance. The IxV curves for these systems show that depending on the bias voltage the spin polarization can be inverted. (C) 2010 Wiley Periodicals, Inc. Int J Quantum Chem 111: 1379-1386, 2011

O grafeno versus gás de elétrons 2d: filtro fano relativístico de spins por meio de pontas de afm e stm

Pós-graduação em Ciência dos Materiais - FEIS

Messung der paritätsverletzenden Neutronenspin-Rotation in 139 La unter Einsatz von 3 He-Neutronenspin-Filtern

Die Machbarkeit der Detektion einer P,T-Verletzung in der Neutron-Kern-p-Wellenresonanz von La-139 wird untersucht. Als experimentelleVerbesserung wurde der He-3- Neutronenspin- Filter (He-3-NSF) getestet. Mit einem He-3-NSF als Polarisationsanalysator wurde die rein P-verletzende Neutronenspin-Rotation in 139La erstmals mit guter Genauigkeit unmittelbar in der Resonanz bestimmt. Das schwache Matrixelement betrug v=1.51(5)stat(7)syst meV. Es wurde ein adiabatischer He-3-Spin-Rotator entwickelt und erfolgreich getestet, welcher es erlaubt, die Richtung der He-3-Polarisation einzustellen. Dies kann die bei Polarisationsmessungen üblichen Spinpräzessionsspulen ersetzen. Das Problem der Unterdrückung apparativer Falscheffekte während einer P,T-Detektion wird diskutiert und konnte jedoch noch nicht gelöst werden.

Vielkanal-Spinpolarimeter für energie- und winkeldispersive Photoemissionsmessungen

Spinpolarisationsmessungen an freien Elektronen sind seit ihrer ersten Verwirklichung durch Mott anspruchsvoll geblieben. Die relevante Größe eines Spinpolarimeters ist seine Gütefunktion, FoM = S^2*I/I_0, mit der Asymmetriefunktion S und dem Verhältnis aus Streu- und Primärintensität I/I_0. Alle bisherigen Geräte basieren auf einer einkanaligen Streuung (Spin-Bahn- oder Austauschwechselwirkung), die durch FoM = 10^(-4) charakterisiert ist. Moderne Halbkugelanalysatoren ermöglichen hingegen eine effiziente Vielkanaldetektion der spinintegralen Intensität mit mehr als 10^4 simultan erfassten Datenpunkten. Im Vergleich zwischen spinaufgelöster und spinintegraler Elektronenspektroskopie findet man somit einen Effizienzunterschied von 8 Größenordnungen.rnDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung eines neuartigen Verfahrens zur Effizienzsteigerung in der spinaufgelösten Elektronenspektroskopie unter Ausnutzung von Vielkanaldetektion. Der Spindetektor wurde in eine µ-metallgeschirmte UHV-Kammer integriert und hinter einem konventionellen Halbkugelanalysator angebracht. Durch elektronenoptische Simulationen wurde die Geometrie des elektrostatischen Linsensystems festgelegt. Das Grundkonzept basiert auf der k(senkrecht)-erhaltenden elastischen Streuung des (0,0)-Spekularstrahls an einem W(100)- Streukristall unter einem Einfallswinkel von 45°. Es konnte gezeigt werden, dass etwarn960 Datenpunkte (15 Energie- und 64 Winkelpunkte) in einem Energiebereich vonrnetwa 3 eV simultan auf einen Delayline-Detektor abgebildet werden können. Dies führt zu einer zweidimensionalen Gütefunktion von FoM_2D = 1,7. Verglichen mit konventionellen Spindetektoren ist der neuartige Ansatz somit durch einen Effizienzgewinn von 4 Größenordnungen gekennzeichnet.rnDurch Messungen einer Fe/MgO(100) und O p(1x1)/Fe(100)-Probe konnte die Funktionstüchtigkeit des neuen Spinpolarimeters nachgewiesen werden, indem die aus der Literatur bekannten typischen UPS-Ergebnisse mit stark verkürzter Messzeit reproduziert wurden. Durch die hohe Effizienz ist es möglich, besonders reaktive Oberflächen in kurzer Zeit zu vermessen. Dieser Vorteil wurde bereits für eine erste grundlagenorientierte Anwendung genutzt: Als Test für die Gültigkeit von Bandstrukturrechnungen für die Heusler-Verbindung Co_2MnGa, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden wurde.rnMit dem Vielkanal-Spinfilter wurde die Grundlage zu einem um Größenordnungen verbesserten Messverfahren der Elektronenspin-Polarisation geschaffen und damit der Zugang zu Experimenten eröffnet, die mit den bisherigen einkanaligen Detektoren nicht möglich sind.rn

Metal oxide nanofibres membranes assembled by spin-coating method

Ceramic membranes are of particular interest in many industrial processes due to their ability to function under extreme conditions while maintaining their chemical and thermal stability. Major structural deficiencies under conventional fabrication approach are pin-holes and cracks, and the dramatic losses of flux when pore sizes are reduced to enhance selectivity. We overcome these structural deficiencies by constructing hierarchically structured separation layer on a porous substrate using larger titanate nanofibres and smaller boehmite nanofibres. This yields a radical change in membrane texture. The differences in the porous supports have no substantial influences on the texture of resulting membranes. The membranes with top layer of nanofibres coated on different porous supports by spin-coating method have similar size of the filtration pores, which is in a range of 10–100 nm. These membranes are able to effectively filter out species larger than 60 nm at flow rates orders of magnitude greater than conventional membranes. The retention can attain more than 95%, while maintaining a high flux rate about 900 L m-2 h. The calcination after spin-coating creates solid linkages between the fibres and between fibres and substrate, in addition to convert boehmite into -alumina nanofibres. This reveals a new direction in membrane fabrication.