[論文レビュー] Spin and angular resolved photoemission experiments on epitaxial graphene

Isabella Gierz, J. Hugo Dil+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2010

Graphene research and applications参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、SiC(0001)上にエpitaxialグラフェンを形成した水素インターカレーション系におけるスピンおよび角解像度をもった光電子分光（SARPES）データを再評価し、スピン偏光信号Δk = (0.024 ± 0.005) Å⁻¹を同定した。以前の解釈とは異なり、この信号はグラフェンπバンドのラシュバ型スピン分裂では説明できない。なぜなら、測定されたスピン分裂幅がバンドの固有の幅を上回っているため、観察された偏光の原因は他の要因に起因していると考えられる。

ABSTRACT

Our recently reported spin and angular resolved photoemission (SARPES) results on an epitaxial graphene monolayer on SiC(0001) suggested the presence of a large Rashba-type spin splitting of Δk=(0.030+-0.005)1/A [1]. Although this value was orders of magnitude larger than predicted theoretically, it could be reconciled with the line width found in conventional spin-integrated high resolution angular resolved photoemission spectroscopy (ARPES) data. Here we present novel measurements for a hydrogen intercalated quasi free-standing graphene monolayer on SiC(0001) that reveal a spin polarization signal that - when interpreted in terms of the Rashba-Bychkov effect [2,3] - corresponds to a spin splitting of Δk=(0.024+-0.005)1/A. This splitting is significantly larger than the half width at half maximum of spin-integrated high resolution ARPES measurements which is a strong indication that the measured polarization signal does not originate from a Rashba-type spin splitting of the graphene pi-bands as we suggested in our previous report [1].

研究の動機と目的

• より高精度なSARPES測定を用いて、以前に報告された大きなスピン分裂の起源を再解釈すること。
• 観測された光電子分光におけるスピン偏光が、グラフェンπバンドの内在的ラシュバ型スピン分裂に起因するかどうかを特定すること。
• 測定されたスピン分裂をπバンドの固有幅と比較し、ラシュバ起源との整合性を評価すること。
• 以前のSARPES結果と、同じ系における高分解能ARPESデータとの不一致を解消すること。
• 水素インターカレーショングラフェンにおける偏光信号の原因として、ラシュバ型スピン分裂を除外すること。

提案手法

• SiC(0001)上に水素インターカレーションされたグラフェンに対して、10 meVのエネルギー分解能および0.5°の角度分解能を有する高分解能ARPESを実施した。
• スイス光科学研究施設（Swiss Light Source）のCOPHEE装置を用いて、80 meVのエネルギー分解能および30 eVの光子エネルギー下で、4°の動量分解能を有するスピン分解光電子分光を測定した。
• サンプルを表面法線の周りに回転させることで、x、y、z方向のスピン偏光成分を取得した。
• スピン偏光データからスピン分裂パラメータを抽出するために、2段階のフィッティング手順を用いたモーメンタム分布関数（MDC）のフィッティングを実施した。
• 抽出されたスピン分裂（Δk）を、スピン統合ARPESから得たπバンドの半値全幅（FWHM）と比較し、ラシュバモデルとの整合性を検証した。
• MDCのフィッティングにはローレンツ関数と一定背景を用い、-0.55 eVにおけるπバンドの固有幅を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素インターカレーションされたエpitaxialグラフェンにおける観測されたスピン偏光は、πバンドのラシュバ型スピン分裂に起因するか？
• RQ2 測定されたスピン分裂幅（Δk）がπバンドの固有幅を上回っているかどうか。これは、ラシュバ起源との不整合を示唆する。
• RQ3 -0.55 eVにおけるスピン統合MDCが、測定されたΔkで分離された2つのローレンツ関数で一貫してフィット可能か？
• RQ4 もしこの偏光信号がグラフェンバンドの内在的スピン分裂に起因しないのであれば、その起源は何か？
• RQ5 インターカレーション系におけるスピン偏光は、非インターカレーショングラフェンで以前に報告された値と比較してどう異なるか？

主な発見

• 水素インターカレーショングラフェンにおける測定されたスピン分裂幅は、スピン分解光電子分光測定からΔk = (0.024 ± 0.005) Å⁻¹であると判明した。
• -0.55 eVにおけるπバンドの半値全幅（FWHM）は0.018 Å⁻¹であり、測定されたスピン分裂幅よりも顕著に小さい。
• -0.55 eVにおけるスピン統合MDCを、0.024 Å⁻¹の間隔で分離された2つのローレンツ関数でフィットすることは不可能であり、これは信号が単粒子的ラシュバ分裂に起因するものではないことを示している。
• 観測されたスピン偏光信号は、グラフェンπバンドのラシュバ型スピン分裂とは整合しない。このため、従来の解釈は否定された。
• 測定された偏光信号の起源は未解明のままであり、これは価電子帯の内在的スピン分裂に起因するものではない。
• 本研究では、以前の主張（Gierz2010）を明確に撤回し、信号がグラフェンにおけるラシュバ型スピン分裂に起因するものではないと結論づけた。