[논문 리뷰] Spin and angular resolved photoemission experiments on epitaxial graphene

Isabella Gierz, J. Hugo Dil외 7명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 09.

Graphene research and applications참고 문헌 26인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 SiC(0001) 기반 수소 인터칼레이티드 에피택시얼 그래핀에서의 스핀 및 궤도 분해형 광전자 방출(SARPES) 데이터를 재평가하여, Δk = (0.024 ± 0.005) Å⁻¹의 스핀 분극 신호를 발견하였다. 이전의 해석과는 달리, 이 신호는 그래핀 π-밴드의 라슈바형 스핀 분열로는 설명될 수 없으며, 밴드의 내재된 폭보다 측정된 분열이 더 크므로 관측된 분극의 기원이 다를 것임을 시사한다.

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].

연구 동기 및 목표

• 향상된 SARPES 측정을 통해 이전에 보고된 큰 스핀 분열의 기원을 재진술하기.
• 관측된 광전자 방출에서의 스핀 분극이 그래핀 π-밴드의 내재적 라슈바형 스핀 분열에서 기인하는지 확인하기.
• 측정된 스핀 분열을 π-밴드의 내재된 폭과 비교하여 라슈바 기원과의 일관성을 평가하기.
• 이전의 SARPES 결과와 동일한 시스템에서의 고해상도 ARPES 데이터 사이의 모순을 해결하기.
• 라슈바형 스핀 분열이 인터칼레이티드 그래핀에서의 분극 신호의 원인일 수 없음을 배제하기.

제안 방법

• SiC(0001) 기반 수소 인터칼레이티드 그래핀에서 10 meV 에너지 해상도와 0.5° 각도 해상도를 갖춘 고해상도 ARPES 측정을 수행하였다.
• 스위스 라이트 소스의 COPHEE 장치를 사용하여 80 meV 에너지 해상도와 30 eV 광자 에너지에서 4° 운동량 해상도로 스핀 분해형 광전자 방출을 측정하였다.
• 표면 법선을 중심으로 샘플을 회전시켜 x, y, z 방향의 스핀 분극 성분을 접근하기 위해 아자이뮬라 스캔을 확보하였다.
• 스핀 분극 데이터에서 스핀 분열 파rameter를 추출하기 위해 이중 단계 피팅 절차를 사용하여 운동량 분포 곡선(MDCs)을 피팅하였다.
• 스핀 통합 ARPES로부터 추출한 π-밴드의 전반적 반폭(FWHM)과 비교하여 라슈바 모델과의 일관성을 테스트하기 위해 추출된 스핀 분열(Δk)을 비교하였다.
• MDCs를 라우어티언 선형형태와 일정 배경을 사용하여 피팅하여 -0.55 eV에서 π-밴드의 내재된 폭을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소 인터칼레이티드 에피택시얼 그래핀에서 관측된 스핀 분극은 π-밴드의 라슈바형 스핀 분열 때문인가요?
• RQ2 측정된 스핀 분열의 크기(Δk)가 π-밴드의 내재된 폭을 초과하는가? 이는 라슈바 기원과의 불일치를 시사하는가?
• RQ3 −0.55 eV에서 스핀 통합 MDC는 측정된 Δk로 분리된 두 개의 라우어티언 성분으로 일관되게 피팅될 수 있는가?
• RQ4 내재적 스핀 분열이 아니라면, 관측된 스핀 분극 신호의 기원은 무엇인가요?
• RQ5 인터칼레이션된 시스템에서의 스핀 분극은 비인터칼레이션된 그래핀에서 이전에 보고된 값과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 수소 인터칼레이티드 그래핀에서 측정된 스핀 분열은 스핀 분해형 광전자 방출 측정을 통해 Δk = (0.024 ± 0.005) Å⁻¹로 결정되었다.
• -0.55 eV에서 π-밴드의 전반적 반폭(FWHM)은 0.018 Å⁻¹이며, 이는 측정된 스핀 분열보다 유의미하게 작다.
• -0.55 eV에서 스핀 통합 MDC를 Δk = 0.024 Å⁻¹ 간격으로 분리된 두 개의 라우어티언 성분으로 피팅하는 것은 불가능하여, 이 신호는 단일 입자 라슈바 분열에서 기인할 수 없음을 시사한다.
• 관측된 스핀 분극 신호는 그래핀 π-밴드의 라슈바형 스핀 분열과 일관되지 않으며, 이에 따라 이러한 해석은 기각된다.
• 측정된 분극의 기원은 여전히 설명되지 않으며, 이는 근본적인 밴드의 스핀 분열로 기인할 수 없기 때문이다.
• 이 연구는 이전에 발표된 주장(Gierz2010)을 명시적으로 철회하며, 이 신호가 그래핀에서 라슈바형 스핀 분열에서 기인한다고 보고한 바가 없다.