[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究重新评估了氢插层外延石墨烯在SiC(0001)上的自旋分辨光电子能谱（SARPES）数据，发现自旋极化信号为Δk = (0.024 ± 0.005) Å⁻¹。与早期解释相反，该信号无法用石墨烯π带的Rashba型自旋分裂来解释，因为测得的分裂宽度超过了能带的本征展宽，表明观测到的极化具有不同的起源。

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].

研究动机与目标

• 通过改进的SARPES测量，重新解释外延石墨烯中先前报道的大自旋分裂的起源。
• 确定光电子发射中观测到的自旋极化是否源于石墨烯π带的本征Rashba型自旋分裂。
• 将测得的自旋分裂与π带的本征展宽进行比较，以评估其与Rashba起源的一致性。
• 解决早期SARPES结果与同一体系高分辨率ARPES数据之间的不一致。
• 排除Rashba型自旋分裂作为插层石墨烯中极化信号来源的可能性。

提出的方法

• 在SiC(0001)上的氢插层石墨烯上进行了高分辨率ARPES测量，能量分辨率为10 meV，角度分辨率为0.5°。
• 利用瑞士光源的COPHEE装置测量了自旋分辨光电子发射，能量分辨率为80 meV，30 eV光子能量下动量分辨率为4°。
• 通过绕表面法线旋转样品，获取x、y和z方向的自旋极化分量的方位角扫描。
• 采用两步拟合程序对动量分布曲线（MDCs）进行拟合，从自旋极化数据中提取自旋分裂参数。
• 将提取的自旋分裂（Δk）与自旋积分ARPES中π带的半高全宽（FWHM）进行比较，以检验其与Rashba模型的一致性。
• 使用洛伦兹线型和恒定背景拟合MDCs，评估在-0.55 eV处π带的本征展宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 氢插层外延石墨烯中观测到的自旋极化是否源于π带的Rashba型自旋分裂？
• RQ2 测得的自旋分裂大小（Δk）是否超过π带的本征展宽，表明与Rashba起源不一致？
• RQ3 在-0.55 eV处的自旋积分MDC能否用两个分离距离为0.024 Å⁻¹的洛伦兹线型成分一致拟合？
• RQ4 如果并非源于石墨烯能带的本征自旋分裂，该自旋极化信号的起源是什么？
• RQ5 插层体系中的自旋极化与先前报道的非插层石墨烯中的值相比如何？

主要发现

• 通过自旋分辨光电子发射测量，测得氢插层石墨烯中的自旋分裂为Δk = (0.024 ± 0.005) Å⁻¹。
• 在-0.55 eV处，π带的半高全宽（FWHM）为0.018 Å⁻¹，显著小于测得的自旋分裂。
• 无法用两个相距0.024 Å⁻¹的洛伦兹线型成分拟合-0.55 eV处的自旋积分MDC，表明该信号不可能源于单粒子Rashba分裂。
• 观测到的自旋极化信号与石墨烯π带的Rashba型自旋分裂不一致，因此否定了该解释。
• 所测极化信号的起源尚不明确，因其无法归因于价带的本征自旋分裂。
• 本研究明确撤回了早期（Gierz2010）关于该信号源于石墨烯中Rashba型自旋分裂的声明。