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Photocurrents in topological insulator nanowire and Hall bar devices

  • In this thesis, the transport properties of topological insulators are investigated. In contrast to trivial insulators, topological insulators possess conducting boundary states which cross the bulk energy gap that separates the highest occupied electronic band from the lowest unoccupied band. The materials used in this thesis are three-dimensional topological insulators with time-reversal symmetry. Their associated helical surface states are protected against elastic backscattering by Kramers degeneracy. The unique properties of the helical surface states can be utilized to generate spin-polarized currents at the surface of topological insulators and to control their propagation direction. This makes them a promising material class for the field of spintronics. Here, we perform photocurrent scans of topological insulator Hall bar and nanowire devices. From these measurements, we obtained two-dimensional maps of the polarization-independent and helicity-dependent components of the photocurrents. We find that the polarization-independent component is dominated by the Seebeck effect and thus driven by thermoelectric currents. On the other hand, the helicity-dependent component is driven by the spin-polarized currents that emerge from the topologically non-trivial helical surface states via the circular photogalvanic effect. First and foremost, our experiments demonstrate that topological insulator nanowires provide a promising platform for the generation of spin-polarized currents, whose direction can be controlled via the helicity of the excitation light. They also highlight the importance of analysing the spatial distribution of the photocurrent, as we observe a strong enhancement of the spin-polarized current and the thermoelectric current at the interface between the nanowire and the metallic contacts. As our analysis shows, the thermoelectric current is enhanced by the Schottky effect and the spin-polarized current is amplified by the spin Nernst effect. In addition, the spin Nernst effect is also present in Hall bar devices and manifest as an enhancement of the spin-polarized current along the Hall bar sides.
  • In dieser Arbeit werden die Transporteigenschaften von topologischen Isolatoren untersucht. Im Gegensatz zu trivialen Isolatoren besitzen topologische Isolatoren leitende Oberflächenzustände, welche die Volumenbandlücke zwischen dem höchsten besetzten Band und dem niedrigsten unbesetzten Band überwinden. Die in dieser Arbeit verwendeten Materialen gehören zu der Gruppe der dreidimensionalen topologischen Isolatoren mit Zeitumkehrsymmetrie. Deren helikale Oberflächenzustände sind durch die Kramers-Entartung gegen elastische Rückstreuung geschützt. Diese einzigartigen Eigenschaften der helikalen Oberflächenzustände können genutzt werden, um an der Oberfläche der topologischen Isolatoren spin-polarisierte Ströme zu erzeugen und deren Richtung zu kontrollieren. Dies macht topologische Isolatoren zu einer vielversprechenden Materialklasse im Bereich der Spintronik. In der vorliegenden Arbeit werden Photostromscans an Proben aus topologischen Isolatoren durchgeführt, welche als Hall-Barren strukturiert oder als Nanodrähte gewachsen wurden. Basierend auf diesen Messungen werden der polarisationsunabhängigen und der helizitätsabhängige Beitrag räumlich aufgelöst dargestellt. Es zeigt sich, dass der polarisationsunabhängige Beitrag hauptsächlich durch den Seebeck-Effekt bestimmt und daher durch thermoelektrische Ströme erzeugt wird. Der helizitätsabhängige Beitrag wird dagegen durch spin-polarisierte Ströme getrieben, welche durch die topologischen nicht-trivialen helikalen Oberflächenzustände basierend auf dem zirkularen photogalvanischen Effekt erzeugt wird. In erster Linie demonstrieren unsere Messungen, dass in topologischen Isolatoren spin-polarisierte Ströme durch optische Anregung erzeugt und ihre Richtung durch die Helizität des zirkular-polarisierten Lichts kontrolliert werden können. Ferner verdeutlichen sie, dass eine Analyse der räumlichen Verteilung der Photostrombeiträge zwingend erforderlich ist, da an den Grenzflächen zwischen Nanodraht und Metallkontakt ein deutlicher Anstieg des spin-polarisierten und des thermoelektrischen Stroms messbar ist. Unsere weitere Auswertung zeigt, dass der thermoelektrische Strom durch den Schottky Effekt ergänzt und der spin-polarisierte Strom durch den Spin-Nernst-Effekt verstärkt wird. Darüber hinaus, tritt der Spin-Nernst-Effekt auch in den Hall-barren Proben auf und zeigt sich in den verstärkten spin-polarisierten Strömen entlang der Hall-barren Seiten.

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Metadaten
Author: Nina Meyer
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-45432
Title Additional (German):Photoströme in topologischen Isolator Nanodraht und Hall-bar Devices
Referee:Prof. Dr. Markus Münzenberg, Prof. Dr. Alexander Holleitner
Advisor:Prof. Dr. Markus Münzenberg
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2021/05/05
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2021/03/26
Release Date:2021/05/05
Tag:Photoströme; topologische Isolatoren
Seebeck effect; nanowire; photocurrent; spin-polarized current; topological insulator
GND Keyword:Dissertation, Festkörperphysik
Page Number:73
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik