Angle-resolved Photoelectron Spectroscopy of Epitaxial CuFeS2 Thin Films
Abstract
CuFeS2, vanligvis kjent som kopperkis, er en antiferromagnetisk halvleder som har en eksepsjonell høy Néel temperatur på 823 K. Det tette gittermatch med silisium, den hyppige forekomsten av byggeblokker og muligheten til å justere de elektriske egenskapene ved hjelp av doping gjør dette materialet til en lovende kandidat for spinntroniske anvendelser. Den magnetiske romgruppen (I-42d’) gjør dette materialet til en altermagnet-kandidat. Det betyr at det er mulig å ha spinsplitting av de elektroniske båndene uten spinn-bane kobling. I dette arbeidet etablerer jeg overflatepreparering av epitaktisk voksede CuFeS2(001)-tynnfilmer ved hjelp av Ar+-sputtering og gløding. Overflatesammensetningen undersøkes ved hjelp av XPS som en funksjon av prepareringen. Ved hjelp av LEED, finner jeg at overflatestrukturen tilsvarer et sinkblendegitter og ikke det forventede kobberkisgitteret. Jeg demonstrerer videre myk røntgen-ARPES og resonansfotoemisjon over Cu L3 -og Fe L2,3-kantene for å få innsikt i materialets valensbåndstruktur. Som i LEED, ligner den resiproke romperiodisiteten som ble funnet i ARPES mye på et sinkblendegitter i stedet for et kobberkisgitter, og det er dårlig samsvar mellom målingene og DFT-beregningene. Resonansfotoemisjon avslører at båndstrukturtrekkene som ble observert i ARPES tilhører tidligere urapporterte tilstander i valensbåndet. Basert på resonansatferden over Fe L2,3-kantene, konkluderer jeg med at disse tilstandene sannsynligvis stammer fra d-orbitaler i jern. Oppsummert legger denne avhandlingen grunnlaget for en dypere forståelse av båndstrukturen i kobberkis. Jeg belyser og diskuterer potensielle forklaringer på forekomsten av et sinkblendegitter og avviket mellom DFT-beregningene og ARPES-målingene. CuFeS2, colloquially known as chalcopyrite, is an antiferromagnet semiconductor with an exceptionally high Néel temperature of 823 K. Its close lattice match with silicon, the abundance of its constituents and the tunability of its electric properties through doping make this material a promising candidate for spintronic applications. Its magnetic space group (I-42d’) allows for antiferromagnetically-induced, wavevector-dependent spin-splitting of the electronic bands associated with altermagnetism. In this work, I establish the surface preparation of epitaxially grown CuFeS2(001) thin films by Ar+ sputtering and annealing. The surface composition is investigated by XPS as a function of the preparation. Using LEED, I determine that the surface structure corresponds to a zincblende lattice and not the expected chalcopyrite lattice. I further demonstrate soft X-ray ARPES and resonant photoemission across the Cu L3 and Fe L2,3 edges to gain insight into the valence band structure of the material. As in LEED, the reciprocal space periodicity found in ARPES closely resembles a zincblende lattice instead of a chalcopyrite lattice, and a poor match of the measurements with DFT-calculations is found. Resonant photoemission reveals that the band structure features observed in ARPES belong to previously unreported states in the valence band. Based on their resonant behaviour over the Fe L2,3 edges, I conclude that these states are likely derived from iron d-orbitals. In summary, this thesis lays the foundation for a deeper understanding of the chalcopyrite band structure. I highlight and discuss potential explanations for the appearance of a zincblende lattice and the discrepancy between the DFT-calculations and ARPES measurements.