Advanced Photoemission Studies of Low-Dimensional Quantum Materials

Abstract

The role of low-dimensional materials is becoming increasingly important for future quantum devices as conventional semiconductor technology is approaching its physical limit. In particular, electrons in two-dimensional materials (thin films with thicknesses down to the atomic scale) display a range of exotic effects due to their constrained freedom of movement within the crystal. For example, two-dimensional systems may exhibit an integer quantum Hall effect, support massless Dirac fermions, or display unconventional superconductive behaviour. Moreover, doped semiconductors with dense and planar dopant profiles give rise to highly conductive two-dimensional electron gases with confined quantum well states near the Fermi level. Access to and control over such phenomena unlocks a rich toolbox for future technologies, as well as providing new insights into the physics of elementary particles. In this thesis, several different materials that are applicable in low-dimensional systems are studied using photoemission spectroscopy methods. Specifically, the electronic properties of so-called delta-doped semiconductors are studied in detail. Moreover, a novel method for graphene synthesis using transition metal mediators is discussed. Lastly, the synthesis of semimetal phthalocyanines is covered.

Sammendrag: Rollen til lavdimensjonale materialer blir stadig viktigere for utviklingen av fremtidige kvantemekaniske systemer ettersom konvensjonell halvlederteknologi nærmer seg sine fysiske grenser. Særlig utviser elektroner i todimensjonale materialer (tynne filmer med tykkelser på atomskala) en rekke eksotiske effekter som følge av deres begrensede bevegelsesfrihet inni krystallen. For eksempel kan todimensjonale systemer utvise en heltallig kvante-Hall-effekt, støtte masseløse Dirac-fermioner eller utvise ukonvensjonell superledende oppførsel. Videre gir sterkt dopede halvledere med plane dopingprofiler opphav til todimensjonale elektrongasser med høy ledningsevne, der den begrensede bevegelsesfriheten til elektronene gjør at de opptrer i kvantebrønntilstander nær Fermi-nivået. Å få kontroll over slike fenomener gir oss en stor og nyttig verktøykasse for fremtidige teknologier, samtidig som det kan gi ny innsikt i den grunnleggende fysikken til elementærpartikler. I denne avhandlingen studeres flere forskjellige materialer som er anvendelige i lavdimensjonale systemer ved hjelp av fotoemisjonsspektroskopi. Spesielt undersøkes de elektroniske egenskapene til såkalte delta-dopede halvledere i detalj. Videre diskuteres en ny metode for syntese av grafen ved hjelp av overgangsmetall-mediatorer, og til slutt diskuteres syntese av halvmetall-ftalocyaniner.