Effect of adsorbed magnetic and non-magnetic atoms on electronic transport through surfaces with strong spin-orbit coupling

摘要

Die durch Adsorption von Fremdatomen (Bi, Fe und Co) verursachte Reduktion der Leitfähigkeit des Oberflächenzustandes von epitaktischem Bi(lll)-Filmen, ein Prototyp für Rashba-aufgespal-tene Oberflächenbänder, wurde mit Hilfe von makroskopischen Magnetotransport-Messungen bei tiefen Temperaturen (T=10 K) untersucht. Die detaillierte Analyse von Magnetotransport, Gleichstromleitfähigkeit und Hall-Effekt Messungen zeigt, dass die Streuung von Ladungsträgern im Oberflächenzustand besonders effektiv an Co- und Fe-Atomen stattfindet. Bei diesen wurde im Vergleich zu Bi/Bi(lll) ein um den Faktor zwei größerer Streuquerschnitt gefunden. Während für Bi-Adsorbate Ladungsaustausch oder Änderung der Bandfüllung in der Nähe der Fermienergie zu vernachlässigen sind, finden wir eine Erhöhung der Löcherkonzentration aufgrund der Fe und Co Deposition. Die Atome dienen als Akzeptoren und entziehen der Oberfläche im Mittel pro adsorbiertem Atom 0,5-0,6 Elektronen. Neben dem klassischen Magnetoleitfähigkeitseffekt zeigen die Filme auch Anzeichen von schwacher Antilokalisierung (weak anti-localization, WAL), dies spiegelt die starke Spin-Bahn Wechselwirkung der Bi(111)-Oberfläche wider. Unsere Messungen legen nahe, dass die Kontrolle von Hybridisierung unerlässlich ist, um sich lokale Spin-Momente zu Nutze zu machen und die Rückstreurate in stark Spin-Bahn-gekoppelten Systemen zu erhöhen, wie dies z.B. im Zusammenhang mit topologischen Isolatoren von Interesse ist.%Adsorption-induced reduction of the surface state conductivity in epitaxial Bi(lll) films, a prototype system with a large Rashba-induced surface state splitting by adsorbed atoms of Bi, Fe and Co was investigated by macroscopic surface magneto-transport measurements at a temperature of 10 K. A detailed analysis of magneto-transport, DC-transport and Hall data reveals that the scattering efficiencies for Co and Fe are by a factor of two larger than for Bi. While for the latter, charge transfer and change of band filling near the Fermi level is negligible, we found an increase of hole concentration upon Co and Fe adsorption. These atoms act as acceptors and retract roughly 0.5 electrons from the surface per adsorbed atom. Besides the dominant classical magneto-conductance signal the films show signatures of weak anti-localization (WAL) reflecting the strong spin-orbit coupling in Bi(lll) surface states. Our measurements show that the control of hybridization is important in order to make use of local spin-moments and to increase the backscattering rate in strongly spin-orbit coupled systems, e.g., topological insulators.