Electronic states on the clean and oxygen-covered molybdenum (110) surface measured using time-of-flight momentum microscopy

Recent experiments discovered a new class of materials called topological insulators and started an extensive investigation in order to find more materials of such type and to understand and explore the opening perspectives in fundamental science and application. These materials exhibit a Dirac-type (massless) electronic state, bridging the fundamental band gap. Surprisingly, a strongly spin-polarized surface state with linear dispersion resembling that of Dirac type was found on the already well-investigated W(110) surface. This rose the question of the existence of the same non-trivial electron state on other metal surfaces. The present work describes the investigation of surface electronic states on the Mo(110) surface, their dispersion and transformation upon surface oxidation. This system is isoelectronic to the case of W(110) but due to the lower atomic number the spin-orbit interaction responsible for local band gap formation is substantially decreased by a factor of 5. The Mo(110) surface was shown to exhibit a linearly dispersing state quite similar to the one on W(110), but within a smaller energy range of 120 meV, with the Dirac point lying in the center of a local band gap in k-space. The experimental investigations were performed with the help of momentum microscopy, using a Ti:sapphire laser in the lab and synchrotron radiation at BESSY II, Berlin. The results show good agreement with theoretical calculations of the band structure and photoemission patterns for clean Mo(110). The fully parallel 3D acquisition scheme allowed to visualize the full surface Brillouin zone of the sample up to few eV binding energy within a single exposure of typically less than 30 min. This opens the door to future time-resolved experiments with maximum detection efficiency.Die kürzlich gemachte experimentelle Entdeckung einer neuen Klasse von Materialien, den sogenannten Topologischen Isolatoren, resultierte in einer ausgedehnten Suche nach weiteren Materialien desselben Typs, um die sich eröffnenden Möglichkeiten, sowohl für die Grundlagenforschung als auch für praktische Anwendungen, zu untersuchen. Die Materialien besitzen einen Dirac-artigen elektronischen Zustand, welcher die zugrundeliegende Bandlücke überbrückt. Überraschenderweise entdeckte man nun auf bereits früher gründlich untersuchten W(110)-Oberflächen einen stark spin-polarisierten Dirac-Oberflächenzustand mit linearer Dispersion (masselose Fermionen). Es stellt sich die Frage nach der Existenz dieses nicht-trivialen elektronischen Zustands auf anderen Metalloberflächen. Die folgende Arbeit beschreibt die Untersuchung von elektronischen Oberflächenzuständen der Mo(110)-Oberfläche, deren Dispersion und Veränderung durch eine Oxidation der Oberfläche. Dieses System ist W(110) sehr ähnlich, doch aufgrund geringerer Ordnungszahl ist die Spin-Bahn-Wechselwirkung, welche verantwortlich für die Ausbildung der lokalen Bandlücke ist, um einen Faktor 5 reduziert. Die Mo(110)-Oberfläche zeigt einen ähnlichen, linear dispergierenden Zustand wie W(110), allerdings in einem geringeren Energiebereich von 120 meV, mit einem Dirac-Punkt der innerhalb einer lokalen Bandlücke im k-Raum liegt. Die experimentellen Messungen wurden mittels Impulsmikroskopie mit einem Ti-Saphir Laser im Labor sowie Synchrotron-Strahlung am BESSY II in Berlin durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit theoretischen Berechnungen der Bandstruktur und Photoemissionsspektren für eine reine Mo(110) Oberfläche. Die parallele 3D-Datenerfassung ermöglicht es, die komplette Oberflächen-Brillouin-Zone der Probe bis zu wenigen eV Bindungsenergie darzustellen, bei einer einmaligen, kurzen Belichtung von typischerweise weniger als 30 Minuten. Dies öffnet die Tür für zukünftige zeitaufgelöste Experimente mit maximaler Detektionseffizienz