ISBN 978-3-8439-0772-9

978-3-8439-0772-9, Reihe Physik

Kerstin Biedermann
Besetzte und unbesetzte elektronische Zustände vizinaler Si(111)-Oberflächen mit atomaren Goldketten

253 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In dieser Arbeit wurden besetzte und unbesetzte elektronische Zustände vizinaler Si(111)-Au-Oberflächen untersucht. Ziel war es, mithilfe der Methoden der Ein- und Zweiphotonen-Photoemission die experimentelle elektronische Bandstruktur zu vervollständigen und in Einklang mit theoretischen Bandstrukturrechnungen zu bringen. Es wurden die Si(553)-Au-, die Si(111)-(5x2)-Au- und die Si(557)-Au-Oberfläche analysiert.

Während die winkelaufgelöste UV-Photoelektronenspektroskopie Zugang zum besetzten Teil der Bandstruktur inklusive energetischer Lage, Dispersion und Symmetrie lieferte, war mit der bichromatischen Zweiphotonen-Photoemission zusätzlich auch die Dynamik der unbesetzten Zustände auf einer Femtosekundenzeitskala zugänglich. Durch die Polarisation der verwendeten Laserpulse war es möglich, Zustände aufgrund ihrer Symmetrie zu unterscheiden.

Im besetzten Teil der Bandstruktur traten Oberflächen- und Volumenbeiträge auf, die mit Tight-Binding-Bandstrukturrechnungen der Volumenbandstruktur und dem Vergleich der Systeme untereinander getrennt wurden. Eine Gemeinsamkeit dieser Oberflächen sind eindimensionale Rashba-aufgespaltene Goldkettenzustände, die entlang der Ketten dispergieren und senkrecht zu diesen keine Dispersion zeigen. Während auf allen Oberflächen Goldzustände gefunden wurden, lassen sich die übrigen Merkmale der komplexen Rekonstruktion nur für Si(553)-Au eindeutig zuordnen.

Das Hauptaugenmerk dieser Photoemissionsstudie lag auf der Si(553)-Au-Oberfläche. Nach Ab-Initio-Bandstrukturrechnungen weist diese antiferromagnetisch gekoppelte, spinpolarisierte Siliziumatome an den Stufenkanten auf, die für das Auftreten von intrinsischem Magnetismus auf einem nicht-magnetischen Material sorgen. Diese konnten in der vorliegenden Arbeit zum ersten Mal experimentell nachgewiesen und somit deren Existenz bestätigt werden.

Gemeinsamkeiten dieser Oberflächen sind eine aus Anfangszuständen gerader und ungerader Parität angeregte n=1-Bildpotenzialresonanz und das Auftreten von Intensität für UV-Pump-IR-Abfrageprozesse in der Nähe der Vakuumenergie.

Der interessanteste Teil der komplexen Dynamik spielt sich in der Volumenbandlücke von Silizium ab. In dieser existiert mindestens ein stark lokalisierter Oberflächenzustand mit einer Lebensdauer zwischen 80 fs und 150 fs. Dieser wird nicht nur direkt über einen IR-Pumpprozess gefüllt, sondern zusätzlich über Volumen-Oberflächenstreuung auf einer Zeitskala von mehreren Hundert Femtosekunden.