ISBN 9783868537741

978-3-86853-774-1, Reihe Physik

Christian Eickhoff
Zeitaufgelöste Zweiphotonen-Photoemission an der Si(001)-Oberfläche

180 Seiten, Dissertation Freie Universität Berlin (2010), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Mittels der Kombination aus ultraschneller Laseranregung und energie-, winkel- und zeitaufgelöster Zweiphotonen-Photoemission (2PPE) werden in dieser Arbeit die elek- tronischen Eigenschaften von Silizium, insbesondere der Silizium(001)-Oberfläche, un- tersucht. Ein eigens dafür aufgebautes Laser- und Ultrahochvakuumsystem mit bildgebendem 2D-CCD-Detektor vermittelt dabei neue Einblicke in die Relaxation angeregter Ladungsträger auf der Femtosekundenzeitskala.

Die Bandlücke zwischen besetzten Valenz- und unbesetzten Leitungsbändern beeinflusst die Dynamik angeregter Elektronen sowohl im Volumen als auch in den Zuständen und Resonanzen vor der Oberfläche charakteristisch. So führt beispielsweise die Elektron-Phonon-Wechselwirkung zur Ausbildung eines Flaschenhalses bei der Relaxation heißer Elektronen im Leitungsband. Dies spiegelt sich in einer erhöhten elektronischen Temperatur wider, die über Pikosekunden bestehen bleibt.

Aus dem Leitungsband streuen Elektronen während der Relaxation in den unbesetzten dangling bond-Oberflächenzustand Ddown. In Abhängigkeit von der Anregungsdichte dominieren Elektron-Elektron- oder Elektron-Phonon-Streuprozesse diese Oberflächenrekombination. Die Relaxation der Ladungsträger im Ddown-Zustand wird wiederum durch die Ausbildung eines Flaschenhalses in der Elektron-Phonon-Kopplung verlangsamt.

Die Verwendung des neuen Lasersystems ermöglicht weiterhin den Nachweis der Rydberg-artigen Serie von Bildpotenzialresonanzen vor der Si(001)-Oberfläche. Es wird gezeigt, dass die Lebensdauer der Bildpotenzialresonanzen vor dieser halbleitenden Oberfläche den gleichen Gesetzmäßigkeiten folgt wie vor metallischen Oberflächen. Zusätzlich wird die Elektron-Phonon-Kopplung in der ersten Bildpotenzialresonanz untersucht und mit dem Ddown-Oberflächenzustand verglichen.

Erstmals werden Fano-artige Linienprofile in einem 2PPE-Prozess an Oberflächen nachgewiesen und analysiert. Wird die Photonenenergie des anregenden Laserpulses über die Resonanz zwischen dem besetzten dangling bond-Zustand Dup und der unbesetzten Bildpotenzialresonanz n = 1 variiert, zeigen sich deutliche Intensitätsänderungen, die erfolgreich mit Hilfe einer analytischen Erweiterung des herkömmlichen Fano-Effektes beschrieben werden können. Dieses Interferenzphänomen des sogenannten zweidimensionalen Fano-Effektes beruht dabei auf der gleichzeitigen Entartung des Anfangs- und des Zwischenzustandes mit Kontinuumszuständen. Die Einführung einer Kopplung in die Optischen Bloch-Gleichungen erlaubt des Weiteren eine numerische Bestimmung der Kopplungsstärken zwischen den diskreten Oberflächenzuständen beziehungsweise Bildpotenzialresonanzen und Volumenzuständen. Mit der Interpretation der Kopplung als Zerfallskanal wird so die Lebensdauer eines einzelnen Photolochs im dangling bond-Zustand Dup und eines Elektrons in der ersten Bildpotenzialresonanz n = 1 in dem inhomogen verbreiterten System der Si(001)- Oberfläche zugänglich.