Über die Dynamik von Elektronen auf Silber-Einkristalloberflächen, an metall-organischen Grenzschichten und in PTCDA-Monolagen

In der vorliegenden Dissertation werden verschiedene Aspekte der Elektronendynamik an Metalloberflächen, in metall-organischen Grenzflächenzuständen und in quasi-isolierten PTCDA-Monolagen mittels zeit- und winkelaufgelöster Zweiphotonen-Photoemission (2PPE) untersucht. Die Rydberg-Serien von Ag(...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
1. Verfasser: Marks, Manuel
Beteiligte: Höfer, Ulrich (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2012
Physik
Ausgabe:http://dx.doi.org/10.17192/z2013.0535
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Zusammenfassung:In der vorliegenden Dissertation werden verschiedene Aspekte der Elektronendynamik an Metalloberflächen, in metall-organischen Grenzflächenzuständen und in quasi-isolierten PTCDA-Monolagen mittels zeit- und winkelaufgelöster Zweiphotonen-Photoemission (2PPE) untersucht. Die Rydberg-Serien von Ag(100)-Bildpotentialzuständen und Ag(111)-Bildpotentialresonanzen werden mit einer Kombination von 2PPE und Quantenschwebungsspektroskopie jeweils bis zu einer Quantenzahl von n=7 vermessen und eine Skalierung der Lebensdauer proportional zur dritten Potenz der Quantenzahl n gefunden. Die Lebensdauern der Resonanzen sind aufgrund des resonanten elastischen Transfers von Elektronen in die Festkörperbänder gegenüber den Bildpotentialzuständen um etwa eine Größenordnung verkürzt. Die experimentellen Resultate deuten weiter darauf hin, dass die reinen Dephasierungszeiten der kohärent angeregten Elektronen weder in Bildpotentialzuständen noch in -resonanzen durch die quasi-elastische Streuung mit Phononen beeinflusst werden. Außerdem kann der Beitrag der Elektron-Elektron-Streuung zum Interbandzerfall zwischen Bildpotentialzuständen auf der Ag(111)-Oberfläche identifiziert und durch eine Abschätzung der Streuraten theoretische Vorhersagen für diesen Zerfallskanal bestätigt werden. Die Einfluss der Wechselwirkungen zwischen organischen Halbleitern und einer Metalloberfläche auf die energetische Position und die Wellenfunktion der unbesetzten Shockley-artigen Grenzflächenzustände wird in einer systematischen Untersuchung der Grenzflächen zwischen Monolagen der Moleküle Perylen-3,4,9,10-TetraCarbonsäure-DiAnhydrid (PTCDA) und Naphtalen-1,4,5,8-TetraCarbonsäure-DiAnhydrid (NTCDA) und dem Ag(111)-Substrat mittels 2PPE untersucht. Die Resultate werden mit Ergebnissen aus Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen verglichen. Der Vergleich der unterschiedlichen Modellsysteme zeigt, dass die energetische Verschiebung des Shockley-Zustands fast ausschließlich von der Adsorptionshöhe der Moleküle, also der Distanz zwischen Molekül und Oberfläche sowie der Oberflächendichte der Kohlenstoffringe abhängt. Der Überlapp des Grenzflächenzustands mit den elektronischen Zuständen der Moleküle wird größtenteils von der Verbiegung der Moleküle und der Ausbildung der gerichteten Bindung zwischen den Sauerstoffatomen der Carboxylgruppe und der Oberfläche beeinflusst. Elektronen, die in die Grenzflächenzustände angeregt wurden, relaxieren größtenteils durch Elektron-Loch-Paaranregung zurück in die Metallzustände. Ein reversibler temperaturabhängiger struktureller Phasenübergang einer PerFluoro-Pentacen-Monolage (PFP) auf Ag(111) wird mittels 2PPE, Nahkanten-Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) und Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) charakterisiert. Die geordnete kristalline Phase mit einer zum Substrat kommensuraten (6x3)-Überstruktur geht bei Temperaturen oberhalb von T=145 K in eine ungeordnete Phase aus parallel zur Oberfläche frei beweglichen Molekülen über. Anhand des PFP/Ag(111)-Modellsystems wird zudem der Einfluss von organischen Adsorbatschichten auf Bildpotentialzustände untersucht und im Vergleich mit weiteren Modellsystemen werden die grundlegenden Tendenzen herausgearbeitet. Die Bindungsenergien der Rydberg-Serie können mit verschwindendem Quantendefekt beschrieben und die lokale Austrittsarbeit der PFP-bedeckten Bereiche über die Konvergenz der Bildpotentialzustände mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Der Zerfallskanal über den unbesetzten Grenzflächenzustand verkürzt offenbar die inelastische Lebensdauer der in die Bildpotentialzustände angeregten Elektronen, während der resonante elastische Elektronentransfer aus den Bildpotentialresonanzen aufgrund der Entkopplung durch die Molekülschicht an Effektivität verliert und deren Lebensdauer mit der Adsorbatbedeckung zunimmt. Die 2PPE-Experimente an quasi-isolierten PTCDA-Monolagen auf KCl/Ag(100) zeigen, dass die Untersuchung der intramolekularen Dynamik auch nach Entkopplung der Molekülschichten vom metallischen Substrat durch isolierende Zwischenschichten mittels Photoelektronenspektroskopie möglich ist. Die experimentellen Resultate der intramolekularen Anregungen können mit Hilfe einer hohen Bindungsenergie der exzitonischen Anregung in den PTCDA-Molekülen (E=-1.7 eV) konsistent erklärt werden. Die exzitonischen Anregungen in den PTCDA-Moleküle relaxieren mit Zeitkonstanten kleiner 300 fs in das am stärksten gebundene Exziton. Eine Anregung mit einer Lebensdauer im Bereich von Nanosekunden, die in den 2PPE-Spektren beobachtet wird, und die mit der UV-Anregungen verbundene Abschwächung der Lumineszenz der PTCDA-Monolage werden zusammen mit der Ausbildung eines stabilisierten Ladungstransfer-Exzitons erklärt.
DOI:http://dx.doi.org/10.17192/z2013.0535