Über die Elektronendynamik an helium- und graphenbedeckten Metalloberflächen

Die vorliegende Arbeit stellt eine experimentelle Studie zur Dynamik von Elektronen in Bildpotentialzuständen und in Grenzflächenzuständen an adsorbatbedeckten Metalloberflächen mittels zeitaufgelöster Zweiphotonen-Photoemissions-Spektroskopie(2PPE) dar. Dabei wurden zwei komplementäre Modellsysteme...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Armbrust, Nico
Beteiligte: Höfer, Ulrich (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2012
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Die vorliegende Arbeit stellt eine experimentelle Studie zur Dynamik von Elektronen in Bildpotentialzuständen und in Grenzflächenzuständen an adsorbatbedeckten Metalloberflächen mittels zeitaufgelöster Zweiphotonen-Photoemissions-Spektroskopie(2PPE) dar. Dabei wurden zwei komplementäre Modellsysteme untersucht: Zum einen ein dünner Heliumfilm auf einem Cu(111)-Substrat, da Helium aufgrund seiner geringen Polarisierbarkeit und der besonders negativen Elektronenaffinität ein ideales Modell einer isolierenden homogenen dielektrischen Kontinuum darstellt. Zum anderen eine Graphenschicht auf einem Ru(0001)-Substrat. Graphen weist im Gegensatz zu Helium eine sehr hohe Polarisierbarkeit entlang der Schicht auf und besitzt an sich Serien von stark gebundenen Bildpotentialzuständen. Zudem lässt sich am kombiniertem System der Einfluss der periodischen Korrugation der Graphenschicht auf die elektronische Struktur an der Oberfläche untersuchen. Für die Untersuchung der Dynamik der Elektronen in Bildpotentialzuständen an der heliumbedeckten Cu(111)-Oberfläche wurden die besonderen experimentellen Herausforderungen, die in der Kombination dieses Tieftemperaturexperimentes im Ultrahochvakuum mit der Laserspektroskopie bestehen, erfolgreich bewältigt. So kann ein wohlgeordneter Heliumfilm mit einer Bedeckung von einer Monolage auf dem Cu(111)-Substrat präpariert werden. Es zeigt sich, dass die Bindungsenergien der unbesetzten Bildpotentialzustände n = 1 und n = 2 dadurch im Vergleich zur sauberen Cu(111)-Oberfläche in erheblichem Maße reduziert werden. So verringert sich die des (n = 1)-Zustands um 50% und die des (n = 2)-Zustands um 30%. Ursache hierfür ist die starke Entkopplung der Bildpotentialzustände von der Metalloberfläche. In Kombination mit der äußerst geringen Polarisierbarkeit des Heliums begründet sie sich vor allem in der hohen Barriere, die der Heliumfilm für die Bildpotentialzustände aufgrund der negativen Elektronenaffinität darstellt. Der vergrößerte Abstand zum Metallsubstrat führt damit zur Reduzierung der Bindungsenergien. Dadurch entartet der (n = 1)-Zustand mit dem Leitungsband des Metalls und wird ebenso wie die höheren Zustände n = 2, 3, ... zur Bildpotentialresonanz. Die energetische Anhebung des teilweise besetzte Shockley-Oberflächenzustand der Cu(111)-Oberfläche gegenüber dem Ferminiveau durch den Einfluss des Heliumfilms erweist sich erwartungsgemäß als relativ gering. Weiterhin lässt sich ein bemerkenswert starker Anstieg der Lebensdauer des (n = 1)-Zustands um eine Größenordnung verzeichnen. Die Lebensdauer des (n = 2)-Zustands erhöht sich um das Zweieinhalbfache. Dies liegt zum einen darin begründet, dass mit der Entkopplung eine Verringerung der Wechselwirkung der Elektronen in den Bildpotentialzuständen mit Metallelektronen einher geht, was die inelastische Zerfallsrate reduziert. Der wesentliche Einfluss auf die Lebensdauer der Bildpotentialresonanzen liegt aber besonders in der Unterdrückung des Zerfalls über elastischen Elektronentransfer ins Metall. Diese Ergebnisse werden mit Rechnungen auf der Basis eindimensionaler Modellpotentiale verglichen, die den Heliumfilm als Tunnelbarriere oder als dielektrisches Kontinuum modellieren. Damit kann der Trend der Bindungsenergien quantitativ gut wiedergegeben werden. Die Änderung der Lebensdauern lässt sich aber nicht zufriedenstellend erklären. Hier könnte ein detaillierteres Modellpotential eine genauere quantitative Beschreibung liefern. Graphen weist auf der Ru(0001)-Oberfläche eine Moiré-Überstruktur mit einer enormen periodischen Höhenmodulation von 1.5 Å zwischen den sich ausbildenden „Hügeln“ und „Tälern“ auf. An dieser Oberfläche werden die ersten beiden unbesetzten Bildpotentialzustände n = 1 und n = 2 experimentell ermittelt. Sie weisen im Vergleich zur sauberen Ru(0001)-Oberfläche geringere Bindungsenergien und etwas längere Lebensdauern auf, was darauf hindeutet, dass sie durch die Graphenschicht leicht entkoppelt werden. Mit einer effektiven Masse nahe der eines freien Elektrons lassen sie sich lateral den eher miteinander verbundenen Tälern zuordnen. Zusätzlich wird ein weiterer Bildpotentialzustand n = 10 beobachtet, der mit den anderen Zuständen keine gemeinsame Rydberg-artige Serie bildet. Er besitzt eine doppelt so große Bindungsenergie als der (n = 1)-Zustand und eine etwas kürzere Lebensdauer. Er kann den Bereichen der Hügel zugeordnet werden und besitzt dort aufgrund des größeren´ Abstands des Graphens zum Substrat einen deutlichen Anteil seiner Wahrscheinlichkeitsdichte unterhalb der Graphenschicht. Die Nähe zum Metall erklärt den Trend seiner Bindungsenergie und Lebensdauer, die der sauberen Ru(0001)-Oberfläche entspricht. Die deutlich flachere Dispersion des (n = 10)-Zustands zeigt auch, dass er in den Bereichen der Hügel lateral lokalisiert ist. Außerdem werden zwei weitere unbesetzte Zustände S0 und S 0.91 bzw. 2.58 eV oberhalb des Ferminiveaus beobachtet, deren Dispersionen der eines freien Elektrons ähnelt. Sie haben beide ihren Ursprung in der unbesetzten Shockley-artigen Oberflächenresonanz der Ru(0001)-Oberfläche. Diese wird im Bereich der Täler energetisch stark angehoben und liegt in der projizierten Bandlücke des Substrats, wo sie durch eine mögliche Hybridisierung mit dem ersten Bildpotentialzustand den Grenzflächenzustand S ausbildet. Der Trend dieser Anhebung steht im Einklang mit Adsorbatschichten anderer polyzyklischer organischer Moleküle. Zur Modellierung des Systems wurden Rechnungen in einem speziell dafür entwickelten eindimensionalen Modellpotential durchgeführt, dass die Hügel und Täler über die unterschiedlichen Abstände der Graphenschicht zum Substrat beschreibt. Die Ergebnisse bestätigen die experimentellen Ergebnisse qualitativ sehr gut und ergeben auch für die Bindungsenergien eine zufriedenstellende quantitative Übereinstimmung. Eine Beschreibung im Rahmen der Vielteilchentheorie könnte dazu betragen, auch die Lebensdauern in diesem Modell quantitativ zu reproduzieren.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2012.0878