Festkörperphysik II: Einführung in die Oberflächenphysik und zeitaufgelöste Festkörper-Spektroskopie

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Rolf Straub
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1 1 Gott schuf das Volumen, der Teufel die Oberfläche Wolfgang Pauli Festkörperphysik II: Einführung in die Oberflächenphysik und zeitaufgelöste Festkörper-Spektroskopie Martin Wolf Freie Universität Berlin Dank an Martin Weinelt (FU/MBI): Klaus Sokolowski Tinten (FU/MBI): Markus Drescher (Uni HH): Folien Oberflächenphysik Folien Röntgenbeugeung Folien Attosekunden-Pulse

2 Übersicht M. Wolf, Grundlagen der Oberflächenphysik 2 2. Herstellung wohldefinierter Oberflächen 2.1 Ultrahochvakuum 2.2 Präparationsverfahren 3. Geometrische Struktur von Oberflächen 3.1 Klassifizierung periodischer Oberflächen 3.2 Rekonstruktion und Relaxation 3.3 Adsorbat-Überstrukturen 3.4 Defekte 4. Beugungsmethoden 4.1 Einführung 4.2 Low-energy electron-diffraction (LEED) 4.3 Reflection high-energy electron-diffraction (RHEED) 4.4 Photoelektronen für die Strukturanalyse (PED, NEXAFS, EXAFS) 5. Rastersondenmethoden 5.1 Scanning tunneling microscopy (STM) 5.2 Atomic force microscopy (AFM) 6. Elektronenspektroskopie-Überblick 6.1 Photoionisation Fermis Goldene Regel 6.2 Quellen u. Analysatoren 6.3 Energieskala 6.4 Anregungswirkungsquerschnitt 7. Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA) 7.1 X-ray photoelectron spectroscopy 7.2 Augerelektronen Spektroskopie 8. Elektronische Bänder in Festkörpern und Oberflächenzustände 8.1 Bloch Theorem 8.2 OF-Brillouinzone u. OF-projizierte Volumenbandstruktur 8.3 OF-Zustände 9. Winkelaufgelöste Photoemission 9.1 Volumenzustände 9.2 OF-Zustände 10. Gitterschwingungen - Phononen 10.1 Volumenphononen 10.2 Oberflächenphononen

Literatur 3 Ertl/Küppers: Low-energy electrons and surface

Films, Springer 2001 Zangwill: Physics at Surfaces, Cambridge 1988

Oberflächenphysik des Festkörpers, Teubner 1994

Cambridge 02 Bechstedt: Principles of Surface Physics, Springer

3 Literatur 3 Ertl/Küppers: Low-energy electrons and surface chemistry, VCH 1985 Lüth: Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films, Springer 2001 Zangwill: Physics at Surfaces, Cambridge 1988 Kolasinski: Surface Science, Wiley 2001 Henzler Göpel: Oberflächenphysik des Festkörpers, Teubner 1994 Woodruff/Delchar/Woddruff: Modern Techniques of Surface Science, Cambridge 02 Bechstedt: Principles of Surface Physics, Springer 2003 Groß: Theoretical Surface Science, Springer 2003 Yates: Experimental Innovations in Surface Science, Springer 1997

4 4 Kapitel 1: Einführung Verhältnis von Oberflächen zu Volumenatomen: Einfach kubischer Festkörper, Gitterkonstante ~ 2.5 Å Atome / cm Atome / cm 2 kugelförmige Vakuumkammer (Durchmesser 30 cm) Oberfläche: Atome Volumen: N = pv / kt = p [bar] Atome

(Katalyse) OF eines Festkörpers hat weitreichenden Einfluss in den Festkörper hinein

5 5 Wann wird die Oberfläche wichtig? Festkörper mit geringer Anzahl an Atomen dünne Filme (HL-Technologie), kleine Teilchen (Katalyse) OF eines Festkörpers hat weitreichenden Einfluss in den Festkörper hinein Raumladungsschicht im HL oder Isolator interessierende Vorgänge laufen direkt an der OF ab Benetzung, Elektronenemission, heterogene Katalyse

6 Charakteristische Tiefenbereiche 6 Henzler Göpel

7 Beispiel 1: MOSFET (ultrathin-body silicon-on-insulator metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) 7 gate source drain substrate insulator Yang-Kyu Choi et al. IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 21, NO. 5, MAY 2000

8 8 Beispiel 1: MOSFET Device Scaling Why do we scale MOS transistors? 1. Increase device packing density 2. Improve frequency response (transit time) α 1/L 3. Improve current drive (transconductance g m ) Decreasing the channel length and gate oxide thickness increases g m, i.e., the current drive of the transistor. Much of the scaling is therefore driven by decrease in L and x ox. Krishna Saraswat,

9 9 Beispiel 2: Autokatalysator 2 CO + 2 NO 2CO 2 + N 2 Katalysator: Al 2 O 3 überzogene Wabenstruktur trägt hochdispersive Metallcluster hier: Platin-Rhodium Legierung

11 11 Beispiel 3: Miniaturisierung Datenspeicher Entwicklung der Speicherdichte von magnetischen Festplatten in den letzten Jahren. Atome auf Oberflächen: 10 7 Gbit/in 2 = 1 bit / surface atom Mn 4+ molekulare Magnete Mn 3+ S = 10, = 0,1

12 12 Wie kann man Oberflächen untersuchen? Henzler Göpel

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