Angle-Resolved Photoelectron Spectroscopy

Transkript

1 Angle-Resolved Photoelectron Spectroscopy Max Ünzelmann Experimental Methods in surface sciences

2 Einleitung [1] Al2O3 e-beam evaporated onto silicon (100)/SiO2 photoemission peaks Auger-lines inelastic background plasmon losses valence band features [1] Tillmann Kißlinger: Vortrag XPS, Seminar Experimental Methods in Surface Sciences 2

3 Einleitung [1] Al2O3 e-beam evaporated onto silicon (100)/SiO2 photoemission peaks Auger-lines inelastic background plasmon losses valence band features 3

4 Oberflächenbandstruktur Quantenmechanische Beschreibung der elektronischen Struktur von Oberflächen 4 Beschrieben werden muss... der Hamiltonoperator Wellenfunktionen

5 Oberflächenbandstruktur Periodisches Potential aufgrund der periodischen Anordnung der Atome [3] Vorlesungsskript - Oberflächenphysik, MA. Schneider (SS 2015) 5 [2] [3]

6 Oberflächenbandstruktur [2] Periodisches Potential aufgrund der periodischen Struktur der Atome Translationsinvarianz des Hamiltonoperators Ist eine Lösung der Schrödingergleichung zum Eigenwert E, ist ebenfalls eine Lösung zum selben Eigenwert 6

7 Blochtheorem 7 Blochtheorem: Blochfunktionen: [2]

8 Blochfunktionen 8 Blochfunktionen: [2]

9 Blochfunktionen Blochfunktionen: Gitterperiodischer Anteil 9 [2]

10 Blochfunktionen Blochfunktionen: Gitterperiodischer Anteil 10 [2] Ebene Welle

11 Analogie zur Atomphysik H-Atom Oberfläche Potential Wellenfunktionen Quantenzahlen 11

12 Analogie zur Atomphysik H-Atom hema/bilder/termschema.jpg (aufgerufen am [7] Festkörper [7] Christian Riedl: Epitaktisches Graphen auf Siliziumkarbid-Oberflächen: Wachstum, Charakterisierung, Dotierung und Wasserstoff-Interkalation, Dissertation, FriedrichAlexander-Universität-Erlangen-Nürnberg (2010)

13 Photoelektronenspektroskopie Energiemessung emittierter Photoelektronen: Der Photoeffekt (aufgerufen am ) 13 [4]

14 Photoelektronenspektroskopie 14

15 Photoelektronenspektroskopie 15 besetzte Zustände bis

16 Photoelektronenspektroskopie 16 gebundene, jedoch unbesetzte Zustände bis

17 Photoelektronenspektroskopie 17 freie Zustände oberhalb von

18 Photoelektronenspektroskopie 18 besetzte Zustände bis gebundene jedoch unbesetzte Zustände bis freie Zustände oberhalb von

19 Photoelektronenspektroskopie 19

20 Photoelektronenspektroskopie 20

21 Wellenvektor? Energie 21

22 Wellenvektor Freie Zustände: 22

23 Drei-Stufen-Modell [5] 1. Anregung des Elektrons: 23 Übergangswahrscheinlichkeit des Elektrons gegeben durch Fermis-Goldene-Regel (Störungstheorie) Photonenimpuls sehr klein gegen den Elektronenimpuls

24 Drei-Stufen-Modell [5] 2. Transport des Elektrons zur Oberfläche Einige Elektronen verlieren durch inelastische Stöße Energie Sekundärelektronen im Spektrum gutes UHV nötig! 24 [7] Christian Riedl: Epitaktisches Graphen auf Siliziumkarbid-Oberflächen: Wachstum, Charakterisierung, Dotierung und Wasserstoff-Interkalation, Dissertation, FriedrichAlexander-Universität-Erlangen-Nürnberg (2010)

25 Drei-Stufen-Modell 3. Durchtritt ins Vakuum 25 nur Parallelkomponente des Wellenvektors bleibt erhalten [5]

26 Wellenvektor? 26 Motivation für winkelaufgelöste Messungen Freie Zustände:

27 Wellenvektor 27 Motivation für winkelaufgelöste Messungen Freie Zustände:

28 Wellenvektor 28 Motivation für winkelaufgelöste Messungen Freie Zustände:

29 Messung der Bandstruktur Energie 29 k-vektor

30 Experimenteller Aufbau 30

31 Experimenteller Aufbau 31

32 Photonenquellen Synchrotron ikimedia.org/wi kipedia/commons /6/60/Sch%C3%A9 ma_de_principe_ du_synchrotron. (aufgerufen am jpg ) Vorlesungsskri pt Graphen, U. Starke Gasentladungslampen /wiki/file:las er-symbol.svg (aufgerufen LASER 32 am )

33 Photonenquellen Synchrotron Gasentladungslampen LASER 33

34 Gasentladungslampen Häufig Helium Gasentladungslampen Ionisation der Gasatome He I (21,22 ev) He II (40,8 ev) Gaseinlass p = 0,1 bar 34 UHV

35 Messung des Winkels 36

36 Elektronenanalysator 37

37 Elektronenanalysator Elektrisches Feld zwischen den Hemisphären Elektronen werden auf Kreisbahn gezwungen 38

38 Elektronenanalysator Mit channel plates und CCD Kamera können Energie und Winkel gleichzeitig gemessen werden Vorlesungsskript Epitaktisches Graphen, U. Starke 39

39 Typisches Spektrum E. Rotenberg, The Bandstructure of Solids by Angle-Resolved Photoemission Bindungsenergie (ev) 40

40 Typisches Spektrum Bindungsenergie (ev) 41

41 Typisches Spektrum Final-state Energie ist niedriger als Vakuumenergie Bindungsenergie (ev) 42

42 Typisches Spektrum Linke Kante: final-state Energie überschreitet das Vakuumniveau Bindungsenergie (ev) 43

43 Typisches Spektrum Rechte Kante: Energie des Anfangszustandes liegt über Bindungsenergie (ev) 44

44 Typisches Spektrum Breite des Spektrums Bindungsenergie (ev) 45

45 Typisches Spektrum Peaks im Spektrum zeigen Zustände Bindungsenergie (ev) 46

46 Winkelaufgelöste Messungen [6] Dispersion eines Oberflächenzustandes auf Al(001) [6] Philip Hofmann: Surface Physics: An Introduction, WILEYVCH (2008) 47

47 Winkelaufgelöste Messungen 48

48 Winkelaufgelöste Messungen 49

49 Winkelaufgelöste Messungen 50

50 Winkelaufgelöste Messungen 51

51 Winkelaufgelöste Messungen 52

52 Winkelaufgelöste Messungen 53

53 Winkelaufgelöste Messungen 54

54 Winkelaufgelöste Messungen 55 [6]

55 Winkelaufgelöste Messungen 56 [6]

56 Oberflächenzustände [6] Zustand liegt in der projizierten Volumenbandstruktur Oberflächenzustand 57

57 Messung Bandstrukturmessung von Graphen [7] Christian Riedl: Epitaktisches Graphen auf Siliziumkarbid-Oberflächen: Wachstum, Charakterisierung, Dotierung und Wasserstoff-Interkalation, Dissertation, FriedrichAlexander-Universität-Erlangen-Nürnberg (2010) 58 [7]

58 Bandstruktur von Graphen 59

59 Bandstruktur von Graphen Bandstruktur des Bufferlayer [7] Bandstruktur einer Monolage Graphen auf SiC(0001) A Tejeda et al.: Electronic structure of epitaxial graphene grown on the C-face of SiC and its relation to the structure, (2012) New J. Phys [7] Christian Riedl: Epitaktisches Graphen auf Siliziumkarbid-Oberflächen: Wachstum, Charakterisierung, Dotierung und Wasserstoff-Interkalation, Dissertation, FriedrichAlexander-Universität-Erlangen-Nürnberg (2010) 60

60 Bandstruktur von Graphen [8] Position des Diracpunktes enthält Informationen über die Dotierung von Graphen [8] Vorlesungsskript Oberflächenphysik an epitaktischem Graphen, U. Starke (WS 2014/15) 61

61 Bandstruktur von Graphen Dotierung von Graphen durch Aufbringen von Molekülen (hier F4-TCNQ) [8] Vorlesungsskript Oberflächenphysik an epitaktischem Graphen, U. Starke (WS 2014/15) 62 [8]

62 Bandstruktur von Graphen Messung der Fermi-Fläche ebenfalls möglich Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration [8] Vorlesungsskript Oberflächenphysik an epitaktischem Graphen, U. Starke (WS 2014/15) 63 [8]

63 Zusammenfassung und Grenzen Messung der elektronischen Struktur von Oberflächen; insbesondere der Bandstruktur von Oberflächenzuständen nur Messung der besetzten Bandstruktur möglich (mit normalem ARPES) 65 Bestimmung der unbesetzten Bandstruktur mit winkelaufgelöster Zweiphotonen-Photoemission oder inverser Photoemission keine zeitaufgelösten Messungen (tr-arpes) keine lokalen Messungen (nano-arpes) Messung nur in UHV möglich

64 Ausblick: nano-arpes [9] imaging ANd NANo-ARPeS, an innovative and powerful tool for the nanosciences, Research at soleil (2011) 66 [9]

65 Quellen [1] Tillmann Kißlinger: Vortrag XPS, Seminar Experimental Methods in Surface Sciences [2] Th. Fauster et al., Oberflächenphysik, Oldenburgverlag (2013) [3] Vorlesungsskript - Oberflächenphysik, MA. Schneider (SS 2015) [4] Heinrich Hertz: Ueber den Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung, Karlsruhe (1987) [5] Versuchbeschreibung, Winkelaufgelöste Photoelektronspektroskopie mit Synchrotronstrahlung, HU Berlin [6] Philip Hofmann: Surface Physics: An Introduction, WILEY-VCH (2008) [7] Christian Riedl: Epitaktisches Graphen auf Siliziumkarbid-Oberflächen: Wachstum, Charakterisierung, Dotierung und Wasserstoff-Interkalation, Dissertation, Friedrich-AlexanderUniversität-Erlangen-Nürnberg (2010) [8] Vorlesungsskript Oberflächenphysik an epitaktischem Graphen, U. Starke (WS 2014/15) [9] imaging ANd NANo-ARPeS, an innovative and powerful tool for the nanosciences, Research at soleil (2011) 67