Die Entwicklung immer kürzerer Laserpulse bis in den unteren Femtosekundenbereich erlaubt die Untersuchung der Dynamik eines angeregten Elektronengases. Auf kurzen Zeitskalen existiert an Metallgrenzflächen nach einer Anregung mit ultrakurzen Lichtimpulsen ein Nichtgleichgewicht zwischen elektronischen Anregungen und Anregungen des Gitters. Dieses Nichtgleichgewicht hat einen starken Einfluß auf Grenzflächenreaktionen. So konnte z.B. gezeigt werde, dass auf einer Ruthenium-Oberfläche die Oxidation von Carbon-Monoxid zu Carbon-Dioxid durch angeregte Elektronen und nicht durch die Kopplung des Adsorbats an das Phononenbad des Gitters entsteht [1]. Ein möglicher Mechanimsus für eine photoinduzierte Oberflächenreaktion wird durch das DIET-Modell beschrieben (Desorption Induced by Electronic Transitions)[2]. Durch Licht angeregte Elektronen im Substrat können durch die Potentialbarriere zwischen Oberfläche und Adsorbat tunneln, wodurch das Adsorbat ein negatives Molekül-Ion bildet. Das angeregte Elektron wird inelastisch in einen unbesetzten elektronischen Zustand des Metallsubstrats zurückgestreut, wodurch das Adsorbat mit Energie angereichert zurückbleibt. Wenn das Elektron genügend lange in der Resonanz bleibt, kann das angeregte Molekül genügend Energie aufnehmen, um zu desorbieren oder die Energiebarriere überwinden, die zur Brechung von chemischen Bindungen nötig ist. Man kann also die Bildung einer negativen Ionen-Formation als den Startpunkt für viele lichtinduzierte dynamische Oberflächenprozesse ansehen. Stimuliert durch die Ergebnisse von Experimenten, bei denen durch Femtosekunden-Laserpulse induzierte Desorption beobachtet wurde, kam es zu mehreren theoretischen Untersuchungen von durch angeregte Elektronen induzierten Reaktionen. Gadzuk und Mitarbeiter untersuchten die durch Angeregte-Elektronen induzierte Desorption (DIET-Modell) von NO auf einer Pt(111) Oberfläche. Dazu führten sie semiklassische Wellenpaket-Rechnungen auf einer Potentialfläche aus [5, 6]. Harris und Holloway berechneten die Desorptionsrate als eine Funktion der Lebenszeit der Resonanz und der Grösse der Elektronen-Barriere, die das ionisierte Molekül(NO−) von der Pt-Oberfläche trennt [7].
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theorie der Ladungsträgerdynamik
2.1 Gleichgewichtsdynamik
2.1.1 Energieniveau-Schema vor Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts
2.1.2 Metall-Halbleiter Kontakt im thermodynamischen Gleichgewicht
2.1.3 Schottky und Bardeen-Modell des Metall-Halbleiter-Kontakts
2.2 Transportdynamik
2.3 Relaxationsdynamik
2.3.1 Zwei-Temperatur-Modell
2.3.2 Theorie der Fermiflüssigkeiten
2.3.3 Boltzmann-Transport-Modell der Thermalisierung
3 Laborbeschreibung
3.1 Laser
3.2 Ultra-Hoch-Vakuum
3.3 Flugzeitspektrometer
4 Probenpräparation und Charakterisierung
4.1 Probenmaterialien
4.2 Probenherstellung
4.3 Elektrische Charakterisierung
4.3.1 Strom-Spannungs-Kennlinien
4.4 Temperaturbeständigkeit
4.5 Photostrom
4.5.1 Messmethode
4.5.2 Kennlinie unter Beleuchtung
4.5.3 Abhängigkeit von der Fokussierung
4.5.4 Quanteneffizienz
5 Multi-Photonen-Photoemission von Au-GaAs-Schottky Kontakten
5.1 Multi-Photonen-Photoemissionsspektren
5.1.1 Ohne Spannung über den Kontakt
5.1.2 Spannungsabhängigkeit
5.2 Modell der transienten Oberflächenspannungen
5.3 Simulation der Flugzeit
5.4 Messungen zum Modell
5.5 Ergebnisse
6 Elektronendynamik eines Schottky-Kontakts
6.1 Messmethode
6.2 Bestimmung der zeitlichen Überlagerung des Pump- und Probe-Pulses
6.3 Wahl der Spannungen und Leistungen
6.4 Temperaturauswertung
6.5 Spannungsabhängigkeit
6.6 Reproduzierbarkeit der Messungen
6.7 Ergebnisse
7 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit untersucht die Dynamik von Elektronen in Au-GaAs-Schottky-Kontakten mittels zeitaufgelöster Multi-Photonen-Photoemissionsspektroskopie, um die photoinduzierte Elektroneninjektion vom Halbleiter in das Metall zu verstehen. Ein zentraler Fokus liegt auf der Analyse transienter Oberflächenspannungen, die durch gepulste Laseranregung entstehen und die Interpretation der Messdaten beeinflussen.
- Grundlagen der Ladungsträgerdynamik und Transportmechanismen in Metall-Halbleiter-Grenzschichten.
- Entwicklung und Charakterisierung von Au-GaAs-Proben für UHV-Experimente.
- Modellierung und Simulation transienter Oberflächenspannungen unter Femtosekunden-Laseranregung.
- Experimentelle Untersuchung der Elektronendynamik und der Spannungsabhängigkeit von Photoemissionsspektren.
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung
Die Entwicklung immer kürzerer Laserpulse bis in den unteren Femtosekundenbereich erlaubt die Untersuchung der Dynamik eines angeregten Elektronengases. Auf kurzen Zeitskalen existiert an Metallgrenzflächen nach einer Anregung mit ultrakurzen Lichtimpulsen ein Nichtgleichgewicht zwischen elektronischen Anregungen und Anregungen des Gitters. Dieses Nichtgleichgewicht hat einen starken Einfluß auf Grenzflächenreaktionen. So konnte z.B. gezeigt werde, dass auf einer Ruthenium-Oberfläche die Oxidation von Carbon-Monoxid zu Carbon-Dioxid durch angeregte Elektronen und nicht durch die Kopplung des Adsorbats an das Phononenbad des Gitters entsteht [1]. Ein möglicher Mechanimsus für eine photoinduzierte Oberflächenreaktion wird durch das DIET-Modell beschrieben (Desorption Induced by Electronic Transitions) [2]. Durch Licht angeregte Elektronen im Substrat können durch die Potentialbarriere zwischen Oberfläche und Adsorbat tunneln, wodurch das Adsorbat ein negatives Molekül-Ion bildet. Das angeregte Elektron wird inelastisch in einen unbesetzten elektronischen Zustand des Metallsubstrats zurückgestreut, wodurch das Adsorbat mit Energie angereichert zurückbleibt. Wenn das Elektron genügend lange in der Resonanz bleibt, kann das angeregte Molekül genügend Energie aufnehmen, um zu desorbieren oder die Energiebarriere uberwinden, die zur Brechung von chemischen Bindungen nötig ist. Man kann also die Bildung einer negativen Ionen-Formation als den Startpunkt für viele lichtinduzierte dynamische Oberflächenprozesse ansehen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Problematik der Elektronendynamik an Metall-Halbleiter-Grenzflächen ein und erläutert die Bedeutung der Untersuchung photoinduzierter Prozesse.
2 Theorie der Ladungsträgerdynamik: Hier werden die theoretischen Modelle zur Gleichgewichts-, Transport- und Relaxationsdynamik eines angeregten Elektronengases in Metall-Halbleiter-Kontakten dargestellt.
3 Laborbeschreibung: Dieses Kapitel beschreibt den Versuchsaufbau, insbesondere das Femtosekunden-Lasersystem, das Ultra-Hoch-Vakuum-System und das Flugzeitspektrometer.
4 Probenpräparation und Charakterisierung: Der Aufbau der Au-GaAs-Proben sowie deren elektrische Charakterisierung mittels Strom-Spannungs-Kennlinien und Photostrom-Messungen werden hier erläutert.
5 Multi-Photonen-Photoemission von Au-GaAs-Schottky Kontakten: In diesem Kapitel wird der Einfluss transienter Oberflächenspannungen auf die Photoemissionsspektren untersucht und ein entsprechendes Modell entwickelt.
6 Elektronendynamik eines Schottky-Kontakts: Hier werden die experimentellen Pump-Probe-Messungen zur Elektronendynamik und zum Einfluss der angelegten Spannung auf das System präsentiert.
7 Zusammenfassung und Ausblick: Dieses Kapitel fasst die gewonnenen Erkenntnisse zur Elektronendynamik und den Herausforderungen bei der Messung zusammen und gibt Anregungen für zukünftige Untersuchungen.
Schlüsselwörter
Schottky-Kontakt, GaAs, Gold, Photoemission, Femtosekunden-Laser, Ladungsträgerinjektion, Oberflächenspannung, Pump-Probe-Spektroskopie, Elektronendynamik, Transportdynamik, Potentialbarriere, Relaxation, Bandverbiegung, Quanteneffizienz, Photostrom.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Dynamik von angeregten Elektronen in einem Au-GaAs-Schottky-Kontakt mittels zeitaufgelöster Multi-Photonen-Photoemissionsspektroskopie.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Zentrale Themen sind die Transport- und Relaxationsdynamik von Elektronen nach Laseranregung sowie der Einfluss von durch diese Anregung entstehenden transienten Oberflächenspannungen auf die Messergebnisse.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Erforschung der photoinduzierten Elektroneninjektion vom Halbleiter in das Metall, um ein besseres Verständnis für Grenzflächenprozesse zu gewinnen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Hauptmethode ist die Pump-Probe-Spektroskopie unter Verwendung von ultrakurzen Femtosekunden-Laserpulsen.
Welche Rolle spielt die Oberflächenspannung im Hauptteil?
Es wird gezeigt, dass gepulste Laseranregung eine transiente Oberflächenspannung induziert, die die Energieeichung des Flugzeitspektrometers erschwert und die Interpretation der Messdaten beeinflusst.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Schottky-Kontakt, Elektronendynamik, Ladungsträgerinjektion, transiente Oberflächenspannung und Pump-Probe-Spektroskopie.
Was unterscheidet den Transport in n-dotiertem GaAs zu anderen Materialien in dieser Studie?
Bei Schottky-Kontakten mit n-dotiertem GaAs werden durch die Bandverbiegung unter Laseranregung Löcher aus dem Valenzband in die Metallschicht injiziert, was einen anderen Mechanismus darstellt als bei p-dotierten Proben.
Wie wurde der Einfluss der transienten Oberflächenspannung auf die Messergebnisse korrigiert?
Der Einfluss wurde durch ein Modell der transienten Oberflächenspannung (RC-Glied-Ersatzschaltbild) simuliert, um die Energieverschiebung in den Spektren qualitativ zu erklären, wobei eine direkte Korrektur in der Energiemessung schwierig bleibt.
- Arbeit zitieren
- Dr. Michael Hofmann (Autor:in), 2001, Zeitaufgelöste Photoemissionsspektroskopie an Au-GaAs Schottky-Kontakten, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/118557
