Zeitaufgelöste Photoemissionsspektroskopie an Au-GaAs Schottky-Kontakten

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

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Elektronendynamik in Au-GaAs Schottky-Kontakten mittels zeitaufgelöster Photoemissionsspektroskopie. Das Ziel ist es, die Dynamik der Elektroneninjektion in den Halbleiter nach Anregung mit ultrakurzen Laserpulsen zu verstehen.

• Die Dynamik der Elektroneninjektion in einem Metall-Halbleiter Kontakt
• Die Bildung einer negativen Ionen-Formation als Startpunkt für viele lichtinduzierte dynamische Oberflächenprozesse
• Der Einfluss von angeregten Elektronen auf Grenzflächenreaktionen
• Die Untersuchung der Photoemissionsspektren von Au-GaAs-Schottky Kontakten
• Die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der transienten Oberflächenspannungen

Zusammenfassung der Kapitel

Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in die Thematik der zeitaufgelösten Photoemissionsspektroskopie und der Elektronendynamik an Grenzflächen. Im zweiten Kapitel werden die theoretischen Grundlagen der Ladungsträgerdynamik in Metall-Halbleiter Kontakten erläutert, inklusive Gleichgewichtsdynamik, Transportdynamik und Relaxationsdynamik. Kapitel drei beschreibt die experimentelle Apparatur, bestehend aus Laser, Ultra-Hoch-Vakuum-System und Flugzeitspektrometer. Kapitel vier behandelt die Probenpräparation und Charakterisierung, inklusive der elektrischen Charakterisierung, der Temperaturbeständigkeit und des Photostroms. In Kapitel fünf werden die Ergebnisse der Multi-Photonen-Photoemission von Au-GaAs-Schottky Kontakten präsentiert und ein Modell zur Beschreibung der transienten Oberflächenspannungen entwickelt. Kapitel sechs widmet sich der Elektronendynamik eines Schottky-Kontakts und beinhaltet die Messmethode, die Bestimmung der zeitlichen Überlagerung des Pump- und Probe-Pulses sowie die Auswertung der Spannungsabhängigkeit. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf zukünftige Forschung.

Schlüsselwörter

Zeitaufgelöste Photoemissionsspektroskopie, Elektronendynamik, Au-GaAs Schottky-Kontakt, Transienten Oberflächenspannungen, Elektroneninjektion, Bandverbiegung, Photostrom, Ultra-Hoch-Vakuum, Flugzeitspektrometer, DIET-Modell, DIMET-Modell.

Details

• College: University of Würzburg
• Grade: 1,0
• Author: Dr. Michael Hofmann (Author)
• Publication Year: 2001
• Pages: 90
• Catalog Number: V118557
• ISBN (eBook): 9783640213498
• ISBN (Book): 9783656072713
• Language: German
• Tags: Zeitaufgelöste Photoemissionsspektroskopie Au-GaAs Schottky-Kontakten