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Strukturcharakterisierung Gold-induzierter Germanium- und Siliziumoberflächenrekonstruktionen mit Raman-Spektroskopie

Räthel, Jochen - Technische Universität Berlin (2015)


Atomare Ketten formiert durch Metallatome auf Halbleiteroberflächen sind dafür bekannt exotische elektronische Grundzustände wie zum Beispiel die Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit oder Ladungsdichtewellen aufzuweisen. Dabei ist das detaillierte Verständnis der Ausbildung dieser Zustände stark von der Kenntnis der unterliegenden Strukturen abhängig. Diese Arbeit untersucht die atomare Struktur verschiedener reiner und Au-Atom-induzierter Rekonstruktionen auf Halbleiteroberflächen mithilfe der vibronischen Eigenschaften. Die vibronischen Eigenschaften werden analysiert mit Raman-Spektroskopie (RS) in Kombination mit theoretisch berechneten Phononeneigenvektoren und Phononeneigenwerten. Mit niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) werden die präparierten Oberflächenstrukturen überprüft. Durch RS-Experimente an der p(2 1)/c(4 2)-rekonstruierten Ge(001)-Oberfläche wurden mehrere Oberflächenphononen in guter Übereinstimmung zu experimentellen und theoretischen Ergebnisse aus der Literatur nachgewiesen.

Zusätzlich konnten Oberflächenphononen durch Experimente bei 45K ermittelt werden, mit neuen nicht in der Literatur bekannter Moden. Die unterschiedlichen Oberflächenrekonstruktionen und den damit verbundenen atomaren Strukturen der Ge(001)-Oberfläche sind gut verstanden und bekannt. Allerdings wird die atomare Struktur der Au/Ge(001)-Oberflächenrekonstruktion kontrovers diskutiert, zusammen mit der exakten Au-Menge um die Nanodrähte auszubilden. Für die Au/Ge(001)-Oberfläche konnten vier Oberflächenphononenmoden durch polarisationsabhängige RS-Experimente bei Raumtemperatur und 45K, im Bereich von 25 bis 55 cm-1 bestimmt werden. Dieses Ergebnis könnte als wertvoller Beitrag bei der Strukturmodellierung verwendet werden. Die Si(111)-Oberfläche mit ihrer bekannten (7 7)-Rekonstruktion war ebenso von Interesse in dieser Arbeit. Mit polarisationsabhängigen RS-Experimenten bei 120K konnten an der (7 7)-rekonstruierten Si(111)-Oberfläche acht Oberflächenphononen identifiziert werden.

Dieses Ergebnis zeigt eine gute Übereinstimmung zu theoretischen und experimentellen Ergebnissen aus der Literatur. Danach wurden zwei unterschiedliche Mengen von Au-Atomen auf die saubere Si(111)-Oberfläche abgeschieden, um die Au/Si(111)-(v3 v3)R30°- und die Au/Si(111)-(5 2)-Phase auszubilden. Durch RS-Experimente an diesen beiden Au-induzierten Oberflächenrekonstruktionen wurden sieben Oberflächenphononen für die Au/Si(111)-(v3 v3)R30°-Phase und acht für Au/Si(111)-(5 2)-Phase ermittelt.

Ein Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass vier Phononenmoden der beiden Phasen gleiche Frequenzen besitzen, aufgrund von ähnlichen Au-Atom-Adsorptionsstellen beider Strukturen.

Diese experimentellen Ergebnisse können in Kombination mit theoretisch berechneten Phononenmoden verwendet werden, um die atomare Struktur der Au-indizierten Oberflächenrekonstruktionen nachzuweisen. Gestufte Halbleiteroberflächen, wie zum Beispiel die Si(553)-Oberfläche, werden als Templates für das Ausbilden von Metallatom-induzierten 1-dimensionalen Nanostrukturen verwendet. Das Abscheiden von weniger als einer Monolage Au-Atome auf der Si(553)-Oberfläche führt zur Ausbildung von unterschiedlichen Arten von Ketten: einer Si-Honigwabenkette an den Stufenkanten und einer Doppel-Au-Kette auf den Terrassen. Es konnten durch die Charakterisierung der rekonstruierten Au/Si(553)-Oberfläche mit polarisierter RS bei 45K 27 Phononenmoden identifiziert werden. Diese zeigen eine sehr gute Übereinstimmung zu theoretisch bestimmten Phononeneigenwerten und Phononeneigenvektoren. Durch den Vergleich der gemessenen Raman-Spektren bei Raumtemperatur und 45K konnte zusätzlich ein Strukturphasenübergang nachgewiesen werden.


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