Oberflächenzustände - BTU Cottbus-Senftenberg · 8,629125·10-5 eV/K E F Fermi-Energie T Temperatur Fermi-Verteilung hängt nur von der Probentemperatur ab ! Ist somit die schärfste

Patrick Hoffmann Übungen ESCA: Chemische AnalyseLS Angewandet Physik - II mit Photoelektronenspektroskopie

Folie 1

Übungenzur Vorlesung Photoelektronenspektroskopie

� PES an Metall-Halbleiter-Kontakten� Grundlagen: Dotierung von Halbleitern� Der Metall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt)� PES an Schottky-Kontakten

� Kurvenzerlegung von PES-Daten� die Fermi-Verteilung� numerische Kurvenzerlegung

� Oberflächenzustände� Einleitung: Was sind Oberflächenzustände ?� Identifikation von OF-Zuständen durch ARUPS


Folie 2

PES an Metall-Halbleiter-Kontakten

Grundlagen: Dotierung vonHalbleitern

Dargestellt sind :1. einfaches Bandschema B2. Fermi-Verteilung F3. Zustands-Dichte D4. Ladungsträgerdichte L

Für folgende Halbleiter :� Intrinsisch� n-dotiert� p-dotiert

DfL ⋅=

B F D L


Folie 3

PES an Metall-Halbleiter-KontaktenDer Metall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt)

Vor Kontakt� Kein elektrischer Kontakt� Vakuumniveau ist konstant

Metall n-HL

vor Kontakt

Nach Kontakt� Elektrischer Kontakt führt zur Angleichung der

Fermi-Niveaus („Elektrochemisches Potential“)� Bandverbiegung ist die Folge� Es bilden sich die Raumladungszone W und die

Schottky-Barrierenhöhe ΦB.

Metall n-HL

⇒⇒⇒⇒ Potentiale etc. beschriften !!!


Folie 4

PES an Metall-Halbleiter-KontaktenDer Metall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt)

Vor Kontakt� Kein elektrischer Kontakt� Vakuumniveau ist konstant

Metall n-HL

vor Kontakt

EVac

EFMetall

EFHL

ELBM

EVBM

ΦM

etal

l ΦH

L

χE

Gap IP

Nach Kontakt� Elektrischer Kontakt führt zur Angleichung der

Fermi-Niveaus („Elektrochemisches Potential“)� Bandverbiegung ist die Folge� Es bilden sich die Raumladungszone W und die

Schottky-Barrierenhöhe ΦB.

Metall n-HLEVac

EFMetall

EFHL

ELBM

EVBM

ΦB

W

⇒ Siehe auch Video Schottky.WMV !


Folie 5

PES an Metall-Halbleiter-KontaktenSchottky-Kontakt: Stromfluss


Folie 6

PES an Metall-Halbleiter-KontaktenPES an Schottky-Kontakten

Fragen :1. Wie beeinflussen diese Potentiale die PE-Spektren ?2. Wo kann ich Austrittsarbeiten und Bandverbiegungen ablesen ?3. Warum ist PES dafür besonders geeignet ?


Folie 7

PES an Metall-Halbleiter-KontaktenPES an Schottky-Kontakten

Fragen :1. Wie beeinflussen diese Potentiale die PE-Spektren ?⇒⇒⇒⇒ Verschiebungen der Bänder relativ zum Fermi-Niveau beeinflussen die Bindungsenergie der Va-

lenzband- und Rumpfniveau-Spektren !

2. Wo kann ich Austrittsarbeiten undBandverbiegungen ablesen ?

⇒⇒⇒⇒ Bandverbiegungen äußern sich inBindungsenergie-Verschiebungender Valenzband-Spektren

⇒⇒⇒⇒ Austrittsarbeits-Änderungen äu-ßern sich in der Verschiebung derSekundärelektronen-Einsatzkante

3. Warum ist PES dafür besonders ge-eignet ?

⇒⇒⇒⇒ OF-empfindlich, daher kann dieBandverbiegung in einem sehr en-gen Bereich naher der OF gemes-sen werden

-21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 30.0

5.0k

10.0k

15.0k

20.0k

-6.5 -6.0 -5.5

SiO2-Valenzband

Φ=4,8eV

Zähl

rate

[CP

S]

Bindungsenergie [eV]

Anregung mit He-I photoinduzierte

Bandverbiegunghν

=21,

2eV

∆=0,1eV


Folie 8

PES an Metall-Halbleiter-Kontakten3-Schritt-Modell

Ene

rgie

realeZustands-dichte

Vakuum-NiveauEVac

Fermi-Niveau+

-

EF

hνSekun-däre

Oberfläche

Fest-körper Vakuum

Bildung von ange-regten Zuständen

Zerfall der ange-regten Zustände

Transfer durchdie Oberfläche

� � �

Φ


Folie 9

PES an Metall-Halbleiter-KontaktenBeispiel: Gold auf InSe

Probe :� Schichtgitter-Kristall

InSe wird gespalten� dann Au aufgedampft

Gegeben :� EGap

InSe=1,2eV� IPInSe=5,8eV� Das InSe ist n-dotiert.� ΦAu=5,1eV

Fragen :1. Was bedeutet die Ver-

schiebung von 0,4eV zuniedrigeren Bindungs-energien ?

2. Leiten Sie aus denSpektren und den ge-geb.. Größen das Band-diagram des KontaktesAu@InSe her.

-448 -446 -444 -442 -58 -56 -54 -52-86 -84 -82 -80

0,4eV

In3d5/2

gespaltenes InSe ca. 1nm Au ca. 2nm Au ca. 3nm Au

norm

ierte

Zäh

lrate

0,4eV

Se3d//

//

//

//

Au4f7/2



Folie 10

PES an Metall-Halbleiter-KontaktenBeispiel: Gold auf InSe - Lösungen

Zu 1. : Eine Verschiebung zu niedrigeren BE bedeutet eine Bandverbiegung des Valenzbandes RichtungFermi-Energie !

Zu 2. :

IP=5

,8eV

ΦA

u=5,

1eV

χ=4,

6eV

EGap=1,2eV

0,5eV0,7eV

n:InSe Au

vor Kontakt

n:InSe Au

nach Kontakt

0,4eV 0,5eV

Bandverbiegung: 0,4eVBarrierenhöhe: 0,5eV


Folie 11

Kurvenzerlegung von PES-DatenDie Fermi-Verteilung

Fermi-Funktion :

1

1)(+

= −TkEE

B

F

eEf

� kB = 1,38066·10-23J/K =8,629125·10-5eV/K

� EF � Fermi-Energie� T � Temperatur

� Fermi-Verteilung hängt nur vonder Probentemperatur ab !

� Ist somit die schärfste Energie-verteilung in Festkörpern (Me-tallen !)

� Eignet sich deswegen als Auflö-sungs-Test für Apparaturen

� Spielt aber auch eine große Rollebei Untersuchungen an Supralei-tern und an Adsorbaten auf Metallen.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1

Wer

t der

Fer

mifu

nktio

n [0

..1]


Fermi-Funktion bei ... ... 300K ... 1.000K ... 3.000K


Folie 12

Kurvenzerlegung von PES-DatenDie apparative Verbreiterung der Fermi-Verteilung

Apparative Verbreiterung ist Gauß-förmig

∫+∞

−∞=

⋅+=ξ

ξξξ dGEFEbeiMesssignal )()(

Faltung einer Fermi-Funktion F(E) mit einer Gauß-Funktion G(E)

Fermi-Verteilung in der Probe gemessenes SignalDieser Textdient alsRand-halter

T=300KDieser Textdient alsRand-halter

Verbrei-terung0,5eV


Folie 13

Kurvenzerlegung von PES-DatenAnfitten einer gemessenen Fermi-Kante

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.00

10

20

30

40

50

60

70

80

Zähl

rate

[CPS

]


AUPH104b

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80Data: AUPH104b_AUPH104bModel: FermiX Chi^2/DoF = 18.45279R^2 = 0.96718 A1 53.72492 ±3.22795A2 14.57018 ±0.9855x0 -0.04178 ±0.00767dx 0.025 ±0w 0.09074 ±0.04092A3 1.48747 ±1.72182Tau 0.40797 ±0.16866

Zähl

rate

[CPS

]


AUPH104b

⇒ Siehe auch Origin-Datei Fermikanten-Fit.OPJ !


Folie 14

Kurvenzerlegung von PES-DatenNumerische Kurvenzerlegung

Rohdaten Kurvenzerlegung

-106 -105 -104 -103 -102 -101 -100 -99 -98 -970

2k

4k

6k

8k

10k

12k

Zähl

rate

[CPS

]

Bindungsenergie [eV]-106 -105 -104 -103 -102 -101 -100 -99 -98 -970

2k

4k

6k

8k

10k

12k

Zähl

rate

[CPS

]


� Bestimmung der Anteile der einzelnen Emissionen (Schichtdicken, Stöchiometrie, etc)� Aufdeckung kleiner Emissionen in der Nähe von größeren, alles überdeckenden Peaks

⇒ Siehe auch Origin-Datei FitSi2p.OPJ !

Numerisches Verfahren :1. Abzug des Sekundäruntergrundes2. Rekonstruktion des Signals bis „weißes Rauschen“ übrig bleibt3. Dazu Verwendung möglichst weniger und sinnvoller Gauß-

Lorenz-Summenfunktionen


Folie 15

OberflächenzuständeWas sind Oberflächenzustände

1

� Ursache: Oberfläche (= Ab-brechen des periodischenKristallpotentials)

� Elektronen können zwi-schen Kristall und Oberflä-chenpotential „gefangen“sein

� Diese Zustände sind lokali-siert an der OF mit ver-schwindender Aufenthalts-wahrscheinlichkeit in dasVakuum und den Kristall.

⇒ Nachweis mit PES möglich, da sehr Oberflächenempfindlich !

1 Stefan Hüfner: „Photoelectron Spectroscopy“, 3rd Edition, Springer Verlag 2003, S.512


Folie 16

Oberflächenzustände2Identifikation mit ARUPS

Probe :� Cu(111)-Einkristall� Ne-I-Anregung (hν=16,85eV)

Fragen :1. Was ist ARUPS ?

2. Wieso verschwindet der OF-Zustand für ϑ ≠ 0 ?

3. Braucht man einen Einkristall ?

2 Stefan Hüfner: „Photoelectron Spectroscopy“, 3rd Edition, Springer Verlag 2003, S.517

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