oberflächenzustände - btu cottbus-senftenberg · 8,629125·10-5 ev/k e f fermi-energie t...
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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
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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
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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 !!!
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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 !
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Folie 5
PES an Metall-Halbleiter-KontaktenSchottky-Kontakt: Stromfluss
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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 ?
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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
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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
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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
Bindungsenergie [eV]
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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
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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]
Bindungsenergie [eV]
Fermi-Funktion bei ... ... 300K ... 1.000K ... 3.000K
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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
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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
]
Bindungsenergie [eV]
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
]
Bindungsenergie [eV]
AUPH104b
⇒ Siehe auch Origin-Datei Fermikanten-Fit.OPJ !
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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
]
Bindungsenergie [eV]
� 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
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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
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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