Strukturcharakterisierung Gold-induzierter Germanium- und Siliziumoberflächenrekonstruktionen mit Raman-Spektroskopie
Räthel, Jochen
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.
Atomic chains formed by metal atoms on semiconductor surfaces are known to exhibit exotic electronic ground states such as the Tomonaga-Luttinger liquids or charge-density- waves. Detailed understanding of the formation of such states strongly depends on the knowledge of the underlying structure. This thesis investigates the atomic structure of several clean and Au induced reconstructed semiconductor surfaces by means of vibrational properties. The vibrational properties are analyzed by polarized Raman-Spectroscopy (RS) and theoretical calculations of phonon eigenmodes and phonon eigenvalues. Low energy electron spectroscopy (LEED) was used for verifying the surface structures of the prepared samples. RS experiments of the p(2 × 1)/c(4 × 2) reconstructed Ge(001) surface showed several surface phonons in good agreement with experimental and theoretical results known from literature. Also, low temperature measurements at 45K revealed several phonon modes for the low temperature c(4 × 2) phase of the Ge(001) surface including new modes not measured before. The different surface reconstructions and related atomic structures of the clean Ge(001) surface are therefore well known and understood. However the atomic structure of the Au/Ge(001) surface is still controversially discussed, along with the exact amount of Au needed to form the nanowires. For the Au/Ge(001) surface, four phonon modes were determined by polarized RS at 45K and at room temperature in the range of 25 to 55cm -1 . These results could serve as useful input for structural modeling. The Si(111) surface, with its well known (7 × 7) reconstruction, was also of interest in this thesis. Polarized RS experiments at 120K revealed eight surface phonon modes for the (7 × 7) reconstruction on the Si(111) surface. These results showed good agreement with theoretical und experimental works known from literature. Two different amounts of Au were then deposited on the clean Si(111) surface to form the Au/Si(111)-(v3 × v3)R30° and the Au/Si(111)-(5 × 2) phase. RS experiments on these two different Au induced surface reconstructions identified nine phonon modes for the Au/Si(111)-(v3 × v3)R30° phase and seven phonon modes for the Au/Si(111)-(5 × 2) phase. A comparison of these results showed that four phonon modes from both phases exhibited equal frequencies, due to similar adsorption sites of Au atoms on both structures. These experimental findings, in combination with theoretically calculated vibrational modes, could be used to verify the atomic structure of the Au induced surface reconstructions. Vicinal semiconductor surfaces such as Si(553) are used as templates to form one-dimensional nanostructures by metal atom adsorption. Deposition of submonolayer of gold on the Si(553) surface forms two kinds of chains: a chain of Si honeycombs at the stepedge and a double Au chain on the terrace. The characterization of the Au/Si(553) surface with polarized RS at 45K reveals 27 phonon modes. They show very good agreement with theoretically calculated phonon eigenvectors and eigenvalues. A structural phase transition was also identified by comparising Raman spectra measured at room temperature and at 45K.
