Aufbau und Betrieb eines Ellipsoidspiegel-Analysators (ESA) für bildhafte Impulsraum-Messungen der elektronischen Struktur von Festkörpern

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Aufbau und die Inbetriebnahme eines neuartigen Photoelektronenspektrometers, welches sich durch seinen extrem großen Akzeptanzwinkel auszeichnet. Damit gelingt es die komplette Winkelverteilung der von Festkörpern emittierten Photoelektronen innerhalb weniger Sekunden zu messen.

Beschrieben werden sowohl die elektronenoptischen Rechnungen, als auch die Software zur Bildaufnahme und Analyse. Durch Messungen an Modellsystemen wie Ta und der Kupfer [111] Oberfläche werden die Energie- und Winkelauflösung zu DE = 75 meV und Dj = 1.2° bestimmt.

Mit diesem Analysator wurde dann die elektronische Struktur von bedeckten Siliziumoberflächen untersucht. Für die Arsen terminierte Siliziumoberfläche (Si[111]: As 1x1) wurde die Dispersionsrelation des Oberflächenzustands in der gesamten ersten Brillouinzone untersucht. Dieser hat eine Bandbreite von 1.7 eV und stimmt mit Quasiteilchen-Bandstrukturrechnungen sehr gut überein. Die Dispersionsrelation der mit Natrium bedeckte Si[111]: 7x7 Oberfläche wurde hier erstmalig untersucht. Durch Vergleich dieser Messungen mit denen an Natrium bedeckten Si[111]:2x1 Oberflächen wurde gezeigt, dass die Bandstruktur alkalibedeckter Halbleiteroberflächen von der elektronischen Wechselwirkung innerhalb der Alkalischicht dominiert wird, und dass der Einfluss des Substrats vergleichsweise schwach ist.

This thesis describes the building and installation of a novel photoelectron analyzer, which is characterized by an extremely large acceptance angle. It allows to collect the complete angular distribution of photoelectrons emitted by solids in only a few seconds.

The thesis describes electron optical calculations for the instrument as well as the dedicated software which allows image acquisition and analysis. Using model substances like Ta or the Cu[111] surface the energy and angular resolutions were determined to be DE = 75 meV and Dj = 1.2°, respectively.

Using the analyzer the electronic structure of adsorbate covered silicon surfaces was studied. For arsenic terminated silicon (Si[111]: As 1x1) the dispersion relation of the surface state was determined in the complete first Brillouin-zone. It agrees well with quasiparticle bandstructure calculations and has a band width of 1.7eV. The bandstructure of the sodium covered Si[111]: 7x7 was studied here for the first time. Comparing it to sodium covered Si[111]:2x1 surfaces showed that the dispersion relation is dominated by inralayer interactions. Effects of the underlying substrate are much weaker.