Influence of morphology on electronic transport and excitations of ultra thin metal layers
Final Report Abstract
Untersuchungsgegenstand waren kristalline Alkalimetallschichten und Dysprosiumsilizidschichten mit Dicken von bis zu wenigen Atomlagen sowie kristalline metallische Dysprosiumsilizid-Drähte mit Weiten weniger Atomabstände, die im Ultrahochvakuum durch das Aufdampfen der Metalle auf Siliziumoberflächen erzeugt wurden. An diesen wurden Zusammenhänge zwischen atomarer Struktur und verschiedenen elektrischen Eigenschaften studiert. Dazu setzten wir gleichzeitig eine Gerätekombination aus Elektronenbeugung und Elektronenenergieverlustspektroskopie sowie elektrische Leitfähigkeitsmessungen ein. Folgende Ergebnisse erscheinen uns besonders wichtig: i. Kristalline Schichten verschiedener Alkalimetalle wie Natrium und Cäsium zeigten während ihrer Entstehung auf gleichem Silizium-Substrat (mit (001)-Oberflache) sehr unterschiedliche elektrische Eigenschaften. Nur bei Cäsium beobachteten wir einen stufenweisen Anstieg der Leitfähigkeit bei den Bedeckungen, bei denen sich einzelne Metall-Lagen vollständig schließen. Bereits Schichten aus 2 Atomlagen (entsprechend einer Bedeckung von einer Monolage) weisen einen elektrischen Leitwert auf, der mit dem eines Cäsium-Festkörpers vergleichbar ist. Wird auf die geschlossenen 2 Atomlagen etwas mehr Cäsium aufgebracht, dann nimmt die Leitfähigkeit bis zum Schließen der nächsten Atomlage leicht ab, da offenbar die durch die Schicht fließenden Elektronen an den Oberflächendefekten der unvollendeten dritten Atomlage streuen. ii. Energieverlustspektroskopie an Cäsiumschichten auf Silizium-(111)-Oberflächen bot eine Überraschung: Es konnten zwei Typen kollektiver Eigenschwingungen der Elektronen in der Metallschicht, das Oberflächenplasmon und das Multipolplasmon, voneinander unterschieden werden. Die inelastische Streuung der vom Spektrometer kommenden freien Elektronen am Multipolplasmon der Cäsiumschicht verursacht dabei eine Winkelverteilung, die von den bislang bekannten Streumechanismen Stoßund Dipolstreuung nicht beschrieben wird. iii. Metallische Dysprosiumsiliziddrähte lassen sich auf regelmäßig gestuften Silizium-(001)-Oberflächen im Abstand weniger Nanometer so dicht nebeneinander erzeugen, dass wir an diesen Drähten das Spektrum der Plasmonen vermessen konnten. Der Vergleich des experimentellen Spektrums mit theoretischen Rechnungen ergab eine gute Übereinstimmung, wenn angenommen wird, die Elektronen seien in einem Draht wie in einem wenige Nanometer weiten zweidimensionalen Streifen verteilt. Ein Modell, das eine rein eindimensionale Verteilung der Elektronen in den Drähten annimmt, ergab keine gute Übereinstimmung mit dem Experiment.
Publications
- Surface morphology of three-dimensional Si islands on Si(001) surfaces. Surface Science 541 (2003) 234-241
A.A. Shklyaev, V. Zielasek
- Electrical transport in ultrathin Cs layers on S1(001). Physical Review B 72 (2005) 115422 (8 Seiten)
V. Zielasek, Hong Liu, A.A. Shklyaev, E.P. Rugeramigabo, H. Pfnür
- Crossover between monopole and multipole plasmon of Cs monolayers on Si(111) individually resolved in energy and momentum. Physical Review Letters 96 (2006) 196801
V. Zielasek, N. Rönitz, M. Henzler, H. Pfnür
- ELS-LEED study of low-dimensional plasmons in DySi2 layers and nanowires. Dissertation, Universität Hannover 2007
E.P. Rugeramigabo
