Elektron-Phonon Kopplung und impulsaufgelöste elektronische Eigenschaften des Pb/Si(111) Hybridsystems

Die immer starker werdende Miniaturisierung elektronischer Bauteile bringt die dafur notigen Grosenordnungen immer naher an das Limit quantenmechanischer Effekte. Die raumliche Einschrankung der elektronischen Wellenfunktion im nm Bereich fuhrt dazu, dass sich Quantenpotenzial Zustande (QPZ) bilden, welche dafur verantwortlich sind, dass die physikalischen Eigenschaften z.B. einer dunnen Schicht von dessen Schichtdicke abhangen. Dabei spielen nicht nur die Eigenschaften der verkleinerten Materialien, sondern auch der Einfluss der Umgebung auf diese Eigenschaften eine wichtige Rolle. Diese Arbeit erforscht den Einfluss des Si Substrats auf die elektronische Struktur, Dynamik und die Wechselwirkung der Elektronen mit Phononen in dunnen epitaktischen Pb Schichten. Mittels eines Vergleichs von experimentellen Ergebnissen aus Femtosekunden zeit- und impulsaufgeloster Laser Photoemissionsspektroskopie an Pb/Si(111) und Berechnungen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie fur freistehende Pb Filme wird in Richtung Γ → M in der Nahe des Brillouin-Zonenzentrums die Wechselwirkung von Pb 6pz Zustanden mit dem Si Substrat und dem Atomgitter untersucht. Die Energieabhangigkeit unbesetzter QPZ mit der elektronischen Wellenzahl parallel zur Oberflache k|| wurde bei verschiedenen Energien, entartet und nicht-entartet mit dem Si Leitungsband, gemessen und zeigt keine direkte Beeinflussung durch die Si Volumenbander. Daraus wird eine verschwindende direkte Wechselwirkung der Pb 6pz Zustande mit den Si Bandern gefolgert. Allerdings ist der Wert von k||, bei dem eine Mischung von 6pz und 6px,y abgeleiteten Bandern auftritt naher an Γ als bei freistehenden Filmen. Die Analyse der Relaxationsdynamik zeigt zudem eine konstante Relaxationszeit heiser Elektronen in unbesetzten QPZ mit k||. Diese Ergebnisse legen nahe, dass aus 6pz Orbitalen abgeleitete QPZ nicht mit den elektronischen Substratzustanden wechselwirken, sondern eine px,y vermittelte Wechselwirkung der pz Zustande mit dem Si Leitungsband vorliegt. Die Identifikation eines Grenzflachenzustandes verdeutlicht zudem die Bedeutung der Verzahnung zwischen Pb und Si an der Grenzflache. Weiterhin wurde die energieabhangige Elektron-Phonon Kopplungskonstante λ(E) von Pb/Si(111) mittels temperaturabhangiger Laser Photoemission an QPZ innerhalb der Bandlucke untersucht und mit Berechnungen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie von Pb Filmen verglichen. Es zeigt sich eine Reduktion von λ im Vergleich zum Pb Volumenkristall, die nicht allein durch Groseneffekte oder strukturelle Modifikationen in der Pb Schicht erklart werden kann. Vielmehr wird die Reduktion durch den Einfluss des Substrats auf die elektronische und vibronische Struktur von Pb verursacht. Aus all diesen Ergebnissen kann gefolgert werden, dass Pb/Si(111) nur unter Einbeziehung des Substrats und der Struktur der Grenzflache vollstandig verstanden werden kann.