Theoretische und experimentelle Untersuchung der oberflächenlokalisierten Phononen und Plasmonen an reinen und adsorbatbedeckten kubischen und hexagonalen SiC-Oberflächen
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollten die technologisch wichtigen SiC-Oberflächen der kubischen und hexagonalen Modifikation hinsichtlich ihrer Schwingungseigenschaften mit Hilfe der hochauflösenden Elektronen-Energieverlustspektroskopie (HREELS) untersucht werden. Die kubischen 3C-SiC(100) Proben wurden präpariert und geheizt. Die (3x2) Rekonstruktion trat nach einem Heizschritt bei 1225 K im Siliziumfluss auf, die (2x1) Rekonstruktion entsprechend bei 1375 K und die c(2x2) bei 1450 K. Die hexagonalen 4H-SiC(0001)- und 6H-SiC(0001)-Proben wurden in zwei verschiedenen Anlagen nach ähnlichen Präparationen vermessen. Alle Proben zeigten direkt nach dem Ätzen eine (1x1) Struktur. Für alle weiteren Präparationsschritte wurde jeweils eine Siliziumquelle aus einem widerstandsgeheiztem Siliziumwafer verwendet. Die Rate des Siliziumflusses betrug ca. IML/min. Die Rekonstruktionen (3x3), (√3x√3)R30° und die (6√3 x 6 √3 )R30° wurden unter Siliziumfluss bei 1260 K, 1290 K und 1440 K erreicht. Der Wasserstoff wurde mit der hot-capillary- oder mit der hot-filament-Methode K in einer Entfernung von 4-10 cm von der Probe (je nach Anlage) aufgespalten und angeboten. Im Verlauf des Projektes konnten die kollektiven Oberflächenanregungen für die reinen und adsorbatbedeckten Proben mit Hilfe von HREELS bestimmt werden. Dort wurden mit der dielektrischen Theorie Spektren simuliert und daraus das Ladungsträgerprofil sowie die Ladungsträgerdichte ermittelt. Im Vergleich zwischen Theorie und Experiment wurde anhand der Halbwertsbreite des quasi-elastischen Peaks das Verhalten der Oberflächenplasmonen für die kubischen Proben bei Raumtemperatur und bei 35 K bestimmt. Dabei wurde eine Abnahme der Ladungsträgerdichte im Bulkmaterial von 3.0 x 10^17cm-3 auf 1.0 x 10^17cm-3 ermittelt. Die Frequenz der Fuchs-Kliewer-Phononen wFK konnte in Abhängigkeit der Pimärenergie E0 und des Impulsübertrages qn ermittelt werden. Nach der mikroskopischen Theorie für die dynamische Dipolkopplung von kompakten molekularen Schichten sollte die Dispersion wFK(qn) ein lineares Verhalten zeigen, was in guter Näherung erfüllt ist. Zusätzlich wurden im Falle der kubischen Proben weitere Strukturen beobachtet, die aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenrekonstruktion und Wasserstoff-Passivierung als Oberflächenphononen bezeichnet werden können. Im Falle der niedrig dotierten hexagonalen 6H-SiC(0001)-Proben (2.5 x 10^15cm-3, n-type) konnten ebenfalls die Frequenzen einer Reihe von Oberflächenphononen in hoher Auflösung in Abhängigkeit von der Oberflächenrekonstruktion bestimmt werden. Das Intensitätsverhalten bei verschiedenen Primärenergien und der Einfluß der Wasserstoff-Passivierung kennzeichnet diese Anregungen als Oberflächenphononen. Die theoretische Behandlung umfasst die Simulation von HREEL Spektren nach der dielektrischen Theorie anhand von Daten fur die Vibrations- und Phononenmoden, teilweise aus der Literatur. Aus dem Vergleich zwischen den Simulationsrechnungen und den experimentellen Ergebnissen konnten wichtige Materialparameter wie die Bandverbiegung, die Dicke der Verarmungsrandschicht und das Ladungsträgerprofil ermittelt werden.
Publications
- "Re-assessment of core-level photoemission spectra of reconstructed SiC(100) surfaces". Surf. Sci. Lett. 470 (2000) L23 - L25
F.S. Tautz, S. Sloboshanin, U. Starke, J.A. Schaefer
- „Untersuchungen an reinen und mit Wasserstoff bedeckten SiC(100)-Oberflächen mit hochauflösender Elektronenenergieverlustspektroskopie"Dissertation, 28. Februar 2000
Torsten Balster
- „Vibrational dynamics of semiconductor surfaces and interfaces probed by inelastic electron scattering". Habilitation, 21. Februar 2001
Stefan Tautz
- "Strong dispersion of the surface optical phonon of silicon carbide in the near vicinity of the surface Brillouin zone center" . Surface Science, 600(14) (2006), 2886-2893
T. Balster, F.S. Tautz, V.M. Polyakov, H. Ibach, S. Sloboshanin, R. Öttking, J.A. Schaefer
- "Adsorbate Induced Modifications of SiC Surfaces studied by High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy". Frühjahrstagung der DPC, O17.76, Regensburg 2007
Maxim Eremtchenko, Rolf Öttking, Jens Uhlig, Anita Neumann, Syed Imad- Uddin Ahmed, and Juergen A. Schaefer
- "Temperature Induced Modifications of SiC Interfaces studied by High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy". American Physical Society, March Meeting 2007, Talk L41 11, Denver, Colorado (USA)
J.A. Schaefer, M. Eremtchenko, J. Uhlig, A. Neumann, R.Öttking, S.I.-U. Ahmed
- "Vibrational Signature of Oxygen on 6H-SiC(0001) Surfaces". Surface Science
M. Eremtchenko, J. Uhlig, A. Neumann, R.Öttking, S.I.-U. Ahmed and J.A. Schaefer
