Zeitaufgelöste Ladungsträgerdynamik in niederdimensionalen Metallstrukturen auf Siliziumoberflächen

• Applicant: Professor Dr. Uwe Bovensiepen
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2005 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5445702

Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, mit Hilfe zeitaufgelöster elektronenspektroskopischer Untersuchungen, ein mikroskopisches Verständnis der Ladungsträgerdynamik in niederdimensionalen metallischen Strukturen zu erarbeiten. Hierbei wird die Dimensionalität der Metalle systematisch variiert und damit die mit dem Übergang vom Volumen zu atomar dünnen Schichten bzw. zu atomaren Ketten verbundende Änderung der Relaxationsrate angeregter Elektronen untersucht. Mit diesem Ansatz analysieren wir den Dimensionalitätseinfluss auf (1) den Phasenraum für elektronische Streuprozesse und auf (2) die abgeschirmte Coulomb- Wechselwirkung, die in Konkurrenz zueinander die elektronischen Lebensdauern in Festkörpern bestimmen. Die Relaxationsdynamik wird mit zeit- und winkelaufgelöster Zwei-Photonen- Photoemission (2PPE) auf der Femtosekunden-Zeitskala analysiert. In zweidimensionalen Schichten (Pb und Al/Si(111)) führt die räumliche Eingrenzung zur Quantisierung des Leitungsbandes und zur Ausbildung von Subbändern, deren Ladungsträgerdynamik als Funktion von Schichtdicke und Photonenenergie studiert wird. Da die Elektronendichte kaum mit der Schichtdicke variiert, der Phasenraum für die Streuprozesse durch Subbänder jedoch stark modifiziert wird, lassen sich die Beiträge zur Lebensdauer auf Grund der abgeschirmten Coulomb-Wechselwirkung und des Phasenraums separieren. Darüber hinaus werden Streuprozesse innerhalb eines Subbandes (Intrabandrelaxation) und zwischen verschiedenen Subbändern (Interbandrelaxation) getrennt. In einem nächsten Schritt werden atomare Ketten (In-und Pb/Si(111)) untersucht, um die Ladungsträgerdynamik in quasi-eindimensionalen Systemen zu analysieren. Neben den genannten Fragestellungen zur Dimensionalität und Relaxationsrate machen zwei weitere Aspekte diese Systeme interessant. Die eindimensionale Struktur führt zu anisotropen Relaxationsphänomenen entlang bzw. senkrecht zu den Ketten. Die bekannte strukturelle Instabilität solcher Kettenstrukturen führt zu Metall-Isolator-Übergängen. Wir werden die Relaxationsdynamik im metallischen und im isolierenden Zustand analysieren, um die verantwortlichen Elementarprozesse zu verstehen. Darüber hinaus wollen wir den Übergang optisch treiben, um dessen Ursache und Mechanismus zu analysieren.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Persons: Professor Karsten Horn, Ph.D.; Professor Dr. Martin Wolf