Strukturelle Eigenschaften und elektronische Finite-Size-Effekte in metallischen Systemen reduzierter Dimension

Abstract

Die Morphologie und elektronische Valenzbandstruktur von einkristallinen 3s-, 3d-, 4d- und 5d-Metallschichten auf Wolfram und Molybdän (110)-Einkristalloberflächen wurden im Schichtdickenbereich unterhalb von 50 Monolagen untersucht. Die mit eigens entwickelten Verdampferzellen und Probenhalterungen im Ultrahochvakuum präparierten Filme wurden systematisch und vergleichend einerseits strukturell mit Beugung langsamer Elektronen (LEED) und andererseits elektronisch mit winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (ARPES) studiert. Trotz der chemischen und kristallographischen Ähnlichkeiten der Edelmetalle Kupfer, Silber und Gold zeigt das Schichtwachstum deutliche Unterschiede. Alle genannten Metalle bilden hexagonale Oberflächengitter auf den zweizähligen Substratoberflächen. Während Kupfer(111), wie auch Magnesium(0001), eindomänige einkristalline Filme bilden, wächst Silber in den ersten Lagen pseudomorph und relaxiert dann in die Geometrie der zweidomänigen Kurdjumov-Sachs-Struktur. Im Fall von Gold kann mithilfe optimierter Präparationsbedingungen zwischen den beiden Strukturen geschaltet werden und die für die Au(111)-Oberfläche bekannte Fischgrätenrekonstruktion gezielt erzeugt und vermieden werden. Die elektronische Oberflächenvalenzbandstruktur dieser Systeme konnte bei Anregung mit Synchrotronstrahlung und mit He-Plasma-Strahlung detailliert analysiert werden. Die Valenzbandstruktur zeichnet sich durch eine Großzahl zweidimensionaler elektronischer Zustände aus und unterliegt einer stark schichtdickenabhängigen Quantisierung der sp- und der d- Bänder entlang der senkrechten Komponente des Kristallimpulses, was zu einer Reihe von Quantentrogzuständen führt. Diese Energiebänder parabolischer Dispersion sind nicht nur innerhalb, sondern auch außerhalb der projizierten Substratbandlücken zu beobachten, wo sie starken Wechselwirkungen mit der Substratbandstruktur unterliegen. Die Schichtdickenabhängigkeit wird mit einem modifizierten Phase-Accumulation-Modell theoretisch beschrieben, das die Hybridisierung mit Substratbändern explizit einbezieht. In ultradünnen Filmen unterhalb von fünf Monolagen gewinnt die Wirkung des Substrates auf die elektronische Valenzbandstruktur der Adsorbatschicht zunehmend an Einfluss. Vergleichend zwischen den Metallen Mg, Cu, Ag und Au auf der einen Seite und zwischen den Substraten unterschiedlicher LS-Kopplungsstärke auf der anderen Seite konnten Paritätsaufspaltungen, Hybridisierungsbandlücken und grenzflächeninduzierte Rashba-Aufspaltungen an den Quantentrog- und Oberflächenzuständen identifiziert und eingehend studiert werden.

The morphology and valence-band electronic structure of single-crystalline 3s-, 3d-, 4d- and 5d-metal layers on the (110) faces of tungsten and molybdenum were studied in the thickness range below 50 monolayers. The thin- film samples, prepared by means of molecular beam epitaxy using specially developed evaporator units and sample holders in ultra-high vacuum conditions, were studied systematically and comparatively. This investigation was carried out both structurally, by electron diffraction (LEED), and electronically, by angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES). Despite the chemical and crystallographic similarities of the noble metals copper, silver and gold, thin-film growth reveals substantial differences between them. All of these metals form hexagonal surface lattices on the rectangular substrate surface structure, but whereas Cu(111) and Mg(0001) form single-domain single- crystalline films, silver grows pseudomorphically in the first layers and then relaxes into the two-domain Kurdjumov-Sachs geometry. In the case of gold, optimized preparation conditions can be used to switch between the two structures while, at the same time, the well-known herringbone reconstruction can be generated or prevented as chosen. The electronic surface band structure of these systems is analyzed in detail using synchrotron radiation and radiation from a laboratory He-plasma source. The valence band structure is characterized by a large number of two-dimensional electronic states and is subject to pronounced layer-thickness dependent quantization of the sp- and d-bands along the crystal momentum perpendicular to the surface, which leads to a series of quantum-well states. Their parabolic dispersion can be observed not only within, but also outside the projected band gap of the substrate, where they undergo strong interactions with the substrate's electronic bands. The thickness dependence was described in the framework of a modified phase- accumulation model that explicitly implements hybridization with substrate bands. In ultra-thin films of less than five monolayers, as the film thickness decreases, the substrate's influence on the electronic band structure of the film increasingly dominates. In this investigation, a dual comparison is undertaken: first, between the intrinsic results for the metals Mg, Cu, Ag and Au, and second, between the results obtained using the two substrates of choice, which possess different LS-coupling strengths. On this basis, a detailed study is presented of parity effects, the formation of hybridization band gaps, and surface-induced Rashba splitting in the quantum-well and surface states. This thesis solves, in particular, the controversy of interlayer-induced spin-orbit effects on the Mg(0001) surface state.