Zur Dynamik niederenergetischer Elektronen in metallischen Festkörpern

Abstract

Die Arbeit soll einen Beitrag zum Verständnis der Dynamik photoangeregter Elektronen an Metall- und Halbmetall-Oberflächen leisten. Die Elementarprozesse der Relaxationsdynamik, Elektron-Elektron-Streuung, Elektron-Phonon-Streuung und Streuung an Defekten, werden an geeigneten Modellsystemen untersucht. Dazu wurden Experimente mit zeitaufgelöster Photoemission aufgebaut und durchgeführt, um die Prozesse, die auf einer Zeitskala von 10-14 s bis 10-11 s stattfinden, analysieren zu können. Die durch Elektron-Elektron-Streuung bestimmten Quasiteilchen-Lebensdauern an einer Graphit (HOPG)-Oberfläche werden im Energiebereich von -0,11 eV bis 2,3 eV bezüglich des Fermi-Niveaus untersucht. Die Energieabhängigkeit der Quasiteilchen-Lebensdauer zeigt eine Anomalie zwischen 1,1 eV und 1,5 eV bezüglich des Fermi-Niveaus, also im Energiebereich eines Sattelpunktes in der elektronischen Bandstruktur. Die Messungen geben einen klaren Hinweis auf Anisotropien der Quasiteilchen-Lebensdauer. Die beobachtete Anomalie kann schon anhand eines einfachen Modells einer einzelnen Graphitschicht, nämlich durch das für Elektronen mit unterschiedlichem Impuls bei einem Elektron- Elektron-Streuprozess zur Verfügung stehende Phasenraumvolumen, verstanden werden. Die Interpretation wird durch ab-initio-Selbstenergie-Rechnungen [Spa01b] und einen Vergleich mit Experimenten an defektreichen HOPG- Oberflächen unterstützt. Letztere zeigen einen Anstieg der Relaxationsraten durch Fehlordnung des Gitters. Darüber hinaus wurde die Zwei-Photonen-Photoemission methodisch so weiterentwickelt, dass mit ihr nicht nur die Elektron-Elektron- sondern auch die Elektron-Phonon-Kopplung an Oberflächen quantifiziert werden kann. Auch hier wird das Gleichgewicht zwischen Elektronengas und Gitter durch einen ultrakurzen Laserpuls gestört, und anschließend wird der Energietransfer zwischen Elektronen und Phononen über Photoemissionsspektren als Funktion der Zeit gemessen. Der Elektron-Phonon-Kopplungsparameter λ kann mit der Theorie von Allen [All87] anhand der gemessenen Energietransfer-Rate bestimmt werden. Die Kopplungsparameter werden sowohl für Systeme sehr schwacher Kopplung, wie Kohlenstoff-Nanoröhren (λ = (4 +- 1) 10-4), als auch für das 2001 als Supraleiter mit außergewöhnlich hoher Sprungtemperatur (Tc = 39 K) identifizierte [Nag01] Magnesiumdiborid (λ = 0,73 +- 0,45) bestimmt. Die Messung der Energietransfer-Rate beruht hier nicht auf der Annahme thermalisierter Elektronenverteilungen und kann somit auch zur Analyse von Systemen eingesetzt werden, in denen die Relaxation über Elektron-Elektron- Streuung und über Elektron-Phonon-Streuung auf ähnlichen Zeitskalen abläuft. Die genaue Form der Photoemissionsspektren von optisch angeregtem Graphit wird mit Referenzmessungen an einer Cu(111)-Oberfläche verglichen. Die Intensitätsverteilungen der nach der Anregung entstandenen Elektronen- und Lochverteilungen können anhand eines einfachen thermischen Modells weitgehend erklärt werden, das auf einer dynamischen Verschiebung des chemischen Potentials μ(T) durch die optische Anregung aufbaut. Die angeregten Ladungsträger in Kupfer relaxieren über die direkt konkurrierenden Prozesse Elektron-Elektron-Streuung und Elektron-Phonon-Streuung. Neben dem Studium der Elektronendynamik wurden Messungen der Adsorptions- Eigenschaften von Inertgasen auf Kohlenstoff-Nanoröhren durchgeführt, welche einen ersten Schritt zur gezielten Modifizierung der elektronischen Eigenschaften von Nanoröhren darstellen könnten.

This thesis aims at widening the understanding of the dynamics of photoexcited electrons at metal and semimetal surfaces. The elementary relaxation processes electron-electron-scattering, electron-phonon-scattering and scattering with defects are studied in model systems. A time-resolved two-photon-photoemission experiment was set up and performed for the investigation of these dynamics occurring on a timescale of 10-14 s to 10-11 s. Quasiparticle (QP) lifetimes of photoexcited electrons in highly oriented pyrolytic graphite have been studied in the energy range from -0.11 eV to 2.3 eV with respect to the Fermi level. A pronounced anomaly in the energy dependence of the QP lifetimes between 1.1 eV and 1.5 eV provides strong evidence for lifetime anisotropies. The anomaly can be associated with electrons near a saddle point in the graphite band structure at the M point of the Brillouin zone and can be explained even in a simple model for the phase space available for electron-electron-scattering in a graphene sheet considering constrains by momentum and energy conservation. This interpretation is supported by recent ab initio calculations [Spa01b] and experiments on defect-enriched HOPG as well as temperature dependent measurements. The method of two-photon-photoemission was developed into a tool to quantify the electron-phonon-interaction at surfaces. After perturbing the equilibrium between electron gas and lattice the energy transfer between the two subsystems is measured as a function of time from photoemission spectra. By using the theory from Allen [All87] the electron-phonon mass enhancement parameter can be determined. The analysis is presented for a sample of single wall carbon nanotubes revealing a weak coupling of λ = (4 +- 1) 10-4 and for magnesiumdiboride - recently discovered to be superconducting at temperatures up to 39 K - giving a coupling parameter of λ = 0.73 +- 0.45. The measurement of the energy transfer between electrons and lattice is not based on the assumption of a thermalized electron gas and can therefore be applied to systems with directly competing electron-electron and electron-phonon- dynamics. Photoemission spectra from the excited electronic system in graphite are compared with reference measurements of a Cu(111) surface. The detailed intensity distribution can be explained within a simple thermodynamic model taking the temperature dependence of the chemical potential μ(T) into account. In addition to the investigation of electron dynamics this thesis includes results from adsorption and desorption measurements of inert gases on graphite and porous carbon nanotube samples; which serves as preparatory work for a modification of the electronic properties of nanotubes.