Forschungsbericht 1995-96
	Institut für Theoretische Physik II - Festkörperphysik - Wilhelm-Klemm-Straße 10 48149 Münster Tel. (02 51) 83 - 3 35 88 / - 3 35 81 Direktoren: Prof. Dres. T. Kuhn, J. Pollman

Forschungsschwerpunkte 1995 - 1996 Fachbereich 16 - Physik Institut für Theoretische Physik II - Festkörperphysik - Lehrstuhl Prof. Dr. J. Pollmann gemeinsam mit Hdoz. Dr. P. Krüger

Struktur und Dynamik von Halbleiteroberflächen

Gegenstand der Forschungen in diesem großen Themenbereich ist die Weiterentwicklung und Anwendung einer mikroskopischen Theorie von Phononen an reinen und adsorbatbedeckten Halbleiteroberflächen auf der Basis eines semi-empirischen Gesamtenergieansatzes, dessen Parameter wir in jüngster Zeit auch mit Hilfe von Ergebnissen der selbstkonsistenten Elektronenstrukturtheorie bestimmen. Zunächst werden die Gleichgewichtsstrukturen der Systeme durch Energieminimalisierung vermittels Elimination der Kräfte bestimmt. Danach werden die atomaren Kraftkonstanten im Bulk und an der Oberfläche explizit berechnet. Die Dynamik der Systeme und wichtige thermodynamische Korrelationsfunktionen können dann entweder durch Diagonalisierung von Slabmatrizen oder mit Hilfe von Phononen-Greenfunktionen bestimmt werden. Der Vergleich der so berechneten Spektren liefert eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den theoretischen Ergebnissen und Daten der hochauflösenden Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (HREELS) und der Streuung von Helium Atomen an Oberflächen (HAS) und gestattet es so, die physikalische Natur und den Charakter von Oberflächenphononen zu analysieren und zu verstehen.

Alternativ zu diesem semi-empirischen Zugang wird auch eine Beschreibung von Oberflächenphononen im Rahmen der Dichtefunktional-Störungstheorie realisiert. Diese ermöglicht es, Oberflächenphononen-Spektren von ersten Prinzipien ausgehend zu berechnen. Letztere Methode ist allerdings formal und numerisch ungleich aufwendiger als das semi-empirische Verfahren.

Bei den oben beschriebenen gitterdynamischen Berechnungen der Schwingungseigenschaften reiner und adsorbatbedeckter Oberflächen im Rahmen der harmonischen Näherung bleiben anharmonische Effekte und Temperatur-Effekte, die an Oberflächen besonders wichtig sein können, unberücksichtigt. Wir haben daher auch molekulardynamische (MD) Simulationsstudien unter Berücksichtigung mikroskopisch berechneter Kräfte durchgeführt. Dabei wurde der oben erwähnte semi-empirische Gesamtenergieansatz zugrunde gelegt. Es ist so möglich, den gekoppelten Einfluß der Anharmonizität des Potentials und der Temperatur auf die Schwingungseigenschaften von Oberflächen zu entschlüsseln. Sehr interessante Ergebnisse bezüglich der thermisch induzierten Equilibrierung und der Temperaturverbreiterung der spektralen Dichten konnten erzielt werden. Es hat sich gezeigt, daß MD Simulationen ein faszinierendes Werkzeug zur Analyse der Kopplungen in einem anharmonischen, schwingungsfähigen System sind. Speist man z.B. zu Beginn der Simulation Energie nur in ganz bestimmte Schwingungsmoden, so offenbart der zeitabhängige Energietransfer in andere Moden zweifelsfrei den Grad und den Charakter der Kopplungen im System.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft, BMBF Verbundprojekt 22 "Halbleitergrenzflächen"

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. B. Sandfort, Dipl.-Phys. V. Gräschus, Dipl.-Phys. M. Aakolk, Dipl.-Phys. U. Freking, Dipl.-Phys. R. Izzo, HDoz. Dr. P. Krüger, Dr. A. Mazur, Prof. Dr. J. Pollmann, sowie Wissenschaftler des MPI für Strömungsforschung in Göttingen und der Universitäten Duisburg und Paris (Frankreich)

Veröffentlichungen:

Sandfort, B., A. Mazur, J. Pollmann: Surface phonons of hydrogen-terminated semiconductor surfaces: I. The H:Si(111)-(1x1) surface, Phys. Rev. B 51, 7139 (1995)

--: Surface phonons of hydrogen-terminated semiconductor surfaces: II. The H:C(111)-(1x1) surface, Phys. Rev. B 51, 7150 (1995)

--: Vibrational correlation functions of hydrogen-terminated C(111)-(1x1) and Si(111)-(1x1) surfaces, Phys. Rev. B 51, 7168 (1995)

--: Surface phonons of hydrogen-terminated semiconductor surfaces: III. Diamond (001) monohydride and dihydride, Phys. Rev. B 54, 8605 (1996)

Gräschus, V., A. Mazur, J. Pollmann: Surface phonons of H:Si(001)-(2x1) monohydride, in Physics of Semiconductors, World Scientific, 1996, p. 931

Gräschus, V., A. Mazur, J. Pollmann: Surface phonons of D:Si(111)-(1x1), Surf. Sci., 368, 179 (1996)

Mazur, A., B. Sandfort, V. Gräschus, J. Pollmann: Phonons at Hydrogen-Terminated Si and Diamond Surfaces (Review), in Festkörperprobleme/Advances in Solid State Physics, Vol. 36, Vieweg, 1997, p. 181