Struktur und Dynamik von Halbleiteroberflächen

Gegenstand der Forschungen in diesem Themenbereich ist die Weiterentwicklung und die breite Anwendung der mikroskopischen Theorie von Phononen an reinen und adsorbatbedeckten Halbleiteroberflächen. Zu den untersuchten Systemen gehören wasserstoffbedeckte Diamant-, Si- und Ge-Oberflächen sowie Chalkogen-Monolagen auf Si(001) und Ge(001). Alle diese Systeme sind auch im Kontext der Passivierung von Halbleiteroberflächen von besonderem Interesse.

Die Berechnungen erfolgen zum einen auf der Basis eines semi-empirischen Gesamtenergieansatzes, dessen Parameter wir in jüngster Zeit auch mit Hilfe von Ergebnissen der selbstkonsistenten Elektronenstrukturtheorie bestimmen. Die Dynamik der Systeme und wichtige thermodynamische Korrelationsfunktionen können entweder durch Diagonalisierung von Slabmatrizen oder mit Hilfe von Phononen-Greenfunktionen berechnet werden. Der Vergleich der so bestimmten 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 haben wir auch eine Beschreibung von Oberflächenphononen im Rahmen der Dichtefunktional-Störungstheorie (DFPT) 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. Dennoch haben wir im Berichtszeitraum mit Hilfe der DFPT eine systematische Studie der Schwingungseigenschaften von S, Se und Te auf der Si(001) und der Ge(001) Oberfläche durchgeführt und abgeschlossen. Ein Vergleich der Ergebnisse liefert interessante Aufschlüsse über den Einfluß der Masse und der Bindungsstärke der Adsorbate auf die vibronischen Eigenschaften der untersuchten Systeme. Solche Berechnungen sind mit Hilfe der an der Universität Münster vorhandenen Computer allerdings nicht mehr zu bewerkstelligen, so dass sie am Scientific Computing Center der Universität Karlsruhe durchgeführt wurden.

Drittmittelgeber:

BMBF Verbundprojekt 22 zum Thema 'Halbleitergrenzflächen', Scientific Computing Center, Universität Karlsruhe

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. V. Gräschus, Dipl.-Phys. U. Freking, HDoz. Dr. P. Krüger, Dr. A. Mazur, Prof. Dr. J. Pollmann

Veröffentlichungen:

Freking, U., A. Mazur, J. Pollmann: Vibronic studies of adsorbate-covered semiconductor surfaces with the help of high performance computing, in High Performance Computing in Science and Engineering '99, ed. by E. Krause and W. Jäger, Springer Verlag, Berlin (2000), pp. 149-162

Freking, U., A. Mazur, J. Pollmann: Electronic, structural and vibrational properties of chalcogenides on Si(001) and Ge(001) surfaces, in High Performance Computing in Science and Engineering 2000, ed. by E. Krause and W. Jäger, Springer Verlag, Berlin (2001), pp. 128-142