Fachbereich 11 - Physik
Institut für Festkörpertheorie
Lehrstuhl Prof. Dr. Pollmann gemeinsam mit Prof. Dr. P. Krüger und PD Dr. M. Rohlfing

Struktur und Dynamik von Halbleiteroberflächen

Gegenstand der Forschungen in diesem Themenbereich ist die Weiterentwicklung und breite Anwendung der mikroskopischen Theorie von Phononen an reinen und adsorbatbedeckten Halbleiteroberflächen. Zu den untersuchten Systemen gehören wasserstoff- und deuteriumbedeckte 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 technologischen Interesse. Die Dynamik der Systeme und wichtige thermodynamische Korrelationsfunktionen können entweder durch Diagonalisierung von Slabmatrizen oder mit Hilfe von Phononen-Greenfunktionen berechnet werden. Die Berechnungen erfolgen zum einen auf der Basis eines semi-empirischen Gesamtenergieansatzes. Der Vergleich der so berechneten Spektren liefert eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten der hochauflösenden Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (HREELS) und gestattet es, die physikalische Natur und den Charakter der experimentell beobachteten 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 konnten wir im Berichtszeitraum mit Hilfe der DFPT systematische Studien der Schwingungseigenschaften von S, Se und Te auf Si(001) und Ge(001) Oberflächen sowie von Wasserstoff auf der Si(001) Oberfläche abschließen. Ein Vergleich der Ergebnisse liefert interessante Aufschlüsse über den Einfluss der Masse und der Bindungsstärke der Adsorbate auf die vibronischen Eigenschaften der untersuchten Systeme. Die Adsorption von Wasserstoff auf Si(001)-(1x1) führt zu sechs markanten, an der Oberfläche lokalisierten Schwingungsmoden, die gewissermaßen als "Fingerabdrücke" der Adatome angesehen werden können. Die DFPT 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:

Scientific Computing Center, Universität Karlsruhe

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. U. Freking, Dr. A. Mazur, Prof. Dr. J. Pollmann

Veröffentlichungen:

Freking, U., A. Mazur und 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 und W. Jäger, Springer Verlag, Berlin (2001), pp. 128-142

Freking, U., A. Mazur und J. Pollmann: Surface phonons of S:Si(001)-(1x1), Phys. Rev. B 64, 245341 (2001)

Freking, U., A. Mazur und J. Pollmann: Structural and vibronic properties of the dihydride-terminated Si(001) surface, in High Performance Computing in Science and Engineering 2001, ed. by E. Krause und W. Jäger, Springer Verlag, Berlin (2002), pp. 202-209

Thachepan, S., H. Okuyama, T. Aruga, M. Nishijima, T. Ando, A. Mazur und J. Pollmann: Surface phonons of C(001)(2x1)-H, bei Phys. Rev. B (im Druck)

Pollmann, J., P. Krüger, A. Mazur und M. Rohlfing (Review Artikel): Electrons, phonons and excitons at semiconductor surfaces, Advances in Solid State Physics (B. Kramer editor), Springer Verlag, Heidelberg, Vol. 42, 189 (2002)