Elektronische Eigenschaften metallischer Heterostrukturen

Oberflächenzustände auf dichtgepackten Edelmetalloberflächen

Rolf Möller

Die Edelmetalle Gold, Silber und Kupfer besitzen auf ihren (111)-Oberflächen einen elektronischen Zustand, in dem Elektronen auf einen Bereich nahe der Festkörperoberfläche beschränkt sind. Parallel zur Festkörperoberfläche können sie sich jedoch frei bewegen. (Man spricht von einem zweidimensionalen Elektronengas.)

Wenn diese Elektronen auf eine Störung treffen (z.B. eine Stufe des Festkörpers oder eine punktförmige Fehlstelle), können sie reflektiert werden. Wegen des Wellencharakters der Elektronen bilden sich dann stehende Wellen um die Störstellen aus.

Diese Variationen der elektronischen Zustandsdichte untersuchen wir mithilfe der Thermospannung.

Einfluss der Rekonstruktion von Gold(111) auf den Oberflächenzustand

Topographie der Goldoberfläche: Ober- und unterhalb einer Stufe erkennt man die Rekonstruktion.

Die Rekonstruktion der Goldoberfläche liefert auffällige Doppelreihen, die nach einer gewissen Strecke die Richtung um 60° wechseln. Der Abstand der Knicke voneinander entspricht der vierfachen Wellenlänge der untersuchten Elektronen.

Thermospannung: stehende Wellen an der Stufe, an Verunreinigungen und entlang der Knicke.

Wenn nun jeder Knick als Streuzentrum für die Oberflächenzustände wirkt, interferieren die Wellen benachbarter Knicke konstruktiv miteinander, es gibt also besondere stehende Wellen entlang der Knicke.

Veränderung des Oberflächenzustands durch Adsorbate

Thermospannung von gut 1/2 ML Silber (hell) auf Gold (dunkel)

Die Wellenfunktionen der Oberflächenzustände dehnen sich über einige Atomlagen in den Festkörper hinein aus. Dennoch beeinflusst schon eine Monolage (ML) eines anderen Materials die Fermi-Wellenlänge.

Die Thermospannung liefert auch einen Kontrast zwischen den verschiedenen Materialien, sodass man die unbedeckte Oberfläche und die aufgewachsenen Materialien einfach voneinander unterscheiden kann.

Temperaturabhängigkeit der mittleren freien Weglänge für Elektronen in Oberflächenzuständen

Die Länge, über die man an einer Kante stehende Wellen beobachten kann, wird unter anderem bestimmt durch die mittlere freie Weglänge der Elektronen. Je früher die Elektronen einen Stoß durchführen, desto schneller nehmen die stehenden Wellen ab. Durch Vergleich der aufgenommenen Bilder mit Modellrechnungen kann die mittlere freie Weglänge der Elektronen bestimmt werden.