Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den ultraschnellen Transport und die Energierelaxation von Ladungsträgern an der Grenzfläche von heterogenen Systemen zu untersuchen. Dabei wird gezeigt, dass zeitaufgelöste Zweifarb-Mehrphotonen-Photoemissionsspektroskopie eine gute Methode ist, um Einblick in das Relaxationsverhalten und den dynamischen Ladungsträgertransport in den untersuchten Systemen zu erhalten. Es werden Messungen an zwei unterschiedlichen Systemen vorgestellt: Silbernanoteilchen auf Graphit und ultradünne Silberfilme auf Silizium. Die Untersuchung von heterogenen Systemen erfordert einen selektiven Photoemissionsprozess, d.h. es muss möglich sein, Photoemission von den Nanoteilchen bzw. vom Silberfilm und vom Substrat zu trennen. Für Silbernanoteilchen auf Graphit kann dies erreicht werden, indem die Abfragewellenlänge auf die Resonanz des Plasmon-Polaritons abgestimmt wird. So erhält man dominant Photoemission von den Nanoteilchen, Photoemission vom Graphit kann dagegen vernachlässigt werden. Die transiente Elektronenverteilung in den Nanoteilchen kann aus der Form der Photoemissionsspektren bestimmt werden. Die transiente Verschiebung der Spektren gibt Aufschluss über die Auf- oder Entladung des Nanoteilchens. Dadurch wird es hier möglich, zeitaufgelöste Photoemissionsspektroskopie als ultraschnelle Sonde im Nanometerbereich zu verwenden. Zusammen mit einem Modell für die Relaxation und den Ladungstransfer ist es möglich, quantitative Ergebnisse für die Kopplung zwischen Nanoteilchen und Substrat zu erhalten. Das vorgestellte semiempirische Modell enthält dabei zusätzlich zu Termen für die Relaxation in Nanoteilchen und Substrat die Möglichkeit eines zeitabhängigen Ladungstransfers zwischen Teilchen und Substrat. Die Kopplung wird durch eine Tunnelbarriere beschrieben, deren starke Energieabhängigkeit der Transferwahrscheinlichkeit die experimentellen Ergebnisse gut wiedergibt. Die Stärke des Ladungstransfers und das zeitabhängige Verhalten sind dabei stark von den gewählten Parametern für die Tunnelbarriere abhängig. Insbesondere zeigt der Vergleich der Simulationsergebnisse mit dem Experiment, dass transienter Ladungstransfer ein wichtiger Effekt ist und die Kühlungsdynamik, die im Elektronengas der Nanoteilchen beobachtet wird, wesentlich beeinflusst. Auch im Fall der ultradünnen Silberfilme auf Silizium ist es durch gezielte Wahl der Wellenlängen möglich, die Photoelektronenausbeute selektiv dem Silberfilm oder dem Siliziumsubstrat zuzuordnen. Bei Anregung mit 3.1 eV Photonenenergie dominiert Photoemission aus dem Silberfilm, während es bei Anregung mit 4.65 eV möglich ist, Informationen über die Grenzschicht und das Siliziumsubstrat zu erhalten. Intensitätsabhängige Messungen zeigen den Einfluss der optischen Anregung auf den Verlauf der Schottkybarriere an der Metall-Halbleiter-Grenzschicht. Dieser Effekt ist als Oberflächen-Photospannung bekannt. Die Anregung mit 4.65 eV Photonenenergie bewirkt zusätzlich eine Sättigung langlebiger Zustände an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche, was zu einer linearen Abhängigkeit der Photoemissionsausbeute von der Laserfluenz führt. Zeitaufgelöste Zweifarb-Mehrphotonen-Photoemissionsmessungen machen es möglich, die Elektronendynamik an der Metall-Halbleiter-Grenzschicht und im Siliziumsubstrat zu untersuchen. Das Relaxationsverhalten der Ladungsträger zeigt dabei eine komplexe Dynamik, die auf die Anregung von Ladungsträgern in unterschiedlichen Bereichen zurückgeführt werden kann. Dabei dominiert für verschiedene Zwischenzustandsenergien die Dynamik entweder aus dem Film, der Grenzschicht oder dem Siliziumsubstrat, so dass das Relaxationsverhalten grob in drei unterschiedliche Energiebereiche eingeteilt werden kann. Im Silizium können aufgrund der Bandlücke mit 3.1 eV Photonenenergie Elektronen nur bis zu Zwischenzustandsenergien von EF + 2.0 eV angeregt werden. In der Tat stimmen die Relaxationszeiten, die man in diesem Bereich aus den zeitaufgelösten Messungen bestimmt, mit Werten von reinen Siliziumsubstraten überein. Für Zwischenzustandsenergien oberhalb von EF + 2.0 eV findet man überwiegend Anregung im Silberfilm. Die Relaxationszeiten für diese Energien entsprechen Werten von Silberfilmen auf einem isolierenden Substrat. Für sehr niedrige Zwischenzustandsenergien unterhalb von EF + 0.6 eV sind die Zustände wegen der vorliegenden experimentellen Bedingungen permanent besetzt. Der Anregepuls regt Elektronen aus diesen Zuständen an und führt daher in diesem Bereich zu einer Reduktion der Besetzung nach der Anregung mit Licht. Die Zeitkonstante für die Wiederbesetzung liegt im Bereich von mehreren 100 ps bis Nanosekunden. Solch lange Zeiten sind aus Rekombinationsprozessen an der Dipolschicht von Metall-Halbleiter-Grenzflächen bekannt. Zeitaufgelöste Mehrphotonen-Photoemissionsspektroskopie ist also sehr gut geeignet, das komplexe Relaxationsverhalten und den Ladungsträgertransfer an der Grenzfläche eines Schichtsystems zu untersuchen. / The goal of the present work is the investigation of ultrafast transport and energy relaxation of excited carriers at interfaces. It is shown that time-resolved two-color multi-photon photoemission spectroscopy is a powerful method to get insight in relaxation dynamics and transient charge transfer. Measurements at two different systems were presented: Ag nanoparticles on graphite and ultraflat Ag films on Si(100). The investigation of a heterogeneous system requires a selective photoemission processes, i.e. the photoemission yield can be attributed to emission either from the nanoparticles/film or from the substrate. In measurements on Ag nanoparticles on graphite this can be achieved by tuning the probe wavelength to the plasmon polariton resonance. This results in predominate photoemission from the nanoparticles. Photoemission from the graphite can be neglected. The transient electron distribution can be extracted from the shape of the photoemission spectra. The transient shift of the spectra gives information on the charging and decharging of the nanoparticle. This makes it possible to use time-resolved photoemission spectroscopy as ultrafast probe on a nanometer scale. It is shown that the combination of the experimental results with a model yields quantitative results for the coupling of nanoparticle and substrate. Therefore, the presented semi-empirical model includes terms for transient charge transfer between particle and substrate in addition to terms for the relaxation dynamics in both the Ag nanoparticle and the graphite. The coupling is described by a tunnel barrier. The strong energy dependence of the transfer rate of such a barrier is needed to reproduce the experimental findings. The charge transfer dynamics depend strongly on the parameters used in the simulation. Especially, it is shown that transient charge transfer can not be neglected in our measurements and influences significantly the electron gas cooling dynamics in nanoparticles. On ultraflat Ag films on silicon selective photoemission can be achieved as well using adequate wavelengths. Excitation at 3.1 eV photon energy leads prominently to photoemission from the Ag film while at 4.65 eV excitation photoemission from the Si substrate or the interface is dominating. Intensity dependent measurements show that optical excitation influences the Schottky barrier at the metal-semiconductor-interface. This effect is known as surface photovoltage. In addition excitation at 4.65 eV leads to saturation of long lived interface states which results in a linear intensity dependence of the photoemission yield. Time-resolved two-color multi-photon photoemission spectroscopy on Ag films on Si gives insight in the electron dynamics at the metal-silicon interface. The relaxation dynamics show a complex behavior as excitation and relaxation in different parts of the system contribute to the signal. For different intermediate state energies the results can be attributed to either the Ag film, the Si substrate or the interface. Because of the band gap in silicon electrons can be excited in intermediate states up to EF + 2.0 eV. Indeed, the extracted effective relaxation times match values which are reported for uncovered Si substrates. At intermediate state energies above EF + 2.0 eV excitation takes place predominantly in the Ag film. Thus, the extracted effective relaxation times match values reported for 15 nm Ag films on a isolating substrate. At intermediate state energies below EF + 0.6 eV the states are permanently populated due to our experimental conditions. Thus, the pump excitation leads to a reduction of the population in these states. The repopulation has a time constant of several 100 ps up to nanoseconds. These time constant matches values for recombination processes at the dipol layer near a metal-semiconductor interface. Therefore, time-resolved multi-photon photoemission spectroscopy is a good method to investigate the complex relaxation behavior and charge transfer dynamics at the interface of a heterogeneous system.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:1574 |
| Date | January 2006 |
| Creators | Schramm, Claudia |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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