Patrick Hoffmann Übungen ESCA: Chemische Analyse LS Angewandet Physik - II mit Photoelektronenspektroskopie Folie 1 Übungen zur Vorlesung Photoelektronenspektroskopie PES an Metall-Halbleiter-Kontakten Grundlagen: Dotierung von Halbleitern Der Metall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt) PES an Schottky-Kontakten Kurvenzerlegung von PES-Daten die Fermi-Verteilung numerische Kurvenzerlegung Oberflächenzustände Einleitung: Was sind Oberflächenzustände ? Identifikation von OF-Zuständen durch ARUPS
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Oberflächenzustände - BTU Cottbus-Senftenberg · 8,629125·10-5 eV/K E F Fermi-Energie T Temperatur Fermi-Verteilung hängt nur von der Probentemperatur ab ! Ist somit die schärfste
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Patrick Hoffmann Übungen ESCA: Chemische AnalyseLS Angewandet Physik - II mit Photoelektronenspektroskopie
Folie 1
Übungenzur Vorlesung Photoelektronenspektroskopie
� PES an Metall-Halbleiter-Kontakten� Grundlagen: Dotierung von Halbleitern� Der Metall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt)� PES an Schottky-Kontakten
� Kurvenzerlegung von PES-Daten� die Fermi-Verteilung� numerische Kurvenzerlegung
� Oberflächenzustände� Einleitung: Was sind Oberflächenzustände ?� Identifikation von OF-Zuständen durch ARUPS
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Folie 2
PES an Metall-Halbleiter-Kontakten
Grundlagen: Dotierung vonHalbleitern
Dargestellt sind :1. einfaches Bandschema B2. Fermi-Verteilung F3. Zustands-Dichte D4. Ladungsträgerdichte L
Für folgende Halbleiter :� Intrinsisch� n-dotiert� p-dotiert
DfL ⋅=
B F D L
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Folie 3
PES an Metall-Halbleiter-KontaktenDer Metall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt)
Vor Kontakt� Kein elektrischer Kontakt� Vakuumniveau ist konstant
Metall n-HL
vor Kontakt
Nach Kontakt� Elektrischer Kontakt führt zur Angleichung der
Fermi-Niveaus („Elektrochemisches Potential“)� Bandverbiegung ist die Folge� Es bilden sich die Raumladungszone W und die
Schottky-Barrierenhöhe ΦB.
Metall n-HL
⇒⇒⇒⇒ Potentiale etc. beschriften !!!
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Folie 4
PES an Metall-Halbleiter-KontaktenDer Metall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt)
Vor Kontakt� Kein elektrischer Kontakt� Vakuumniveau ist konstant
Metall n-HL
vor Kontakt
EVac
EFMetall
EFHL
ELBM
EVBM
ΦM
etal
l ΦH
L
χE
Gap IP
Nach Kontakt� Elektrischer Kontakt führt zur Angleichung der
Fermi-Niveaus („Elektrochemisches Potential“)� Bandverbiegung ist die Folge� Es bilden sich die Raumladungszone W und die
Schottky-Barrierenhöhe ΦB.
Metall n-HLEVac
EFMetall
EFHL
ELBM
EVBM
ΦB
W
⇒ Siehe auch Video Schottky.WMV !
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Folie 5
PES an Metall-Halbleiter-KontaktenSchottky-Kontakt: Stromfluss
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Folie 6
PES an Metall-Halbleiter-KontaktenPES an Schottky-Kontakten
Fragen :1. Wie beeinflussen diese Potentiale die PE-Spektren ?2. Wo kann ich Austrittsarbeiten und Bandverbiegungen ablesen ?3. Warum ist PES dafür besonders geeignet ?
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Folie 7
PES an Metall-Halbleiter-KontaktenPES an Schottky-Kontakten
Fragen :1. Wie beeinflussen diese Potentiale die PE-Spektren ?⇒⇒⇒⇒ Verschiebungen der Bänder relativ zum Fermi-Niveau beeinflussen die Bindungsenergie der Va-
lenzband- und Rumpfniveau-Spektren !
2. Wo kann ich Austrittsarbeiten undBandverbiegungen ablesen ?
⇒⇒⇒⇒ Bandverbiegungen äußern sich inBindungsenergie-Verschiebungender Valenzband-Spektren
⇒⇒⇒⇒ Austrittsarbeits-Änderungen äu-ßern sich in der Verschiebung derSekundärelektronen-Einsatzkante
3. Warum ist PES dafür besonders ge-eignet ?
⇒⇒⇒⇒ OF-empfindlich, daher kann dieBandverbiegung in einem sehr en-gen Bereich naher der OF gemes-sen werden
-21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 30.0
5.0k
10.0k
15.0k
20.0k
-6.5 -6.0 -5.5
SiO2-Valenzband
Φ=4,8eV
Zähl
rate
[CP
S]
Bindungsenergie [eV]
Anregung mit He-I photoinduzierte
Bandverbiegunghν
=21,
2eV
∆=0,1eV
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Folie 8
PES an Metall-Halbleiter-Kontakten3-Schritt-Modell
Ene
rgie
realeZustands-dichte
Vakuum-NiveauEVac
Fermi-Niveau+
-
EF
hνSekun-däre
Oberfläche
Fest-körper Vakuum
Bildung von ange-regten Zuständen
Zerfall der ange-regten Zustände
Transfer durchdie Oberfläche
� � �
Φ
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Folie 9
PES an Metall-Halbleiter-KontaktenBeispiel: Gold auf InSe
Probe :� Schichtgitter-Kristall
InSe wird gespalten� dann Au aufgedampft
Gegeben :� EGap
InSe=1,2eV� IPInSe=5,8eV� Das InSe ist n-dotiert.� ΦAu=5,1eV
Fragen :1. Was bedeutet die Ver-
schiebung von 0,4eV zuniedrigeren Bindungs-energien ?
2. Leiten Sie aus denSpektren und den ge-geb.. Größen das Band-diagram des KontaktesAu@InSe her.
� Bestimmung der Anteile der einzelnen Emissionen (Schichtdicken, Stöchiometrie, etc)� Aufdeckung kleiner Emissionen in der Nähe von größeren, alles überdeckenden Peaks
⇒ Siehe auch Origin-Datei FitSi2p.OPJ !
Numerisches Verfahren :1. Abzug des Sekundäruntergrundes2. Rekonstruktion des Signals bis „weißes Rauschen“ übrig bleibt3. Dazu Verwendung möglichst weniger und sinnvoller Gauß-
Lorenz-Summenfunktionen
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Folie 15
OberflächenzuständeWas sind Oberflächenzustände
1
� Ursache: Oberfläche (= Ab-brechen des periodischenKristallpotentials)
� Elektronen können zwi-schen Kristall und Oberflä-chenpotential „gefangen“sein
� Diese Zustände sind lokali-siert an der OF mit ver-schwindender Aufenthalts-wahrscheinlichkeit in dasVakuum und den Kristall.
⇒ Nachweis mit PES möglich, da sehr Oberflächenempfindlich !