Untersuchung der elektronischen Struktur der Li induzierten Si(111)-(3x1)-Rekonstruktion mittels Photoemission und ^8Li-beta-NMR

Die elektronische Struktur der Si (111)-(3x1)- Li Oberfläche wurde mit winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie und ^8 Li-Kernspinrelaxation untersucht. Die Struktur dieser Oberfläche wird durch das HCC- (honeycomb-chain-channel) Modell beschrieben und benötigt ein Li-Atom pro Einheitszelle. Dies entspricht einer Bedeckung von 1/3 ML. Die winkelaufgelösten Photoemissionsmessungen wurden auf single domain (3x1)-rekonstruierten Oberflächen durchgeführt. Durch die Verwendung dieser Oberflächen, einer verbesserten Energie-Auflösung sowie der Wahl einer optimierten Photonenenergie ist es gelungen, die Daten von früheren Photoemissionsexperimenten deutlich zu verbessern. Entlang der quasi-eindimensionalen Li-Ketten wurde ein sehr ausgeprägter, nahezu dispersionsloser Oberflächenzustand bei E-E_{VBM} ~ -0,9 eV gefunden. Dieser Zustand ist um -0,31 eV gegenüber dem auf Grundlage des HCC-Modells berechneten Zustand verschoben. Diese Verschiebung kann auf mangelnde Berücksichtigung von Elektronenkorrelationen in Bandstrukturrechnungen mittels LDA (local density approximation) auf Halbleiteroberflächen zurückgeführt werden. Eine frühere Erklärung durch eine Überlagerung von zwei im Experiment nicht aufgelösten theoretischen Zuständen kann aufgrund der erheblich verbesserten Datenlage widerlegt werden. In LEED- (low energy electron diffraction) Experimenten wurde bereits bei 0,29 ML (der Fehler in den Bedeckungen betrug jeweils etwa ± 0,02 ML) eine voll ausgebildete Rekonstruktion beobachtet. Bei dieser Bedeckung wurde bei T = 100 K eine Relaxationsrate von alpha = 0,007 ± 0,017s^-1 gemessen. Eine solche mit Null verträgliche Relaxationsrate bedeutet, daß die dafür verantwortlichen fluktuierenden Wechselwirkungen unter diesen Bedingungen so schwach sind, daß eine Depolarisation des Kernspins nicht meßbar ist. Bei höheren Temperaturen wurden jedoch von Null verschiedene Relaxationsraten beobachtet, was mit einem Modell basierend auf fluktuierenden Wechselwirkungen mit angeregten Elektronen aus einem Donatorniveau etwa 100 meV unterhalb des Leitungsbandes beschrieben werden kann. Das während der Relaxationsmessungen zusätzlich adsorbierte Li könnte ein solches Donatorniveau induzieren. Dieser Mechanismus wurde auch schon zuvor auf der Si (111)-(1x1): H Oberfläche beobachtet. Ein Ansatz, die Temperaturabhängigkeit der Relaxationsraten mit einem durch Diffusion induzierten Relaxationsprozeß zu erklären, führt zu keinem sinnvollen Ergebnis. Bei 0,47 ML (d.h. (3x1)-Rekonstruktion plus zusätzliche 0,14 ML) wurde ein ?Korringa-ähnliches? Relaxationsverhalten beobachtet, was auf eine Metallisierung der Oberfläche durch das zusätzliche Li hindeutet. Außerdem wurde bei dieser Bedeckung bei höheren Temperaturen zusätzlich eine Relaxation durch Diffusion der Sondenatome beobachtet