Time-resolved low-energy electron diffraction and photoemission pump-probe experiments

Die Dimensionen in modernen elektronischen Schaltungen und magnetischen Speichereinheiten erreichten innerhalb der letzten Dekade die Grössenordnung von Nanometern, und damit eine Längenskala, auf der quantenmechanische Prozesse eine dominante Rolle spielen. Das mikroskopische Verständnis fundamentaler Prozesse wie z.B. dem Verhalten der Elektronen und Atome eines Festkörpers in einem zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feld sind von daher Inhalt intensiver Forschungsarbeit. Aufgrund der relevanten atomaren Zeitskala sind ultrakurze Laserpulse ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der Quasiteilchendynamik. Die erste Grundvoraussetzung zur Durchführung solcher Experimente ist die Charakterisierung ultrakurzer Laserpulse. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die Pulsform und die Pulsdauer. Im ersten Teil der vorliegenden Dissertation werden mehrere experimentelle Methoden zur Pulscharakterisierung vorgestellt und auf die von unserem Lasersystem produzierten Pulse angewandt. Im Hauptteil der Arbeit wird auf zwei zeitaufgelöste Methoden zur Untersuchung der elektronischen und strukturellen Dynamik in Festkörperoberflächen eingegangen. Die besetzte und unbesetzte elektronische Bandstruktur einer neuartigen, in unserer Gruppe gefundenen Struktur, der sogenannten nanomesh und deren Dynamik wird im ersten Teil mittels zeitaufgelöster Zwei-Photonen-Photoemission (2PPE) untersucht. Diese Struktur besteht aus einem komplexen und sehr regelmässigen Bornitrid-Netzwerk von Löchern, das sich auf einer Rhodium (111) – Oberfläche bildet. Mittels 2PPE konnten Rhodiumbänder nahe des Ferminiveaus aufgelöst werden. Desweiteren kann aus der Abhängigkeit der Spektren von der Photonenenergie auf einen Bornitridzustand geschlossen werden, dessen energetische Position ausserhalb des uns spektroskopisch zugänglichen Bereiches lag. Seine Lebensdauer konnte in zeitaufgelösten Experimenten abgeschätzt werden. Diese Resultate liefern erste Informationen zur Leitungsbandstruktur des isolierenden Bornitridnetzwerkes. Rekonstruktionen von Oberflächen und häufig damit verbundene Instabilitäten gegenüber Phasenübergngen und deren Verständnis sind von grosser Bedeutung und können mit Strukturbestimmungsmethoden untersucht werden. Vor allem Phasenübergänge sind hierbei äusserst interessant, weil man nahe des kritischen Punktes Situationen fern des thermodynamischen Gleichgewichts durch die Einwirkung eines intensiven Lichtpulses studieren kann. Die dabei angewandte pump-probe (Pump- Abfrage) Technik erlaubt es, solche Prozesse stroboskopisch in Echtzeit zu studieren. Beugung langsamer Elektronen (LEED für low-energy-electron diffraction) ist das Standardwerkzeug zur Bestimmung der atomaren Struktur von Oberflächen. Diese Arbeit trug zur Entwicklung eines einzigartigen zeitaufgelösten LEED-Experimentes bei. Drei verschiedene gepulste Elektronenquellen wurden dabei charakterisiert und für erste Testexperimente an verschiedenen Systemen, wie der c(2×8) – Rekonstruktion der Ge(111) – Fläche und der Indium-induzierten 4×1 Rekonstruktion der Si(111) – Oberfläche, benutzt. Die Entwicklung eines Korrelationsexperimentes für Licht- und Elektronenpulse war ausschlaggebend für die ersten erfolgreichen Messungen von Transienten mit Elektronenpulsen mit einer Zeitauflösung von etwa 70 Picosekunden bei tiefen kinetischen Energien. Die ersten zeitaufgelösten LEED-Testexperimente basierten auf der Messung der Intensität verschiedener Beugungsmaxima als Funktion des Zeitversatzes von Laserpump- und Elektronenabfragepuls. Die Intensität, die während der vorübergehenden Temperaturzunahme des Gitters aufgrund des Debye-Waller- Effektes abnimmt, wird hierbei als schnelles Thermometer genutzt. Aufgrund der niedrigen Debyetemperatur des In(4×1)Si(111) – Systems und des scharfen Phasenüberganges bei 110 K war dieses System ein guter Kandidat für erste zeitaufgelöste LEED-Experimente. Die Transienten zeigten allerdings nur sehr schwache Effekte, die mit einem kurzzeitigen Temperaturanstieg unvereinbar sind, und mindestens zum Teil durch eine kurzzeitige Raumladung, gebildet durch vom Pumppuls erzeugte Photoelektronen, erklärt werden können. With technology reaching towards the nanoscale level, science is in pursue of new methods for understanding this emerging quantum world. Fundamental processes like the electronic or structural response of solids to time-dependent coherent electromagnetic excitation are therefore subject to intensive research. These microscopic processes can only be studied at their length and time scale by pump-probe experiments. Ultrashort laser pulses are the main tool for the investigation of ultrafast quasiparticle dynamics in different media. Hence, the characterization of ultrashort laser pulses is the first requirement when performing time-resolved experiments. An important property of a laser pulse is its shape and in particular its temporal width. Therefore, several pulse diagnostic methods are discussed and applied for the case of our laser system. The main topics of the present thesis refer to the electronic structure and dynamics of a nanostructured interface on one hand, and to the development of a time-resolved structural tool on the other hand. The occupied and unoccupied electronic band structure of a new boron nitride nanostructure forming on a rhodium (111) surface found recently in our group, the so-called nanomesh, was investigated by means of two-photon photoemission (2PPE). The photon-energy dependence of one- and two-color 2PPE spectra helps to identify transitions from occupied rhodium bulk states and give evidence for a BN-derived interface state about 3 eV above the Fermi level. Also, the lifetime of the intermediate state could be estimated. These findings provide some first experimental information on the conduction band states in this insulating boron nitride layer. Phase transitions at surfaces or surface reconstructions are subject to detailed studies by surface structural methods. Moreover, non-equilibrium situations, produced by sudden energy deposition by means of ultrashort laser pulses on surfaces close to the critical temperature, can be investigated. Pump-probe techniques have the potential to follow the excitation and structural relaxation dynamics at a surface in real time. Low-energy electron diffraction (LEED) is a common method for investigating the long-range order of surfaces. This thesis contributes to the development of time-resolved LEED (t-LEED). Three different pulsed electron guns have been used for performing test experiments on various systems, including the Ge(111)-c(2×8) surface and the In/Si(7×7)-(4×1) surface forming In nanowires. The development of a new method for establishing both spatial and temporal overlap of electron and laser pulses helped to overcome one of the major obstacles for this technique. The electron-photon correlator based on a metal pinhole can be also used for estimating the time duration of the electron pulses. The t-LEED test experiments were designed to monitor the transient temperature rise upon arrival of the pump pulse by a Debye-Waller effect in a LEED spot intensity. Due to the fact that the In/Si(7×7)-(4×1) surface exhibits a surface phase transition at T = 110 K and a relatively low Debye temperature of ~370 K, it was considered as a good candidate for t-LEED measurements. However, due to the very weak temperature increase induced by the pump pulses, the maximum transient effect observed for this surface was less than 0.5 %, and it was recognized that the space charge produced by the pump laser pulses at the surface is responsible for at least part of this small effect