Shockley surface states from first principles

Im ersten Teil dieser Arbeit werden sogenannte Shockley-Oberflächenzustände der (110)-, (100)-, und (111)-Oberflächen der kubisch-flächenzentrierten Metalle Aluminium und Kupfer im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) unter Verwendung nicht-empirischer Näherungen umfassend untersucht. Solche Oberflächenzustände können identifiziert werden, indem man die Bandstrukturen eines dreidimensional periodischen Kristalls mit der Bandstruktur einer zweidimensional periodischen Kristallschicht vergleicht. Anschließend werden physikalische Größen dieser Oberflächenzustände berechnet, wie etwa Energiepositionen, Banddispersionen (effektive Massen), oder auch Eindringtiefen der Elektronen in Oberflächenzuständen ins Metallinnere. Dabei wird das Konvergenzverhalten dieser Größen unter Berücksichtigung der Anzahl der Atomlagen des Metalls untersucht. Desweiteren werden Oberflächenenergien und Austrittsarbeiten der verschiedenen Metalloberflächen berechnet. Weiterführend werden die Resultate der DFT-Rechnungen dazu verwendet, um winkelaufgelöste Photoelektronenspektren (ARPES) im Rahmen des sogenannten 'one-step' Modells zu simulieren. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Grenzschicht eines organischen Halbleiters mit einer Metalloberfläche untersucht. Als Modellsystem wird eine Monolage des Moleküls 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA) auf Ag(110) untersucht. Es wird das Konvergenzverhalten der projizierten Zustandsdichte (pDOS) unter Berücksichtigung der Anzahl atomarer Silberlagen betrachtet. Dabei wird beobachtet, dass sich die projizierte Zustandsdichte im Energiebereich des niedrigsten unbesetzten Molekülorbitals (LUMO) sensitiv im Bezug auf die Parität der Anzahl an Silberlagen verhält. Als Ursache dafür wird eine Hybridisierung des Oberflächenzustands mit dem Molekülzustand vermutet. Dieser Aspekt wird durch Simulation von winkelaufgelösten Photoelektronenspektren weiter untersucht.In the first part of this thesis, a comprehensive ab-initio study within the framework of density functional theory (DFT) of all Shockley surface states of the (110), (100), and (111) facets of the face-centered cubic metals Al and Cu is performed. By comparing the bulk projected band structure with those of slab calculations, Shockley surface states are identified and a comprehensive analysis of their characteristic properties is conducted. Particular care is put on the convergence of calculated energy positions and effective masses of surface states with respect to the number of metallic layers used in our repeated slab approach. In addition to band offsets and band dispersions, also computed surface energies, work functions, as well as typical decay lengths of surface states into the bulk and into the vacuum are compared among the investigated metals and facets and compared to available experimental data. Moreover, the DFT calculations are used to simulate angle-resolved photoemission (ARPES) intensities within the one-step model of photoemission.In the second part of the thesis, the prototypical organic/metal interface PTCDA/Ag(110) is investigated. A careful convergence study on the projected density of states (pDOS) with respect to the number of atomic silver layers is performed. This highlights a parity dependence of the pDOS in the energy range of the lowest unoccupied molecule orbital (LUMO) on the number of silver layers. Additionally, photoemission intensities are simulated which allow a three-dimensional analysis of this issue.vorgelegt von Dario Wolf KneblZsfassung in dt. und engl. SpracheGraz, Univ., Masterarb., 2013(VLID)23439