@phdthesis{Zinner2020,
  author    = {Zinner, Martin Gerhard},
  title     = {Adsorbat-induzierte Oberfl{\"a}chensysteme und ultra-d{\"u}nne intermetallische Legierungsfilme im Fokus der niederenergetischen Elektronenbeugung und spektroskopischer Analysemethoden},
  doi       = {10.25972/OPUS-19274},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-192749},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden mit unterschiedlichen Analysemethoden die Korrelationen zwischen den strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Selten Erd-basierten intermetallischen Oberfl{\"a}chenlegierungen anhand der beiden Probensysteme LaPt\$_5\$/Pt(111) und CePt\$_5\$/Pt(111) untersucht. Dar{\"u}ber hinaus werden die strukturellen Eigenschaften von Adsorbat-induzierten Oberfl{\"a}chenrekonstruktionen im sub-ML Bereich in reduzierten Dimensionen auf der Halbleiteroberfl{\"a}che Si(111) anhand der beiden Materialsysteme Si(111)-(5\$\times\$2)-Au und Si(111)-(\$\sqrt{3}\times\sqrt{3}\$)R30\${\degree}\$-Sn mit der Methode LEED-IV analysiert. Das erste experimentelle Kapitel dieser Arbeit behandelt die intermetallische Oberfl{\"a}chenlegierung LaPt\$_5\$/Pt(111), die sich ausbildet wenn La-Atome auf einem sauberen Pt(111)-Substrat abgeschieden werden und anschließend thermische Energie hinzugef{\"u}gt wird. Die Dicke der gebildeten Legierung l{\"a}sst sich {\"u}ber die zuvor angebotene Menge an La-Atomen variieren und resultiert aufgrund der Gitterfehlanpassung von Pt(111) und den obenauf liegenden LaPt\$_5\$-Filmen in sechs unterschiedliche Beugungsmuster im LEED, deren {\"U}berstrukturvektoren durch zwei unterschiedliche Rotationsausrichtungen in Bezug auf das Gitter des Substrats und unterschiedlichen lateralen Gitterkonstanten der Filme gekennzeichnet sind. Die atomare Struktur kann auf eine gemeinsame Kristallstruktur zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden, deren St{\"o}chiometrie aus dickenabh{\"a}ngigen AES-Messungen zu LaPt\$_5\$ mit einer Pt-reichen Oberfl{\"a}chenabschlusslage bestimmt werden konnte. Die Ergebnisse einer durchgef{\"u}hrten LEED-IV Studie best{\"a}tigen das Wachstum der Filme in der CaCu\$_5\$-Struktur, wobei die Oberfl{\"a}chenterminierungslage im Vergleich zum Volumengitter ein zus{\"a}tzliches Pt-Atom pro Einheitszelle aufweist, das zus{\"a}tzlich um einen Wert von \unit{0.26}{\angstrom} aus der Oberfl{\"a}che hervorsteht. Die La-Atome, die direkt unterhalb der Terminierungslage liegen, erfahren eine Verschiebung in entgegengesetzter Richtung, so dass im Vergleich zum Volumen der Filme eine lokal ver{\"a}nderte Symmetrie im oberfl{\"a}chennahen Bereich vorherrscht und sich auf die elektronischen Eigenschaften der LaPt\$_5\$-Filme auswirkt. Dar{\"u}ber hinaus wurden die Schwingungseigenschaften der LaPt\$_5\$-Filme mittels der polarisierten in situ Raman-Spektroskopie bestimmt, bei der die auftretenden Schwingungspeaks durch die Kenntnis der atomaren Struktur und mit {\"U}berlegungen aus der Gruppentheorie unterschiedlichen Tiefenbereichen der LaPt\$_5\$-Filme (Volumen und Oberfl{\"a}che) zugewiesen werden konnten. Im zweiten experimentellen Kapitel liegt der Fokus auf der atomaren Struktur sowie auf den elektronischen und magnetischen Eigenschaften des Kondo- und Schwerfermionensystems CePt\$_5\$/Pt(111). In Abh{\"a}ngigkeit von der vor dem Legierungsprozess angebotenen Menge an Ce-Atomen auf dem Pt(111)-Substrat konnten insgesamt sieben verschiedene LEED-Phasen der CePt\$_5\$-Filme identifiziert werden, deren jeweilige Oberfl{\"a}chenrekonstruktionen durch eine unterschiedliche Rotationsausrichtung in Bezug auf das Pt(111)-Substrat gekennzeichnet sind. Zus{\"a}tzlich ist die laterale Gitterkonstante einem Prozess aus Verspannung und Dehnung aufgrund der Gitterfehlanpassung von Film und Substrat ausgesetzt. Eine durchgef{\"u}hrte LEED-IV Analyse best{\"a}tigt das Wachstum der Filme in der CaCu\$_5\$-Struktur mit einer Pt-reichen Oberfl{\"a}chenabschlusslage, deren Pt\$_3\$-Kagom\'{e}-Lage im Vergleich zum Volumengitter mit einem zus{\"a}tzlichen Pt-Atom pro Einheitszelle gef{\"u}llt ist. Die strukturellen Ergebnisse stimmen mit erzielten Resultaten aus fr{\"u}heren Arbeiten {\"u}berein und verdeutlichen zudem die isostrukturellen Eigenschaften zur intermetallischen Oberfl{\"a}chenlegierung LaPt\$_5\$/Pt(111). Dies erm{\"o}glicht durch geeignete Vergleichsexperimente an LaPt\$_5\$/Pt(111) die induzierten Ph{\"a}nomene der \$4f\$-Elektronen bez{\"u}glich des Kondo- und Schwerfermionenverhaltens bei CePt\$_5\$/Pt(111) zu bestimmen, da La-Atome in ihrem atomaren Aufbau keine \$4f\$-Elektronen beherbergen. Mit der polarisierten in situ Raman-Spektroskopie aufgenommene Spektren anhand von unterschiedlich dicken CePt\$_5\$-Filmen beinhalten sowohl charakteristische Schwingungspeaks als auch elektronische {\"U}berg{\"a}nge. Das spektroskopische Verhalten der Schwingungspeaks zeigt dabei nicht nur Gemeinsamkeiten zu LaPt\$_5\$/Pt(111) bei der Zuweisung der Schwingungsmoden zu den jeweiligen Tiefenbereichen in den CePt\$_5\$-Filmen, sondern es treten auch Unterschiede auf, da eine CePt\$_5\$-Schwingungsmode einem anormalen Temperaturverhalten unterliegt, das auf die Wechselwirkung mit den \$4f\$-Elektronen zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist. Weitere spezifische Raman-Signaturen, die elektronischen {\"U}berg{\"a}ngen in Form von Kristallfeldniveauaufspaltungen der \$4f\$-Elektronen von Ce zugewiesen werden konnten, resultieren ebenfalls aus unterschiedlichen Regionen der CePt\$_5\$-Filme (Oberfl{\"a}che, inneres Volumen, Interface). Die magnetischen Eigenschaften der CePt\$_5\$-Filme wurden mit XAS und XMCD an den Ce M\$_{4,5}\$-Kanten in Abh{\"a}ngigkeit von der Temperatur, dem Einfallswinkel, der Filmdicke und der St{\"a}rke des Magnetfelds analysiert. Die markanten {\"U}berg{\"a}nge zwischen unterschiedlichen Curie-Weiss-Regimen in der inversen Suszeptibilit{\"a}t erlauben R{\"u}ckschl{\"u}sse {\"u}ber das Kristallfeldaufspaltungsschema, die Kondo- und die RKKY-Wechselwirkung und korrelieren mit der Ce-Valenz. Zudem konnte bei tiefen Temperaturen ein {\"U}bergang in den koh{\"a}renten Schwerfermionen-Zustand f{\"u}r alle untersuchten CePt\$_5\$-Filmdicken in dieser Arbeit nachgewiesen werden. Durch die Vorhersage eines metamagnetischen Lifshitz-{\"U}bergangs f{\"u}r diese Filme, der sich in der Magnetfeldabh{\"a}ngigkeit des magnetischen Moments {\"a}ußert, konnte durch die Aufnahme von Magnetisierungskurven bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern auf zwei weitere charakteristische Energieskalen der renormalisierten Bandstruktur zugegriffen werden. Das dritte experimentelle Kapitel widmet sich der mit LEED und LEED-IV durchgef{\"u}hrten Aufkl{\"a}rung der atomaren Struktur eines quasi-eindimensionalen Elektronensystems, bei dem sich die gebildeten Au-Nanodr{\"a}hte auf der Si(111)-Oberfl{\"a}che durch eine Si(111)-(5\$\times\$2)-Au Rekonstruktion beschreiben lassen. Die aufgenommenen LEED-Bilder mit ihren markanten Beugungsreflexen und sogenannten Streifen deuten auf drei gleichwertige Rotationsdom{\"a}nen, die jeweils um einen Winkel von \unit{120}{\degree} gegeneinander gedreht sind, auf der Oberfl{\"a}che hin. Zudem konnte aus einer Simulation der Beugungsbilder das Auftreten von Streifen durch drei zus{\"a}tzliche Spiegeldom{\"a}nen, die eine Phasenverschiebung von einem halben {\"U}berstrukturvektor einf{\"u}hren und bei einer sorgf{\"a}ltigen LEED-IV Analyse ebenfalls ber{\"u}cksichtigt werden sollten, erkl{\"a}rt werden. Aus den in der Literatur nach einer zweiten Rekalibrierung der n{\"o}tigen Menge an Au-Atomen zur Ausbildung der Si(111)-(5\$\times\$2)-Au Rekonstruktion in den letzten Jahren heftig diskutierten Strukturmodellen gibt das von Kwon und Kang aufgestellte Geometriemodell (KK-Modell) die beobachteten energieabh{\"a}ngigen Intensit{\"a}tsmodulationen in den experimentellen Daten beim Vergleich mit theoretisch berechneten IV-Kurven am besten wieder. F{\"u}r dieses Modell nimmt der R-Faktor nach Pendry bei den unabh{\"a}ngig voneinander betrachteten drei Energieserien unter verschiedenen Einfallswinkeln der Elektronen auf die Probenoberfl{\"a}che stets den kleinsten Wert an. Unter der expliziten Ber{\"u}cksichtigung von Si-Adatomen, die sich zus{\"a}tzlich auf der Oberfl{\"a}che befinden und in einer (5\$\times\$4)-Einheitszelle beschrieben werden k{\"o}nnen, bleibt das KK-Modell das zu pr{\"a}ferierende Strukturmodell zur Beschreibung der ausgebildeten Au-Ketten und der Si-Honigwabenstruktur bei der Si(111)-(5\$\times\$2)-Au Oberfl{\"a}chenrekonstruktion. Im letzten experimentellen Kapitel wird ein zweidimensionales Elektronensystem -- die \$\alpha\$-Si(111)-(\$\sqrt{3}\times\sqrt{3}\$)R30\${\degree}\$-Sn Oberfl{\"a}chenrekonstruktion, die sich bei 1/3 ML an Sn-Adsorbaten auf dem Si(111)-Substrat ausbildet -- im Hinblick auf die atomare Struktur bei Raumtemperatur mit LEED und LEED-IV untersucht. Aus den insgesamt sechs in die Analyse aufgenommenen Strukturmodellen, bei denen die Sn-Atome innerhalb der rekonstruierten (\$\sqrt{3}\times\sqrt{3}\$)R30\${\degree}\$-Einheitszelle unterschiedliche Adsorptionspl{\"a}tze auf einer ideal terminierten Si(111)-Oberfl{\"a}che einnehmen, konnte ein Legierungsverhalten, wie es bei der \$\gamma\$-Si(111)-(\$\sqrt{3}\times\sqrt{3}\$)R30\${\degree}\$-Sn Phase auftritt, ausgeschlossen werden. Die Sn-Atome ordnen sich ausschließlich auf der Oberfl{\"a}che neu an und f{\"u}hren zu einer Relaxation des darunterliegenden Substrats, deren atomare Verschiebungen sich bis in die sechste Si-Lage nachverfolgen lassen. Im Vergleich zu fr{\"u}heren Strukturaufkl{\"a}rungen an diesem Materialsystem best{\"a}tigt diese Analyse, dass sich die abgeschiedenen Sn-Atome auf T\$_4\$-Adsorptionspl{\"a}tzen energetisch g{\"u}nstig anlagern, wobei die bei drei unterschiedlichen Einfallswinkeln aufgenommenen experimentellen Daten an unterschiedlichen Probenpositionen auf ein vorhandenes bzw. fehlendes Si-Atom auf einem S\$_5\$-Gitterplatz im darunterliegenden Si(111)-Substrat hindeuten. Außerdem konnte das theoretisch vorhergesagte dynamische Fluktuations-Modell aufgrund der sehr stark erh{\"o}hten thermischen Auslenkungen der Sn-Atome aus ihrer Gleichgewichtslage in den Modellrechnungen zur dynamischen Streutheorie nachgewiesen werden. Dies k{\"o}nnte neben den unregelm{\"a}ßig angeordneten Si-Fehlstellen eine Ursache f{\"u}r das Ausbleiben des strukturell reversiblen Phasen{\"u}bergangs von einer (\$\sqrt{3}\times\sqrt{3}\$)R30\${\degree}\$-Phase zu einer (3\$\times\$3)-Phase bei tiefen Temperaturen, wie er beispielsweise beim elektronisch vergleichbaren Adsorbatsystem Ge(111)-(\$\sqrt{3}\times\sqrt{3}\$)R30\${\degree}\$-Sn auftritt, sein.},
  subject      = {Schwere-Fermionen-System},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Halbig2019,
  author    = {Halbig, Benedikt},
  title     = {Surface Raman Spectroscopy on Ordered Metal Adsorbates on Semiconductor Substrates and Thin Intermetallic Films},
  doi       = {10.25972/OPUS-18138},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-181385},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Surface systems attract great scientific attention due to novel and exotic properties. The atomically structured surfaces lead to a reduced dimensionality which alters electronic correlations, vibrational properties, and their impact on each other. The emerging physical phenomena are not observed for related bulk materials. In this thesis, ordered (sub)monolayers of metal atoms (Au and Sn) on semiconductor substrates (Si(111) and Ge(111)) and ultrathin intermetallic films (CePt5 and LaPt5) on metal substrate (Pt(111)) are investigated by polarized in situ surface Raman spectroscopy. The surface Raman spectra exhibit features of specific elementary excitations like surface phonons and electronic excitations, which are suitable to gain fundamental insights into the surface systems. The Au-induced surface reconstructions (5x2) and (r3xr3) constitute quasi-one- and two-dimensional Au structures on the Si(111) substrate, respectively. The new reconstruction-related Raman peaks are analyzed with respect to their polarization and temperature behavior. The Raman results are combined with firstprinciples calculations to decide between different proposed structural models. The Au-(5x2)/Si(111) reconstruction is best described by the model of Kwon and Kang, while for Au-(r3xr3)/Si(111) the conjugate honeycomb-chained-trimer model is favored. The Sn-induced reconstructions with 1/3 monolayer on Ge(111) and Si(111) are investigated to reveal their extraordinary temperature behavior. Specific surface phonon modes are identified that are predicted within the dynamical fluctuation model. Contrary to Sn/Si(111), the corresponding vibrational mode of Sn/Ge(111) exhibits a nearly harmonic character. The reversible structural phase transition of Sn/Ge(111) from (r3xr3) to (3x3) is observed, while no phase transition is apparent for Sn/Si(111). Moreover, Raman spectra of the closely related systems Sn-(2r3x2r3)/Si(111) and thin films of a-Sn as well as the clean semiconductor surfaces Si(111)-(7x7) and Ge(111)-c(2x8) are evaluated and compared. The CePt5/Pt(111) system hosts 4f electrons whose energy levels are modified by the crystal field and are relevant for a description of the observed Kondo physics. In contrast, isostructural LaPt5/Pt(111) has no 4f electrons. For CePt5/Pt(111), distinct Raman features due to electronic Raman scattering can be unambiguously related to transitions between the crystal-field states which are depth-dependent. This assignment is supported by comparison to LaPt5/Pt(111) and group theoretical considerations. Furthermore, the vibrational properties of CePt5 and LaPt5 reveal interesting similarities but also striking differences like an unusual temperature shift of a vibration mode of CePt5, which is related to the influence of 4f electrons.},
  subject      = {Raman-Spektroskopie},
  language  = {en}
}