Experimentelle Methoden zum Studium der Korrelationen und der Elektron-Phonon Wechselwirkung

Experimentelle Methoden zum Studium der Korrelationen und der Elektron-Phonon Wechselwirkung

Foto eines hochauflösenden Photoelektronenspektrometers
Hochauflösendes Photoelektronenspektrometer

In unserer Arbeitsgruppe wird die winkelaufgelöste Photoemission (ARPES) und die Tieftemperatur-Rastertunnelspektroskopie eingesetzt, um neue Erkenntnisse über die Kopplungen in neuen Materialien und in nanostrukturierten Oberflächen zu gewinnen. Alle Experimente werden im Ultrahochvakuum durchgeführt, um atomar saubere Probenoberflächen zu haben. Bei der winkelaufgelösten Photoemission wird die Probe mit UV-Licht einer bestimmten Energie zwischen 10 und 50 eV bestrahlt. Durch den Photoeffekt werden Elektronen ausgelöst, die ins Vakuum übertreten. Aus der Richtung und der Energie der Elektronen kann mit sehr hoher Genauigkeit Energie und Impuls der Elektronen im Innern des Kristalls bestimmt werden. Diese Methode wird seit 25 Jahren zur Messung der Bandstruktur von Festkörpern eingesetzt. In den letzten 10 Jahren konnte die Auflösung erheblich verbessert werden, so dass heute auch aus der gemessenen Linienbreite Informationen gewonnen werden können. Die Linienbreite ist umgekehrt proportional zur Lebensdauer der elektronischen Zustände und bietet daher den Zugang zur Messung von Korrelationseffekten. Der Vorteil gegenüber Methoden aus der klassischen Festkörperphysik ist die hohe Auflösung im reziproken Raum (k-Raum), die es erlaubt, die Kopplungen einzelner Zustände an bestimmten k-Raum-Punkten zu messen. Bei klassischen Methoden wie Transport- oder Zyklotron-Resonanzfrequenz wird dagegen über Bereiche der Brillouinzone integriert. Besonders zuverlässig kann mit ARPES die Zunahme der effektiven Masse durch Elektron-Phonon-Kopplung gemessen werden.

Bei der Rastertunnelmikroskopie besteht die einzigartige Möglichkeit einzelne Nanostrukturen direkt zu untersuchen und Spektren an diesen zu messen. Misst man den Tunnelstrom I als Funktion von der angelegten Spannung V bei festem Abstand, so erhält man ein Signal, dass proportional zum Integral über die Zustandsdichte r der Probe ist. In besonders stabilen Mikroskopen ist es möglich mit Lock-In Technik ein dI/dV Signal zu messen, das direkt proportional zur lokalen Zustandsdichte ist. In Nanostrukturen sind die elektronischen Zustände quantisiert. Dies führt bei eindimensionalen Strukturen zu sogenannten Van Hove Singularitäten in der Zustandsdichte und bei Quantenpunkten zu diskreten Eigenzuständen. Aus der Verbreiterung der Energieniveaus kann nun wiederum die Lebensdauer gemessen werden. In unserer Arbeitsgruppe haben wir ein Tieftemperatur-Tunnelmikroskop in Betrieb, das mit flüssigem Helium gekühlt wird und bei T = 5 K arbeitet. Es ist so stabil gegen thermische Drift und Erschütterungen, dass hochauflösende Spektroskopie betrieben werden kann. Wir haben erfolgreich die Lebensdauer von Zuständen in eindimensionalen und nulldimensionalen Nanostrukturen mit Ausdehnungen < 5 nm gemessen und die Abhängigkeit von Größe und Dimensionalität der Strukturen untersucht.


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