Dissertation (Metadaten)
Titel:Ultraschnelle Dynamik der Si(001)-Oberfläche
 
Autor:Jan van Heys
 
URN:NBN:urn:nbn:de:gbv:8-diss-30179
 
Fakultät:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC Sachgebiet:530 Physik
 
Datum der mdl. Prüfung:04.12.2007
 
Referent(in):Prof. Dr. Eckhard Pehlke
Korreferent(en) Korreferentin:Prof. Dr. Heinz Georg Schuster
 
Beschreibung (original):Die Si(001)-Oberfläche eignet sich aufgrund einer starken Jahn-Teller-artigen Kopplung zwischen elektronischer und geometrischer Struktur als Modellsystem zum Studium atomarer Oberflächenschwingungen, die als direkte Folge einer elektronischen Laser-Anregung entstehen. Die Oberflächenbandstruktur der Si(001)-Oberfläche zeichnet sich durch vollständig besetzte und unbesetzte Orbitale an den gebrochenen Bindungen der Si-Oberflächendimere aus, die mit einer Neigung der Dimere von 19 Grad gegen die Oberfläche verbunden sind. Eine elektronische Anregung zwischen diesen Orbitalen, die durch Einstrahlung von ultrakurzen Laserpulsen mit einer Dauer weniger Femtosekunden erreicht werden kann, führt zu einer Dynamik der Besetzungszahlen und infolgedessen zu einer Dynamik der Dimeratome. In der vorliegenden Arbeit wird sowohl die elektronische Anregung, die durch den Laserpuls induziert wird, als auch die folgende Dynamik der Dimere mit unterschiedlichen auf die jeweilige Zeitskala angepassten Methoden detailliert untersucht. Die nicht-adiabatische Dynamik der Elektronen wird mit ab-initio Molekulardynamik im Rahmen der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie (TDDFT) beschrieben, während die Ionen gleichzeitig einer Ehrenfest-Dynamik folgen. Es zeigt sich, dass eine weitgehend an der Oberfläche lokalisierte elektronische Anregung mit einem Femtosekunden-Laserpuls der Photonenenergie von 1,7 eV (in adiabatischer Näherung für Austausch und Korrelation) erreicht werden kann. Laserintensitäten von etwa 20 TW/cm2 bei einer Dauer von 12 fs (Halbwertsbreite) führen zu Anregungen in den Oberflächenzuständen von etwa einem halben Elektron pro Dimer. Durch die elektronische Anregung wird die energetische Bevorzugung der Jahn-Tellerverzerrten Oberfläche verringert. Dies fuehrt zu einer Dynamik, die am ausgeprägtesten im Verkippungswinkel zu beobachten ist. Die Zeitskala, auf der die Dimerwinkeldynamik abläuft, liegt im Bereich typischer Phononenperioden der Si(001)-Oberfläche. Aufgrund des großen experimentellen Interesses an der Dynamik der Si(001)-Oberfläche werden aus den Simulationen abgeleitete Beiträge zu Messgrößen präsentiert, wie beispielsweise Anfangszustandseffekte von Surface-Core-Level-Shifts. Zur Beschreibung des Abklingverhaltens der Dimerschwingung auf der Pikosekundenskala wird eine neue Methode präsentiert, die eine Born-Oppenheimer-Molekulardynamik im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie mit einer Molekulardynamik kombiniert, die auf einem parametrisierten Potential basiert (QM/MMVerfahren). Das Potential wird mit ab-initio berechneten interatomaren Kraftkonstanten parametrisiert. Mit solch einem kombinierten Verfahren ist es möglich, die Si(001)-Oberfläche im Rahmen der Quantenmechanik zu beschreiben und gleichzeitig durch sehr viele Volumenatome, die parametrisiert beschrieben werden, nahezu eine Halbraumgeometrie für die atomare Struktur des Festkörpers mit Oberfläche zu erzeugen. Dies ist notwendig, um das Abklingverhalten der Dimerwinkelschwingung in das Volumen richtig zu beschreiben. Es zeigt sich, dass die zunächst durch die elektronische Oberflächenanregung an der Oberfläche lokalisierte Dimerwinkelschwingung mit einer Zeitkonstanten von 2,6 ps abklingt. Ursache hierfür ist eine Dephasierung der aus Oberflächenresonanzen zusammengesetzten anfänglichen Lokalisierung der Schwingung.
 
(übersetzt):Due to the strong Jahn-Teller coupling between the geometric and the electronic structure on the Si(001) surface, this surface represents a model system for studying surface atomic motion in response to electronic excitation. The surface band-structure of the Si(001) surface is characterised by fully occupied and fully unoccupied dangling-bond orbitals located at the Si-dimer, which is buckled by 19 Grad with respect to the surface. The population and depopulation of these orbitals after a femtosecond laser excitation leads to pronounced dynamics of the surface dimer. This work presents results from ab-initio molecular dynamics simulations of the non-adiabatic motion of the electrons, which are treated within timedependent density-functional theory (TDDFT), and ions, which follow classical Ehrenfest dynamics. A femtosecond laserpulse with a photon energy of 1.7 eV (within ALDA) leads to an electronic excitation which is mainly located at the surface. Laser intensities of 20 TW/cm2 at a duration of 12 fs (FWHM) result in an excitation of approximately half an electron per dimer in the surface states. Due to the electronic excitation, the Jahn-Teller coupling is reduced. This initiates a strong motion of the dimer buckling angle on the time scale of typical silicon phonons. Initial-state contributions of surface core-level shifts have been deduced from the simulation in order to roughly approximate experimental data of surface core-level shifts. The decay of the dimer angle oscillation on a picosecond time scale can be described within a new method for combined density-functional molecular-dynamics on the Born-Oppenheimer surface and classical molecular dynamic using a parameterised potential (QM/MM). The potential used in the classical part of the simulation is parameterised by ab-initio inter-atomic force-constants. This allows a quantum mechanical description of the electronic structure of the silicon surface which is needed to describe the electronic effects at the dimer. Within the same simulation a huge number of bulk atoms can be inserted below the surface to model the solid. The bulk atoms simulated with the parameterised potential are essential to describe the decay of the oscillation into the solid. As a result of this method, a decay constant of 2.6 ps for the dimer angle oscillation can be deduced from the simulation. Initially the oscillation is localised at the surface. The decay results from the dephasing of the composition of surface resonances.
 
Schlagworte:DFT TDDFT Si(001) Oberfläche Molekulardynamik QM/MM Bandstruktur fs-Laserpulse Hybridverfahren Elektronische Anregung Kraftkonstanten
 
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