Electron spectroscopic study of electronic and morphological modifications of the WSe2 surface induced by Rb adsorption

Buck, Jens

The rubidium-covered surface of the semiconducting transition metal dichalcogenide tungsten diselenide (WSe2) is examined using photoelectron spectroscopy (PES) and photoemission electron microscopy (PEEM). Adsorbed Rb is known to induce a variety of effects in this system concerning electronic, structural, and mechanical properties. In this work, the surface potential created by charge transfer upon Rb deposition is examined in thermal equilibrium (band bending) and stationary non-equilibrium (surface photovoltage (SPV) effect), which is induced by the absorption of light. It will be shown that combined measurements and numerical simulations of the SPV effect as a function of the photon flux can be exploited for the estimation of many material parameters of the system, especially of the unoccupied adsorbate state. Issues of extending a conventional photoelectron spectrometer setup by a secondary light source will be discussed in the context of simulations and calibration measurements. The customization of an existing theoretical model of the SPV effect for the WSe2 : Rb system is introduced and a comprehensive validation of the obtained predictions will be given in the context of experimental data. In addition, the self-organized formation of Rb domains at room temperature was examined by application of spatially resolved XPS spectroscopy using the PEEM setup at the end station of beamline UE49/PGMa at the BESSY II synchrotron facility. From the obtained results, the arrangement of Rb in surface lattices can be concluded. Furthermore, an X-Ray absorption study of self-organized nanostructure networks, aiming at the chemical characterization, is presented. Based on the interpretation of the examined structures as tension-induced cracks, a statistical approach to analyzing large-scale features was pursued. First accordance with the predictions made by a primitive, mechanical model of crack creation developed here gives gives some evidence for the validity of the proposed structure creation mechanism. A detailed analysis of technical aspects of processing spatially resolved photoemission data was carried out during this work. Several novel methods were developed as compensation for well-known technical limitations of the experimental setup. As will be shown, specific perturbations of PEEM data can be eliminated efficiently hereby, so comparability of all data channels in a detector image is granted. Extensive tests with actual experimental data prove the great applicability of the approaches made here. Though usually having low individual quality, the large number of data channels allows for novel approaches to the classification of spectroscopic data. A concept originating from the field of data mining was ported to work with photoemission spectra and is applied here as an aid to the recognition of spatial structures from spectral features.

Inhalt der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen der rubidiumbedeckten Oberfläche des halbleitenden Übergangsmetalldichalkogenids Wolframdiselenid (WSe2) durch Photoelektronenspektroskopie (PES) und Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM). Vielfältige, Rb-induzierte Effekte mit Auswirkungen auf elektronische, strukturelle und mechanische Eigenschaften sind von diesem System bekannt. Diese Arbeit ist der Untersuchung des Oberflächenpotentials als Folge des Ladungstransfers bei der Adsorption von Rb gewidmet. Wie gezeigt werden wird, können durch ein theoretisches Modell unterstützte Messungen des Potentials im thermischen Gleichgewicht ('Bandverbiegung') und im lichtinduzierten, stationären Nichtgleichgewicht ('surface photovoltage'(SPV)-Effekt) in Abhängigkeit von der Lichtintensität zur Bestimmung einer Reihe von Materialkonstanten, insbesondere des unbesetzten Oberflächenzustands, herangezogen werden. Die Wirksamkeit spezieller Maßnahmen zur Integration einer Sekundärlichtquelle in einen konventionellen PES-Aufbau wird anhand von Simulationsrechnungen und Kalibrierungsmessungen belegt. Umfassende Anpassungen eines bestehenden Modells des SPV-Effekts an das untersuchte System werden diskutiert. Anhand von experimentellen Daten wird die Gültigkeit des Modells demonstriert. Das selbstorganisierte Wachstum von Rubidiumdomänen bei Raumtemperatur konnte mit Hilfe von ortsaufgelöster XPS-Spektroskopie am PEEM-Experiment an der Beamline UE49/PGMa an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II beobachtet werden. Die hier vorgestellten Daten lassen auf die Existenz von Rb-Oberflächengittern schließen. Neben den beobachteten, relativ großen Domänen auf der Mikrometerskala wurden ausgedehnte Netzwerke linearer Nanostrukturen spektroskopisch vermessen. Ein Ansatz zur chemischen Charakterisierung dieser Strukturen mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie wird hier präsentiert. Ausgehend von der Annahme, dass die beobachteten Strukturen Spannungsrisse der Oberfläche repräsentieren, wurde eine statistische Analyse geometrischer Eigenschaften durchgeführt und mit den Voraussagen eines zu diesem Zweck entwickelten, stark vereinfachten Modells der Rissverteilung verglichen. Eine erste Übereinstimmung der daraus abgeleiteten Aussagen mit den experimentellen Daten gibt Hinweise auf die Gültigkeit der hierfür gemachten Annahmen. Besondere Aufmerksamkeit wurde technischen Aspekten der Datenverarbeitung von PEEM-Daten gewidmet. Einige neue Ansätze wurden entwickelt, um den Einfluss wohlbekannter Störungen in den Daten zu quantifizieren und zu entfernen. Wie anhand zahlreicher Beispiele unter realistischen Bedingungen gezeigt wird, gelingt dies mit einer derartigen Effizienz, dass die Vergleichbarkeit aller parallel gemessenen Spektren im Detektorbild sichergestellt ist. Obwohl die Information eines einzelnen Datenkanals fürgewöhnlich eine relativ schlechte Qualität aufweist, ermöglicht die große Zahl parallel gemessener Spektren neue Ansätze zur Klassifizierung der erworbenen Daten. Hier wird ein Konzept aus dem Gebiet des 'Data Mining' auf spektroskopische Daten übertragen und unter anderem zur Strukturerkennung anhand von spektraler Information eingesetzt.

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Buck, Jens: Electron spectroscopic study of electronic and morphological modifications of the WSe2 surface induced by Rb adsorption. 2010.

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