Light Emission from Multi-Electron Processes in the Scanning Tunneling Microscope

Peters, Peter-Jan ORCID

Light emission from noble metal junctions in a scanning tunneling microscope (STM) was investigated. The main subtopics are the determination of the local electronic temperature at the STM junction and light emission from multi-electron processes. A normalization scheme was derived in this thesis, based on the established model of single-electron STM light emission and experimental observations. The normalization was then applied to extract temperature information from STM light spectra. Temperatures in the order of 10s of Kelvins, depending on the applied bias and current, were found, in contrast to the results of many 1000s of Kelvins found in other publications. Using the normalization scheme, it was shown that the light intensity at these photon energies cannot be attributed to the thermal emission of an electron gas at elevated temperature and is instead to be interpreted as the result of electron-electron interaction. Measurements of light emission from a STM junction at photon energies more than two times the cutoff-energy of single-electron processes are shown for the first time. Distance dependent measurements prove a qualitatively different behavior of light emission at different photon energies ranges. Bias dependent measurements reveal a change of the slope of the spectra at distinct bias dependent thresholds. A quantitative model for light emission from multi-electron processes is developed. This semi-empirical extension of the one-electron case is in excellent agreement with spectra in most of the measured photon energy range. Deviations can be attributed to detection artifacts due to the low intensity of the light emission at high photon energy. The conductance dependence of the light intensity in each photon energy range is explained by the model in terms of Landauer-Büttiker conduction channels, in agreement with shot-noise measurements. Compatibility of the model with two alternative approaches found in the literature is shown.

Diese Arbeit behandelt Lichtemission von Edelmetallkontakten im Rastertunnelmikroskop (STM). Wesentliche Unterthemen sind die lokale Elektronentemperatur und Lichtemission aufgrund von Mehrelektronenprozessen. Es wurde ein Normierungsverfahren entwickelt, ausgehend vom bereits bekannten theoretischen Modell der Einzelelektronen-Lichtemission im STM, sowie von experimentellen Beobachtungen. Die Normierung wurde dann angewendet um Temperaturinformationen aus STM-Lichtspektren zu gewinnen. In Abhängigkeit von Spannung und Strom wurden Temperaturen in der Größenordnung von einigen 10 Kelvin gefunden. Dies steht im Kontrast zu Temperaturen von vielen 1000 Kelvin, welche in anderen Veröffentlichungen gefunden wurden. Mit dem Normierungsverfahrens wurde gezeigt, dass STM-Lichtspektren bei hohen Photonenenergien nicht einfach durch thermische Emission eines heißen Elektronengases erklärt werden können. Zum ersten Mal werden Lichtspektren aus dem Rastertunnelmikroskop bei Photonenenergien von mehr als dem doppelten der höchsten Energie von Einzelelektronenprozessen gezeigt. Abstandsabhängige Messungen zeigen ein qualitativ unterschiedliches Verhalten bei verschiedenen Photonenenergien auf. Normierte Lichtspektren bei verschiedenen Spannungen zeigen eine Änderung der Steigung bei bestimmten spannungsabhängigen Energien. Es wurde dann ein quantitatives Modell entwickelt, welches die Lichtemission aufgrund von Mehrelektronenprozessen beschreibt. Diese halbempirische Verallgemeinerung des Einzelelektronenmodells ist über einen weiten Photonenenergiebereich in hervorragende Übereinstimmung mit gemessenen Spektren. Abweichungen können als Messartefakte aufgrund der niedrigen Lichtintensitäten erklärt werden. Die Abhängigkeit der Lichtintensität vom Leitwert des Kontaktes wird im Rahmen von Landauer Büttiker-Leitungskanälen erklärt. Die Vereinbarkeit des hier entworfenen Modells mit zwei alternativen theoretischen Ansätzen wird gezeigt.

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Peters, Peter-Jan: Light Emission from Multi-Electron Processes in the Scanning Tunneling Microscope. 2018.

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