Plasmonic excitations and coupling in atomic wires

Abstract

Metal-induced atomic wires on the semiconductor surfaces are the ultimate limit of long-range ordered quasi-one-dimensional electronic systems. In this thesis, the plasmonic excitations and their coupling with the structural parameters, as well as the role of the embedding medium on the Au atomic wires, self-organized on flat and high-indexed Si surfaces were investigated. The atomic wire systems in the focus of this thesis, Si(111)-(5×2)-Au and Si(hhk)-(1×2)-Au, were generated by adsorption of submonolayers of gold onto the reconstructed surfaces. These systems feature a broad range of characteristics that can exemplarily be classified based on the number of atomic chains per terrace, inter-wire spacing, local structure of step edges, number of metallic bands and band filling. High-resolution EELS-LEED and SPA-LEED were used as the main experimental methods to address the mentioned properties and furthers. These experimental results were compared with the atomistic DFT calculations. Moreover, for the Si(553)-Au system, IR transmittance experiments were performed to investigate the optically active standing wave formation after oxidation. As a prominent property of conductive electrons, collective excitation is strongly coupled to the crystal lattice, electronic band structure, electronic and spatial confinement as well as properties of the surrounding physical media. This makes plasmonic excitation an adequate tool to probe a variety of interactions and coupling between those parameters associated with metallic structures. Taking this advantage, the present thesis investigates plasmonic excitations and their coupling to structural and environmental parameters. As a result of this investigation, a strong cross-coupling of the electronic and structural properties was revealed. For example, electronic doping to the Si(553)-Au system enhances order along the wires, which also results in band gap opening at the same time. Moreover, modification of individual structural motifs on the Si(557)-Au surface leads to a unique rearrangement of the band structure while preserving the metallicity. Also, combining the plasmon dispersion with calculated band structures, the kinetic sequence of the oxidation of the different atomic groups could be studied. For most investigated systems, an almost quantitative agreement between atomistic calculations and plasmon spectroscopy results was achieved, validating the calculated band structure and model used. In particular, the unoccupied part of the band structure was investigated for atomic wire systems. As an example, for the very first time unoccupied electronic band structure of the Si(111)-(5×2)-Au surface was investigated by comparing plasmon dispersion with the available DFT calculated bands. Moreover, doping of the latter surface with surplus Au and atomic H resulted in a metal-insulator transition. However, due to their highly robust anisotropic structure and electronic properties, the doping and oxidation of Si(hhk)-Au systems underline more specific mechanisms in the fine-tuning of metallicity. Some of these particular mechanisms include switching of bands, electronic interaction of adjacent terraces, cross-talking of dimerization and band gap opening, self-healing of defects, robust metallicity due to the site-specific oxidation, and indirect charge transfer to the metallic states, etc. have been extensively studied in this thesis.

Metallische atomare Drähte auf Halbleiteroberflächen stellen die physikalische die Grenze für langreichweitige geordnete quasi-eindimensionale elektronische Systeme dar. In dieser Arbeit wurden sowohl plasmonische Anregungen und deren Kopplung mit strukturellen Parametern, als auch die Rolle des Trägermaterials auf atomare Golddrähte untersucht, die durch Selbstorganisation auf flachen und gestuften Silizium-Flächen hergestellt wurden. Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit sind die Systeme Si(111)-(5×2)-Au und Si(hhk)-(1×2)-Au, die durch die Adsorption von Submonolagen Gold auf rekonstruierte Siliziumoberflächen hergestellt wurden. Diese Systeme zeigen eine Reihe von Charakteristika, die anhand der Anzahl an atomaren Ketten pro Terrasse, dem Abstand der Ketten, der lokalen Struktur der Stufenkanten und der Anzahl metallischer Bänder klassifiziert werden können. Hochauflösendes EELS-LEED und SPA-LEED wurden als experimentelle Hauptmethoden zur Analyse der genannten Eigenschaften verwendet. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit atomistischen DFT-Rechnungen verglichen und diskutiert. Weiterhin, wurden für das Si(553)-Au-system IR-Transmissionsexperimente durchgeführt, um die optisch stehenden Welle nach der Oxidation zu untersuchen. Als markante Eigenschaft metallischer Ladungsträger ist deren kollektive Anregung stark verknüpft mit dem Kristallgitter, der elektronischen Bandstruktur, der räumlichen Einengung sowie mit den Eigenschaften des umgebenden Materials. Dies macht plasmonische Anregung zu einem adäquaten Werkzeug um die vielen Wechselwirkungen und Kopplungen, die mit den metallischen Strukturen verbunden sind, zu untersuchen. Basierend auf diesem Ansatz, analysiert die vorliegende Arbeit die plasmonischen Anregungen und ihre Kopplung zu strukturellen und Umgebungsparametern. Als ein Ergebnis dieser Untersuchungen, konnte eine starke Kopplung zwischen den elektronischen und strukturellen Parametern aufgezeigt werden. Beispielweise verbessert elektronische Dotierung des Si(553)-Au-Systems die Ordnung in den Ketten, bei gleichzeitiger Öffnung einer Bandlücke. Weitere Modifikationen von strukturellen Gegebenheiten in dem System führen zu einer einzigartigen Neuordnung der Bandstruktur bei Aufrechterhaltung der metallischen Eigenschaften. Des Weiteren konnte durch eine Kombination der Plasmonendispersion und der Bandstruktur die kinetischen Sequenz des Oxidationsprozesses verschiedener atomarer Gruppen untersucht werden. Für einen Großteil der untersuchten Systeme, konnte eine nahezu quantitative Übereinstimmung zwischen den atomaren Berechnungen und den Ergebnissen der Plasmonenspektroskopie erzielt werden, wodurch sowohl die berechnete Bandstruktur als auch das verwendete Modell verifiziert wurden. Im Speziellen konnte erstmalig der unbesetzte Teil der Bandstuktur atomarer Kettensysteme untersucht werden, beispielweise die unbesetzte Bandstruktur von Si(111)-(5×2)-Au, die durch den Vergleich der Plasmonendispersion mit den durch DFT Rechnungen ermittelten Bändern untersucht wurde. Eine Dotierung der genannten Oberfläche mit überschüssigen Gold- oder Wasserstoffatomen führt zu einem Metall-Isolator-Übergang. Durch die Robustheit der anisotropen Struktur und der elektronischen Eigenschaften, stellt die Dotierung und Oxidation von Si(hhk)-Gold Systemen spezifische Mechanismen für die Feinabstimmung der metallischen Eigenschaften heraus. Einige dieser Effekte, wie das Abschalten von Bändern, elektronische Wechselwirkung zwischen benachbarten Terrassen, die gegenseitige Beeinflussung von Dimerisation und der Öffnung einer Bandlücke, Selbstheilung von Defekten, robuste metallische Charakteristika durch die positionsspezifische Oxidation, der indirekte Ladungsübertrag auf die metallischen Zustände, etc. wurden in dieser Arbeit detailliert untersucht.