XPS and XPD investigations of low-dimensional silicon-based surface-structures
Creators: name: Schmitz, Marie
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2021
Subjects: subject: X-ray
subject: Photoelectron spectroscopy (XPS)
subject: X-ray photoelectron diffraction (XPD)
subject: Low-energy electron diffraction (LEED)
subject: Nanostructures
subject: Surface reconstruction
subject: 530
subject: Photoelektronenspektroskopie
subject: Grenzflächenphysik

description: This work deals with the analysis of the structural arrangement and the chemical properties of two silicon-based surface systems. The investigation is performed using x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), x-ray photoelectron diffraction (XPD), and low-energy electron diffraction (LEED) techniques. Before the investigation of the systems, the clean and reconstructed surfaces are investigated using XPS, XPD, and LEED. Initially, a system with sub-monolayer platinum on a p(2 × 1) reconstructed Si(100) substrate is prepared via electron beam evaporation. At 1/6 ML Pt a low-dimensional Si-Pt silicide forms after high temperature annealing at approximately T ≈ 1000 °C. High-resolution core-level XPS spectra of the Si 2p and Pt 4f signals indicate a bond between the Si and the Pt atoms. There is no significant component that could show a Pt-Pt interaction. XPD measurements are taken of the Si 2p and Pt 4f signals and subsequently simulated using different starting structures. The best structure model reveals R-factors below 0.1 for both, Si 2p and Pt 4f signals. The unit cell of the structural arrangement contains 4 platinum atoms with a periodicity of ([3, −6]; [4, 0]). The topmost silicon layer rearranged in a cross-like structure between the Pt atoms. As second system, silicon is deposited onto a (2 × 1) reconstructed Au(110) surface, forming a low-dimensional surface alloy. While the sample is held on a temperature of T = 400 °C, 0.2 ML silicon are deposited via physical vapor deposition. The investigation with LEED reveals a combination of two overlapping domains described by the matrices ([10, −2]; [−1, 4]) and ([10, 2]; [1, 4]). High-resolution core-level XPS measurements of the Au 4f and Si 2p signals showed two distinct components that could be assigned to Au-Si bonds. XPD pattern, recorded for Au 4f and Si 2p are simulated with different structural arrangements. R-factors below 0.1 indicate an excellent agreement with the measured data. The resulting structure model is consistent with the size of the unit cell obtained in the LEED measurement. Additionally, it agrees with the missing-row reconstruction of the substrate. In the structure model, the topmost Au atoms are arranged between the Si atoms.
description: Diese Arbeit befasst sich mit der Analyse der strukturellen Anordnung und den chemischen Eigenschaften von zwei siliziumbasierten Oberflächensystemen. Die Untersuchung wird mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), der Röntgenphotoelektronenbeugung (XPD) und der Niederenergie-Elektronenbeugung (LEED) durchgeführt. Vor der Untersuchung der Systeme werden die sauberen und rekonstruierten Oberflächen mit XPS, XPD und LEED untersucht. Zunächst wird ein System mit einer dünnen Schicht Platin auf einem p(2 × 1) rekonstruierten Si(100)-Substrat durch Elektronenstrahlverdampfung hergestellt. Bei 1/6 ML Platin bildet sich nach dem Ausheilen bei etwa T ≈ 1000 °C ein niedrigdimensionales Si-Pt Silizid. Hochauflösende XPS-Spektren der Si 2p- und Pt 4f-Signale weisen auf eine Bindung zwischen den Silizium- und Platinatomen hin. Es gibt eine signifikante Komponente, die eine Pt-Pt-Wechselwirkung anzeigen könnte. Es werden XPD-Messungen der Si 2p- und Pt 4f-Signale durchgeführt und anschließend mit verschiedenen Ausgangsstrukturen simuliert. Das beste Strukturmodell ergibt R-Faktoren unter 0,1 sowohl für Si 2p- als auch für Pt 4f-Signale. Die Einheitszelle der Strukturanordnung enthält 4 Platinatome mit einer Periodizität von ([3, −6]; [4, 0]). Die oberste Siliziumschicht ordnet sich in einer kreuzförmigen Struktur zwischen den Platinatomen um. Als zweites System wird Silizium auf eine (2 × 1) rekonstruierte Au(110)-Oberfläche abgeschieden, wodurch eine niedrigdimensionale Oberflächenlegierung gebildet wird. Während die Probe auf einer Temperatur von T = 400 °C gehalten wird, werden 0,2 ML Si durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht. Die Untersuchung mit LEED ergibt eine Kombination aus zwei sich überlappenden Bereichen, die durch die Matrizen ([10, −2]; [−1, 4]) und ([10, 2]; [1, 4]) beschrieben wird. Hochauflösende XPS-Messungen der Au 4f- und Si 2p-Signale zeigen zwei unterschiedliche Komponenten, die Au-Si-Bindungen zugeordnet werden können. XPD-Muster, die für Au 4f und Si 2p aufgezeichnet werden, werden mit unterschiedlichen strukturellen Anordnungen simuliert. R-Faktoren unter 0,1 zeigen eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit den gemessenen Daten. Das resultierende Strukturmodell stimmt mit der Größe der Einheitszelle überein, die bei der LEED-Messung ermittelt wurde. Außerdem stimmt es mit der Rekonstruktion der fehlenden Reihen des Substrats überein. In dem Strukturmodell sind die obersten Goldatome zwischen den Siliziumatomen angeordnet.