Temperature dependence of atomic core levels in solids II. Chemical shift and relaxation energy of core levels and their dependence on temperature

Abstract

For the first time a n explicit investigation is made of the T-dependence of atomic core levels in non-metallic solids and shown that this dependence can be of the same order as that one of electronic energy bands. The basis for these investigations are models for the chemical and the relaxation shift of core levels, which lead to absolute core-level energies and their shifts in agreement with corresponding photoemission data. After separation of the T-dependence of conduction-band and core-erciton energies of Gap, Si, and Si02 (Part I of this work), which is involved in the total T-dependence of corresponding core-level to conduction-band transitions, it is shown in the present part that multiphonon and hydrostatic processes lead to large and different T-coefficients of the Si2p level in Si and SiO,, whereas the different contributions to the T-dependence of the Ga3d level in GaP give an almost vanishing total effect. Furthermore, it is shown that the main contributions t o the T-dependence of atomic core levels in semiconductors and insulators come from the electrostatic interaction of the core electrons with their environment, whereas the T-dependence of relaxation energies is very small. The results are in agreement with data, which are deduced from corresponding experiments performed by Aspnes e t a].. Erstmalig wird eine explizite Untersuchung der T-Abhangigkeit atomarer Rumpfniveaus in nichtmetallischen Festkorpern durchgefiihrt und gezeigt, daB diese Abhangigkeit von derselben Ordnung wie die der elektronischen Energiebander sein kann. Die Basis fur diese Untersuchungen sind Modelle fur die chemische und die Relaxationsverschiebung yon Rumpfniveaus, die zu absoluten Rumpfniveauenergien und ihren Verschiebungen in Ubereinstimmung mit entsprechenden Photoemissionsdaten fuhren. Nach Separation der T-Abhangigkeit von Leitungsband-und Rumpfexzitonenenergien von Gap, Si und SiO, (Teil I dieser Arbeit), die in der totalen T-Abhlngigkeit entsprechender Rumpfniveau-Leitungsband-ubergange enthalten ist, wird im vorliegenden Teil dieser Arbeit gezeigt, darj Multiphononen-und hydrostatische Prozesse zu grorjen und unterschiedlichen T-Koeffizienten des Si2p-Niveaus in Si und Si02 fuhren, wohingegen die unterschiedlichen Beitrage zur T-Abhangigkeit des Ga3d-Niveaus in GaP einen verschwindenden Gesamteffekt ergeben. Aurjerdem wird gezeigt, da13 die Hauptbeitrage zur T-Abhangigkeit atomarer Rumpfniveaus in Halbleitern und Isolatoren von der elektrostatischen Wechselwirkung der Rumpfelektronen mit ihrer Umgebung herriihren, wahrend die T-Abhlngigkeit von Relaxationsenergien sehr klein ist. Die Ergebnisse befinden sich in Ubereinstimmung mit Daten, auf die aus entsprechenden Experimenten von Aspnes e t al. geschlossen wird.