4-Spitzen STM-SEM
Final Report Abstract
Das 4-Spitzen STM/SEM Großgerät wird in erster Linie für Experimente zur Oberflächenleitfähigkeit unter Ultra-Hoch-Vakuumbedingen eingesetzt. Laufenden Projekte sowie erste wissenschaftliche Ergebnisse sollen im Folgenden kurz skizziert werden: (i) Graphen und Graphen Nanostrukturen: Graphenschichten sind sowohl mittels Molekularstrahlepitaxie auf Mica und Ge(100) als auch via Sublimationsepitaxie auf SiC(0001) Oberflächen abgeschieden und hinsichtlich der Leitfähigkeit im Detail charakterisiert worden. Der Nachweis des 2D Transportverhaltens konnte durch gezielte Variation der Kontaktabstände zwischen 100nm und 100µm nachgewiesen werden. Elektron-Phonon Kopplung wurde mittels Variation der Temperatur zwischen 30K-300K näher untersucht. Anhand von atomar aufgelösten STM-Bildern und lokalen Spektroskopiemessungen wurde zudem die STM-Performance des Großgerätes getestet und die atomistischen Größen mit den Transportdaten korreliert. Darüber hinaus ist am Beispiel von Graphen auch die 4-Punkt-Methode selbst näher untersucht worden. Neben der Kontaktgeometrie sind ebenso Größe der Kontakte sowie die Abstände der Kontakte vom Rand entscheidend. Die systematische Permutation von Strom- und Spannungskontakten (kollineare vs. dual-config Methode) hat uns hier einen Zugang hinsichtlich etwaiger Korrekturfaktoren gegeben. Jüngst sind Graphen-Nanostrukturen in den Fokus unserer Untersuchungen gerückt. Im Gegensatz zu den oben genannten Arbeiten werden hier MESA-strukturierte SiC-Substrate benutzt, so dass sich in Folge eines anschließenden Heizschrittes an definierten Stellen der isolierenden Unterlage Graphen Nanostrukturen epitaktisch wachsen lassen. So konnte mit dem vorhandenen Aufbau ein ballistisches Transportverhalten in diesen 40nm breiten und zickzack-orientierten Streifen identifiziert werden. Im Gegensatz zum diffusen Transportverhalten in den o.g. Systemen fungieren hier die Kontakte selbst als Streuzentren (invasive Kontakte), d.h. 2-Punkt und 4-Punkt Messungen liefern de-facto identische Ergebnisse. (ii) Topologische Isolatoren: Neben den Graphen-basierten Systemen sind ebenso spin-polarisierte Systeme untersucht worden. Anhand von Bi2Te2Se-Proben konnte in Kooperation mit der Gruppe von Philipp Hofmann (Aarhus) erstmals direkt mit unserer Transportmethode die Leitfähigkeit des topologisch nicht-trivialen Oberflächenzustandes nachgewiesen werden. Bisher ist ein Nachweis des 2D Elektronengases anhand von SdH Oszillationen unter Brechung der Zeitumkehr Invarianz erbracht worden. Im Gegensatz zu Bi2Se3 zeichnen sich die ternären Legierungsverbindungen durch eine stabilere Oberfläche aus, so dass Beiträge der Volumenbänder weitestgehend unterdrückt sind, wie durch Photoemissionsmessungen an der gleichen Probe bestätigt werden konnte. Bei Substrattemperaturen von 30K weist das Volumen selbst keine dominierende Leitfähigkeit auf (5 Ωcm) und der Transport ist durch die Oberflächenzustände selbst bestimmt. Die elektronische Mobilität der Ladungsträger im TI-Zustand konnte mit dem 4-Spitzen STM zu ca. 400 cm2/Vs bestimmt werden. (iii) Metallische Adsorbatsysteme auf halbleitenden Substraten: Die Adsorption von diversen Metallen wie In,Au,Ag,Dy,.. auf halbleitenden Si- und Ge-Oberflächen (inklusive deren vizinalen Entsprechungen) führt zur Ausbildung von definierten Bündeln von atomaren Drähten. Aufgrund der starken Anisotropie weisen viele dieser Monolagenstrukturen ein quasi eindimensionales (1D) Verhalten auf. In diesem Teilprojekt, das in die Forschergruppe FOR1700 eingebunden ist, sollen die Transporteigenschaften dieser Strukturen näher untersucht werden. Ziel ist dabei, den Einfluss von (atomaren) Defekten auf Metall-Isolator Übergänge (MIT) in CDW-Systemen, sowie elektronische Korrelationseffekte mit der Methode des Oberflächentransportes zu studieren. Am Beispiel der (4x1)-In/Si(111) Struktur konnte bei Raumtemperatur durch Variation der Winkel einer quadratischen 4-Punkt-Messung relativ zur mikroskopischen Orientierung der atomaren Drähte die Anisotropie bestimmt werden. Kollineare Transportmessungen haben zudem einen MIT bei 125K gezeigt, der mit einem strukturellen Phasenübergang einhergeht. Momentan kombinieren wir die Methode der Epitaxie und die der lokalen Transportmessungen mit einer sog. in-situ Lithographie, die es uns erlaubt, diese Drahtstrukturen in definierten Feldern zu wachsen, um so einen systematischen Zugang zum Einfluss von finite size Effekten in endlichen 2D-Ensembles zu studieren.
Publications
- “Molecular Beam Epitaxy of Graphene on Mica”. Stat. Sol. A 209, 627 (2012)
G. Lippert et al.
- Edge-states in graphene nanoribbons: a combined spectroscopy and transport study”. JPCM 25, 392001 (2013)
J. Baringhaus et al.
- „Local transport measurements on epitaxial graphene”. Appl. Phys. Lett. 103, 111604 (2013)
J. Baringhaus et al.
- „Exceptional ballistic transport in epitaxial graphene nanoribbons“. Nature, 506, 349 (2014)
J. Baringhaus et al.
(See online at https://doi.org/10.1038/nature12952) - „Graphene Grown on Ge(001) from Atomic Source”. Carbon, 75, 104 (2014)
G. Lippert, et al.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.03.042)
