Transportregimes granularer Metalle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Granulare Metalle sind Modellsysteme für die Untersuchung des Zusammenspiels von elektronischen Wechselwirkungseffekten, der Quantisierung von Energieniveaus in nanometergroßen Strukturen und von Unordnung. Zwischen metallischen Nanopartikeln, die in eine elektrisch isolierende Matrix eingebettet sind, findet der Ladungstransport durch thermisch assistierte Tunnelprozesse statt. Die dafür relevante Energieskala Ec stellt die Ladeenergie dar, die aufgebracht werden muss, wenn auf einem einzelnen Metallpartikel eine Überschussladung aufgebracht werden soll. Die Stärke der Tunnelkopplung g zwischen benachbarten Partikeln bestimmt, ob sich ein granulares Metall bei tiefen Temperaturen isolierend (g < gc) oder elektrisch leitend (g > gc) verhält. Im Rahmen des Projektes wurden Untersuchungen zu den elektronischen Eigenschaften des granularen Metalls Platin-Kohlenstoff Pt(C) durchgeführt. Die Proben wurden dabei mittels der Methode der elektronenstrahl-induzierten Direktabscheidung (FEBID) präpariert, was eine sehr präzise Einstellung der Tunnelkopplung g ermöglicht. Somit konnte erstmals das Phasendiagramm der Transportregime eines granularen Metalls experimentell etabliert werden. Es zeigt sich in guter Übereinstimmung mit einem erst kürzlich theoretisch vorgeschlagenen Phasendiagramm. Zur Erstellung des Phasendiagramms wurden u. a. erstmals tunnelspektroskopische Messungen an einem granularen Metall auch im Bereich der schwachen Kopplung g < gc erfolgreich durchgeführt. Als wesentliches Ergebnis dieser Messungen ist festzuhalten, dass granulare Metalle im Bereich der schwachen Kopplung mit größter Wahrscheinlichkeit eine harte Energielücke im elektronischen Anregungsspektrum aufweisen, was eine über nun mehrere Jahrzehnte offene Frage beantwortet. In Untersuchungen der Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von einem äußeren Magnetfeld wurde weiterhin erstmals Hinweise auf eine magnetische Polarisation der Pt-Nanopartikel gefunden. Benachbarte Nanopartikel zeigen dabei die Tendenz einer entgegengesetzten magnetischen Polarisation. Unter Verwendung eines eigens entwickelten Bauelements für die Messung thermoelektrischer Effekte von Nanodrähten wurde eine systematische Untersuchung der Thermokraft des granularen Metalls Pt(C) über einen Bereich der Kopplungsstärke von g < gc bis g > gc durchgeführt. Als Folge der erzielten Ergebnisse zum Phasendiagramm der Transportregime granularer Metalle konnte der Bereich der Kopplungsstärke g identifiziert werden, für den granulare Pt(C)-Strukturen hinsichtlich ihres tunnelpiezoresistiven Effektes die höchste Empfindlichkeit aufweisen. Der tunnelpiezoresistive Effekt bezeichnet die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands vom Dehnungszustand eines granulare Metalls. Damit wurde die Grundlage geschaffen für die Entwicklung eines neuartigen, hochgradig miniaturisierbaren Cantilever-Sensors für die Rasterkraftmikroskopie (AFM), der insbesondere mit Blick auf die Weiterentwicklung von AFM zu hohen Aufzeichnungsgeschwindigkeiten von Bedeutung ist. Dieses Ergebnis zeigt in schöner Weise, wie sich aus grundlagenorientierten Fragestellungen und Projekten auch kurzfristig anwendungsnahe Entwicklungen ergeben können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Universal conductance correction in a tunable strongly coupled nanogranular metal; Phys. Rev. Lett. 107, 206803 (2011)
R. Sachser, F. Porrati, Ch. H. Schwalb, M. Huth
- Catalytic purification of directly written Pt nanostructures; ACS Appl. Mater. Interfaces 6, 15868 (2014)
R. Sachser, H. Reith, D. Huzel, M. Winhold, M. Huth
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/am503407y) - Direct-write nanoscale printing of nanogranular tunnelling strain sensors for sub-micrometre cantilevers; Nature Commun.
M. Dukic, M. Winhold, C. H. Schwalb, J. D. Adams, V. Stavrov, M. Huth, G. E. Fantner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms12487) - Tunnelspektroskopie an granularen Metallen; PhD thesis, Fachbereich Physik, Johannes Wolfgang Goethe-Universität, Frankfurt am Main (2016)
Dirk Klingenberger
- Tunable magnetism on the lateral mesoscale by post-processing of Co/Pt heterostructures; Beilstein J. Nanotechn. 6, 1082 (2015)
O. V. Dobrovolskiy, M. Kompaniiets, R. Sachser, F. Porrati, Ch. Gspan, H. Plank, M. Huth
(Siehe online unter https://doi.org/10.3762/bjnano.6.109)
