Elektronische Transporteigenschaften von ultradünnen und ultrakleinen, metallischen Nanodrähten und Nanokontakten

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Tegenkamp
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 210888871

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurden die Transporteigenschaften von niedrigdimensionalen Elektronengasen mittels eines 4-Spitzen STM/SEM Systems untersucht. Die Elektronengase wurden dabei durch die definierte Adsorption von Metallen auf Si-Oberflächen hergestellt. Neben TbSi2-Nanodrahtstrukturen sind ebenso Pb, In und Sn auf (vizinalen) Si(111) Oberflächen untersucht worden. Die Transporteigenschaften sollten dabei unter Einbeziehung der Umgebung mit den Strukturparametern korreliert werden. Am Beispiel der Silizide wurde das Streuverhalten untersucht. Ein konsistentes Bild der größenabhängigen spezifischen Wiederstände in diesen Strukturen konnte innerhalb eines Streumodels erklärt werden, in dem die aus STM Messungen bestimmten Oberflächenrauhigkeiten der Nanostrukturen ebenso eingegangen sind wie die Hinzunahme von Oberflächen und (quantisierten) Volumenzuständen. Die klassischen Modelle, wie beispielsweise Fuchs-Sondheimer, liefern für diese Systeme keine adequate Beschreibung. Die Nachbarwechselwirkung wurde anhand anisotroper In Rekonstruktionen auf Si(111) studiert. Die Größe der Domänen wurde dabei durch die Verwendung unterschiedlich stark gestufter Si(111) Substrate realisiert. Das In/Si System zeigt einen Peierlsübergang der mit einem (8x2)-(4x1) Phasenübergang einhergeht. Die kritischen Hysterese-Temperaturen konnten aus dem Metall-Isolatorverhalten bestimmt werden. Die Stufenkanten selbst destabilisieren die (8x2). Mit steigender Stufendichte sinkt dabei die Übergangstemperatur währen des Heizens. Die kritische Temperatur ändert sich erst, wenn bei der (8x2) Bildung der Rand mit involviert ist. Die Ketten-Ketten Kopplung selbst lässt sich durch O2 Adsorption durchstimmen. Ergänzt durch Quanten-Transportrechnungen konnte gezeigt werden, wie sich lokale Störungen der Potenziallandschaft auf die Transmissionscharakteristik auswirkt. An weiteren Systemen wie Pb/Si und Sb/Si wurden spektroskopische Untersuchungen durchgeführt. Dabei stand die Wechselwirkung von elektronischer Korrelation gepaart mit Spin-Bahn Kopplung im Vordergrund. Diese Informationen werden für noch ausstehende Transportmessungen wichtig sein. Flankiert wurden unsere Tansportmessungen durch systematische Untersuchungen zur Si-Unterlage, einer theoretischen Beschreibung der 4-Punkt Messtechnik sowie Aufbau eines FIMs, mit dem die Spitzenstruktur vor und nach den Transportmessungen nun verglichen werden kann. Da hier, gerade im Hinblick auf den Aspekt der Vereinzelung und Destabilisierung niedrigdimensionaler Elektronengase, anisotrope Systeme untersucht wurden, sind von uns die dazu notwendigen Korrekturfaktoren berechnet worden. Im Einklang damit wurde die Messgenauigkeit des Transportverfahrens dadurch erhöht, dass mit räumlich eingeengten Strukturen experimentiert wurde. Die Einengung wurde Verwendung gestufter Oberflächen, Mesa-strukturierter Si Oberflächen sowie durch in-situ lithographisch prozessierte Si Oberflächen durchgeführt. Wie unsere Messungen gezeigt haben, sollten für zukünftige Transportmessungen keine niedrigdotierten n-Typ Si-Kristalle verwendet werden. Die für die Herstellung der Metallstrukturen notwendigen Präparationen, auch bzw. gerade im Vakuum, führen offenbar zur Einlagerung kleinster Kohlenstoffverunreinigungen, die das Ausgangsmaterial überkompensieren können und unerwünschte Raumladungskanäle unterhalb des Grenzfläche öffnen, die eine Bestimmung der Leitfähigkeit in den niedrigdimensionalen Elektronen erheblich erschweren und leicht verfälschen können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Interwire coupling for In (4 × 1) / Si (111) probed by surface transport. Phys. Rev. B 92, 085426 (2015)
  F. Edler, I. Miccoli, S. Demuth, H. Pfnür, S. Wippermann, A. Lücke, W.G. Schmidt, C. Tegenkamp
  
• Observation of correlated spin-orbit or in a strongly anisotropic quantum wire system. Nature Communications 6, 8118 (2015)
  C. Brand, H. Pfnür, G. Landolt, S. Muff, J.H. Dil, T. Das, C. Tegenkamp
  
• The 100th Anniversary of the Four-Point Specimen Technique: The Role of Probe Geometries in Isotropic and Anisotropic Systems. Journal of Physics: Condensed Matter Volume 27, 223201 (2015)
  I. Miccoli, F. Edler, H. Pfnür, C. Tegenkamp
  
• Atomic size effects studied by transport in single silicide nanowires. Phys. Rev. B 93, 125412 (2016)
  I. Miccoli, F. Edler, H. Pfnür, S. Appelfeller, M. Dähne, K. Holtgrewe, S. Sanna, W.G. Schmidt, C. Tegenkamp
  
• Between one and two dimensions: Pb / Si (557) close to monolayer coverage. Surface Science, 643, 79-86 (2016)
  H. Pfnür, C. Brand, M. Jäger, J.P. Rönspies, C. Tegenkamp
  
• Surface state conductivity in epitaxially grown Bi1-xSbx (111) films. New J. Phys. 18, 093012 (2016)
  J. Koch, P. Kröger, H. Pfnür, C. Tegenkamp
  
• α-Sn phase on Si(111): spin-texture of a 2D Mott state. Phys Rev B, Vol 98, Iss 16, 165422 (2018)
  M. Jäger, C. Brand, A.P. Weber, M. Fanciulli, J.H. Dil, H. Pfnür, C. Tegenkamp
  
• Space charge layer effects in silicon studied by in-situ surface transport. J. Phys.: Condens. Matter, Vol. 31, 214001 (2019)
  F. Edler, I. Miccoli, H. Pfnür, C. Tegenkamp