Ladungstransportmessungen an Si(111)-Oberflächen mit einem Multispitzen-Rastertunnelmikroskop

Blab, Marcus; Voigtländer, Bert; Morgenstern, Markus

doi:1866-1807

Ladungstransportmessungen an Si(111)-Oberflächen mit einem Multispitzen-Rastertunnelmikroskop = Charge transport measurements at Si(111) surfaces with a multitip scanning tunneling microscope

Blab, Marcus

2014 & 2015

VerantwortlichkeitsangabeMarcus Blab

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich 2014

Umfang114 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-89336-997-3

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Schlüsseltechnologien ; 93

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Druckausgabe: 2014. - Onlineausgabe: 2015. Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Voigtländer, Bert (Thesis advisor) ; Morgenstern, Markus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-09-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-52511
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/463827/files/5251.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ladungstransport (Genormte SW) ; Silicium (Genormte SW) ; Oberflächenphysik (Genormte SW) ; Rastertunnelmikroskop (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Multispitzen-Rastertunnelmikroskop (frei) ; Silizium (frei) ; multitip scanning tunneling micoscope (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung und Weiterentwicklung eines Multispitzen - Rastertunnelmikroskops, mit dessen Hilfe die elektrische Leitfähigkeit verschiedener Silizium (Si) Oberflächen gemessen wurden. Multispitzen - Rastertunnelmikroskope werden unter anderem zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von Nanostrukturen genutzt. Um den Einfluss von Kontaktwiderstände zu vermeiden wird mit Hilfe der Vierpunktmethode der Widerstand der Probe gemessen, weshalb das hier verwendete Rastertunnelmikroskop vier Spitzen besitzt. Abbildungen der Platin (Pt)(100) Oberfläche an Luft zeigen die rekonstruierte Oberfläche, atomare Stufenkanten und eine Drift von 1,6 Å/min nach 18 Stunden. Die Entwicklung eines neuen Nanopositionierers, dem KoalaDrive, zur Annäherung der Spitzen an die Probe, machte es möglich das Multispitzen-Rastertunnelmikroskop sehr kompakt zu halten. Hierfür musste ein Aufbau des KoalaDrives gefunden werden, welcher auch zuverlässig im Vakuum funktioniert. Nach der erfolgreichen Charakterisierung und Weiterentwicklung des Multispitzen-Rastertunnelmikroskops werden Ladungstransportmessungen an verschiedenen Si(111) Oberflächen durchgeführt und die Ergebnisse diskutiert. Die Leitfähigkeit der bismutterminierten Si(111) Oberfläche ist mit der Leitfähigkeit von Bismut mit einer Dicke von 3Å zu vergleichen. Die spezifische Leitfähigkeit beträgt (0, 16 ± 0, 07) mS/. Die Si(111)-7×7 Oberfläche hat eine spezifische Leitfähigkeit von (4, 0 ± 0, 1) μS/ und leitet somit nur 40 mal schlechter als die bismutterminierte Siliziumoberfläche. Zusätzlich wird gezeigt, dass die Si(111)-7×7 Oberfläche elektrisch nahezu völlig vom Siliziumvolumen entkoppelt ist und daher der Strom fast ausschließlich durch die Oberfläche fließt. Abschließend wird mit Hilfe eines chemischen Verfahrens die Oberfläche wasserstoffterminiert, sodass auch die spezifische Volumenleitfähigkeit einer Si(111) Probe gemessen werden konnte. Für eine geplante Weiterentwicklung des Multispitzen-Rastertunnelmikroskops in ein Multispitzen-Rasterkraftmikroskop wird zunächst die Funktionalität eines Needlesensors als Kraftdetektor überprüft. Dieser Sensor ist im Vergleich zu anderen Sensoren sehr kompakt und wäre durch seine Geometrie optimal für Multispitzen-Rasterkraftmikroskope geeignet. Zur Positionierung der vier Spitzen in einem Punkt müssen die Sensoren in einem Winkel von 45° zur Oberfläche angebracht werden. Es wird gezeigt, dass das Abbilden der Oberfläche deutlich schwieriger ist als das Abbilden mit einem Sensor, der senkrecht zur Oberfläche steht. Mögliche Ursachen hierfür sind „Snap to contact” und Eigenfrequenzen der Spitze, die im Bereich der Eigenfrequenz des Needlesensors liegen.

This work concernes with the characterization and further development of a multitip scanning tunneling microscope and charge transport measurements on several silicon (Si)(111) surfaces. Multitip-scanning tunneling microscopes are used among others to determine the electrical conductance of nanostructures. To get rid of the contact resistance, the four-point method is used to measure the resistance of the sample. Therefore four individual tips were used to make up the multitip scanning tunneling microscope. Images of the platin (Pt)(100) surface under ambient conditions show a reconstructed surface, atomic steps and a drift of 1.6 Å/min after 18 hours. The development of a new nanopositioner, the KoalaDrive, to approach the tip to the sample, made the new multitip scanning tunneling microsope ultra compact. However a setup of the KoalaDrive, which works reliably in vacuum, had to be found. After a successful characterization and further development of the multitip scanning tunneling microscope, charge transport measurements on several Si(111) surfaces were realised. The conductance of the bismuthterminated Si(111) surface is comparable with a 3Å thick bismuth layer. The conductivity of the bismuthterminated Si(111) surface is (0.16 ± 0.07) mS/. The conductivity of the Si(111)-7×7 surface is (4.0±0.1) μS/ and therefore only 40 times smaller than the conductivity of the bismuthterminated silicon surface. Additionally it will be shown that the Si(111)-7×7 surface is electrically strong decoupled from the bulk and the main part of the current flows through the surface. Furthermore the Si(111) surface will be hydrogen passivated by using a chemical procedure. In doing this the surface states were removed so that the bulk conductance of the silicon sample could be measured. For a planned development of a multitip scanning tunneling microscope in a multitip atomic force microscopes the functionality of a needle-sensor as a force detector will be varified. In comparison to other sensors, the needle-sensor is very compact and due to its geometry it would be optimal for multitip atomic force microscopes. For positioning of all four tips of the multitip atomic force microscope at one location, the sensors have to be attached at an angle of 45° with respect to the surface. It becomes apparent that the imaging of surfaces is more complicated than using a sensor which is perpendicularly mounted to the surface. ”Snap to contact” and eigenfrequencies of the tip which are close to the eigenfrequency of the sensor could be a possible explanation.

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