Ladungstransport durch Graphenschichten und GaAs-Nanodrähte untersucht mit einem Multispitzen-Rastertunnelmikroskop

Korte, Stefan; Voigtländer, Bert

doi:1866-1807

Ladungstransport durch Graphenschichten und GaAs-Nanodrähte untersucht mit einem Multispitzen-Rastertunnelmikroskop = Charge transport through graphene layers and GaAs nanowires studied with a multi tip scanning tunneling microscope

Korte, Stefan (Author)

2014

VerantwortlichkeitsangabeStefan Korte

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2014

Umfang96 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-89336-990-4

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Schlüsseltechnologien ; 90

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

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Voigtländer, Bert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-02-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-52765
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/465417/files/5276.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Rastertunnelmikroskop (Genormte SW) ; Graphen (Genormte SW) ; Galliumarsenid (Genormte SW) ; Nanordraht (Genormte SW) ; Leitfähigkeit (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Multispitzenrastertunnelmikroskop (frei) ; Widerstandsprofil (frei) ; multi tip STM (frei) ; graphene (frei) ; GaAs (frei) ; nanowires (frei) ; conductance (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 07.79.Cz

Kurzfassung
Diese Arbeit behandelt die Verwendung einer Kombinationsapparatur aus Rasterelektronenmikroskop (REM) und Multispitzen-Rastertunnelmikroskop (RTM) mit vier Spitzen als Nanoprober für elektrische Messungen an Graphenschichten und freistehenden GaAs Nanodrähten. Vierpunktmessungen sind zur Bestimmung des spezifischen Widerstands solcher ein- und zweidimensionaler Leiter notwendig, denn aufgrund von unbekanntem Spannungsabfall an stromdurchflossenen Kontakten müssen zusätzliche Kontakte zur stromfreien Spannungsmessung eingesetzt werden. Dazu wurde das Multispitzen-RTM mit seinen vier individuell ansteuerbaren Spitzen für den Betrieb als flexiblen Nanoprober mit erweiterter Messelektronik ausgestattet. Graphenproben auf isolierendem SiO2 und hexagonalem Bornitrid (h-BN), hergestellt mittels mechanischer Exfoliation, wurden mit dem RTM kontaktiert. Dazu wurde eine nicht auf die Tunnelstromregelung angewiesene Annäherungsmethode verwendet, welche eine Kontraständerung in der Abbildung mit dem REM bei Kontakt ausnutzt. An kontaktierten Graphenschichten wurden Rastertunnelmikroskopie und Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt. Auf h-BN transferierte Graphenflocken zeigten Falten, Blasen und Verunreingungen. Dennoch konnte an sauberen Stellen das atomar flache Aufliegen des Graphens auf dem ebenfalls atomar flachen h-BN-Substrat in RTMAbbildungen durch ein Moiré-Muster nachgewiesen werden. Sowohl die Leitfähigkeit, ermittelt mit Vierpunktmessungen, als auch die Ladungsträgermobilität, extrahiert aus Feldeffekt-abhängigen Messungen, haben sich in diesen Schichten mit 1/Sigma=16Kiloohm/Quadrat und mu=300cm^2/Vs als gering herausgestellt. Dies kann in den Verunreinigungen vom Transferprozess, aber auch in der langen Bestrahlung mittels REM begründet sein. Freistehende p-dotierte GaAs Nanodrähte, gewachsen mittels metallorganischer Gasphasenabscheidung in einem vapor-liquid-solid Prozess mit zwei Temperaturstufen, wurden mit dem Multispitzen-RTM kontaktiert. Drei Tunnelspitzen sowie das Substrat dienten als Kontakte für Vierpunktmessungen. Elastisches Verbiegen der flexiblen Nanodrähte zeigte dabei keinen signifikanten Einfluss auf ihre elektrische Leitfähigkeit. Die hohe Ortsauflösung der REM-Multispitzen-RTM-Apparatur ermöglichte es, durch Messungen entlang der freistehenden Nanodrähte Widerstandsprofile aufzunehmen. Der zur Qualitätssteigerung bei 400 Grad Celsius gewachsene obere Drahtbereich hat einen spezifischen Widerstand von wenigen Kiloohm/Mikrometer, in Übereinstimmung mit Literaturwerten. Der zur besseren Nukleation bei 450 Grad Celsius gewachsene Sockel hingegen weist einen für zukünftige Nanodraht-basierende opto-elektronische Bauteile unerwünscht hohen Widerstand von einigen Megaohm/Mikrometer auf. Durch Betrachtung identisch präparierter Nanodrähte auf verschiedenen Substraten wurde ausgeschlossen, dass dies substratbedingt ist. Aus den gemessenen spezifischen Widerständen wurden die Dotierungen und die Dicke der Verarmungszone durch Bandverbiegungen an der Nanodraht-Oberfläche berechnet. Bei 400 Grad Celsius ist die Dotierung etwa 10^19 1/cm^3, bei 450 Grad Celsius etwa 2•10^17 1/cm^3. Dabei verengt die Verarmungszone den Leitungskanal im Sockel deutlich. Eine qualitative Erklärung der Temperaturabhängigkeit der Dotierung wird angegeben.

This work describes the use of the combination of a scanning electron microscope (SEM) and a multitip scanning tunneling microscope (STM) with four tips as a nanoprober. Electrical measurements on graphene layers and freestanding GaAs nanowires were done. Four-probe-measurements are necessary to measure the resisitvity of such one- and two-dimensional conductors. Due to unknown voltage drops at contacts that carry currents, additional contacts have to be employed for current-free potential measurements. Therefore, the multitip scanning tunneling microscope with its four individually controllable tips has been upgraded with extended electronics, enabling us to use it as a flexible nanoprober. Graphene layers on insulating SiO2 and hexagonal boron nitride (h-BN), prepared by mechanical exfoliation, were contacted with the multitip STM. Tunneling current could not be used as feedback when approaching the first tip. Therefore, a contrast change in the SEM image upon contacting a graphene flake with a tip was used. Once contacted, flakes were scanned by RTM and electrical measurements were conducted. Graphene transferred to h-BN showed bubbles, wrinkles and contaminations. Still, STM images of clean spots revealed a moiré pattern, proving that the atomically thin graphene lay flat on the atomically flat h-BN surface. Four point measurements of these samples showed a poor conductivity of 1/sigma=16kiloohm/square and a low field effect mobility of mu=300cm^2/Vs. The reason for this might be the contaminations from the transfer process, as well as effects from prolonged irradiation with electrons from the SEM. Freestanding p-doped GaAs nanowires, grown by metal-organic vapor-phase-epitaxy in the vapor-liquid-solid-growth mode, in a process with two temperature steps, were contacted with the multitip STM. Using three tips as well as the substrate as contacts, four point measurements were performed. It showed that elastic deformation of the flexible nanowires has no significant influence on their conductivity. The high spatial resolution of the combination of a SEM with a multitip STM made it possible to record resistance profiles of freestanding nanowires by performing four point measurements along a nanowire. While the main segment of the nanowires, grown at 400 degree celsius for better crystal quality exhibits a resisitivity of a few kiloohm/micrometer, in agreement with literature values, the nanowire base, grown at 450 degree celsius to facilitate better nucleation, shows a heighened resistivity of several megaohm/micrometer. The resistance of the nanowire base is relevant especially for future opto-electronical components based on freestanding nanowires and thus has to be understood. Comparing profiles of nanowires grown by an identical process on different substrates showed that the substrate is not the cause of the increased resistance. From the measured resistivities the dopant concentrations, as well as the thickness of the space charge layer at the surface of the GaAs nanowires was calculated. The nanowire segments grown at 400 degree celsius have a dopant concentration of roughly 10^19 1/cm^3, those grown at 450 degree celsius about 2•10^17 1/cm^3. In the base the space charge layer poses a considerable constriction to the conduction. A qualitative explanation for the temperature dependence of the dopant concentration is given.

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