Design of a 300 mK-14 T scanning tunneling microscopy system and characterization of quantum Hall systems with respect to Rashba spin splitting, exchange enhancement and Coulomb gap

Becker, Stefan; Morgenstern, Markus

doi:999910053428

Design of a 300 mK-14 T scanning tunneling microscopy system and characterization of quantum Hall systems with respect to Rashba spin splitting, exchange enhancement and Coulomb gap = Entwurf einer 300 mK-14 T-Rastertunnelmikroskopie-Anlage und Charakterisierung von Quanten-Hall-Systemen hinsichtlich Rashba-Spinaufspaltung, Exchange-Enhancement und Coulomb-Gap

Becker, Stefan (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefan Becker

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangVI, 108 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Morgenstern, Markus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-06-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37107
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64704/files/3710.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Rastertunnelmikroskopie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Rastertunnelspektroskopie (frei) ; Rashba-Effekt (frei) ; Exchange-Enhancement (frei) ; Coulomb-Gap (frei) ; scanning tunneling spectroscopy (frei) ; Rashba effect (frei) ; exchange enhancement (frei) ; Coulomb gap (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 68.37.Ef 7

Kurzfassung
Diese Arbeit ist in zwei Hauptteile gegliedert. Der erste Teil beschreibt den Entwurf einer Ultrahochvakuum-Anlage (UHV-Anlage) für Messungen mit einem Rastertunnelmikroskop (RTM) bei einer Basis-Temperatur von 300 mK und in Magnetfeldern von bis zu 14 T. Das UHV-System besteht aus zwei Hauptkammern für Proben- und RTM-Spitzen-Präparation sowie einem Kryostaten mit innerer single-shot Helium-3-Kühlungsstufe für das selbstgebaute RTM. Neben den kommerziell beschafften Komponenten (Ionenquelle, einer LEED/Auger-Einheit und einem Massenspektrometer) enthält die Anlage verschiedene Probenheizungen, die speziell für diese Anlage konzipiert worden sind. Diese Instrumente wie auch das RTM mit Spitzenwechselmechanismum und Probenpositionierung werden im Detail gezeigt. Um zu verhindern, dass externe Vibrationen in das empfindliche RTM einkoppeln und Messungen stören, befindet sich die gesamte UHV-Anlage in einem Schallschutzraum auf einem luftkissengelagerten Edelstahl-Gestell. Die Resonanzfrequenzen des Gestells konnten im Voraus mittels finiten Elementen simuliert und optimiert werden. Der zweite Teil dieser Arbeit besteht aus der Präparation und Analyse von zweidimensionalen Elektronensystemen (2DESs) mittels Rastertunnelspektroskopie (RTS). Diese 2DESs werden in UHV präpariert, indem durch Spalten eines p-dotierten InSb-Einkristalls eine saubere (110) Oberfläche produziert und Cs aufgedampft wird. Die Probe befindet sich während des Aufdampfens bereits im vorgekühlten RTM. Diese Oberflächendotierung induziert ein 2DES in einer Inversionsschicht direkt an der Oberfläche. Ein solches 2DES kann mittels RTS ortsaufgelöst untersucht werden, da lediglich eine Bedeckung von etwa 1-2 Prozent einer Monolage benötigt wird. Für die erste beschriebene Probe wird ein hochdotierter Kristall verwendet (N_A = 1-2 × 10^{24} m^{-3}). Das führt zu einer steilen induzierte Bandverbiegung, die das 2DES begrenzt, und somit zu einem starken inneren elektrischen Feld senkrecht zur Probenoberfläche. An diesem System können stehende zweidimensionale Elektronenwellen und die Perkolation von Drift-Zuständen des Quanten-Hall-Übergangs gezeigt werden, die beide schon an ähnlichen Systemen untersucht worden sind. Das in dieser Probe sehr starke elektrische Feld ermöglicht zusätzlich die Beobachtung des Rashba-Effekts in der zweidimensionalen Zustandsdichte. Das zweite Probensystem basiert auf einem niedrig dotierten Kristall (N_A = 1.1 × 10^{21} m^{-3}). Hier ist die Bandverbiegung flacher und der Rashba-Effekt lässt sich nicht nachweisen. Die Elektronen dieses 2DES sind allerdings anders als bei vorherigen Proben vollständig entkoppelt von den dreidimensionalen Ladungsträgern im restlichen Kristall. Das erfordert von den Elektronen im RTS Experiment, dass sie durch die zweidimensionale Schicht zu einer elektrischen Kontaktierung an der Seite fließen. In einem senkrechten Magnetfeld führt das zu einem von Magnetfeldstärke und Strom abhängigen Widerstand durch die Lokalisierung der Elektronen in Landau-Zuständen. Das entkoppelte 2DES ermöglicht ferner die Beobachtung von Elektron-Elektron-Wechselwirkungseffekten. Als solche Effekte kann das füllfaktorabhängige Exchange Enhancement der Spinaufspaltung gemessen, sowie ein Coulomb Gap am Fermi-Niveau sowohl in der gemittelten als auch in der lokalen Zustandsdichte beobachtet werden.

This thesis consists of two main parts. The first part describes the design of an ultra-high vacuum system (UHV) for measurements with a scanning tunneling microscope (STM) at a base temperature of about 300 mK and in magnetic fields of up to 14 T. The system consists of two main UHV chambers for sample and STM tip preparations and a large cryostat with an inner single-shot helium-3 cooling stage, holding the home-built STM. Besides commercially obtained ion source, LEED/Auger system, and mass spectrometer, the available instruments for preparation include different sample heaters especially designed for this system. These instruments are shown in detail as well as the STM, which main features are a tip-exchange mechanism and a coarse sample positioning stage. Extensive care has been taken to prevent external vibrations from interfering with the measurements by placing the whole system inside of an anechoic room onto an air damping feet supported stainless steel frame, which resonance modes have been analyzed by finite element simulations beforehand. The second part of this thesis consists of the preparation and analysis of two-dimensional electron systems (2DESs) by scanning tunneling spectroscopy (STS). These 2DESs are prepared in UHV by cleavage of p-type InSb single crystals, producing clean (110) surfaces, and subsequent cesium adsorption onto theses surfaces inside of the pre-cooled STM. This surface doping induces an inversion layer 2DES at the surface that can be probed by STS, because only a coverage of about 1-2 percent of a monolayer is necessary. Using a highly-doped crystal (N_A = 1-2 × 10^{24} m^{-3}) the induced band bending confining the 2DES is steep, leading to a strong internal electric field perpendicular to the sample surface. Besides the standing wave patterns of two-dimensional electrons and the quantum Hall transition that have been observed on similar sample systems before, this strong electric field allows an observation of the Rashba effect in the density of states. The band bending of another 2DES prepared in a low-doped crystal (N_A = 1.1 × 10^{21} m^{-3}) is more flat and the 2DES does not exhibit the Rashba effect, but in turn it is fully decoupled from the bulk states of the crystal. This requires the electrons in the STS experiment to move through the two-dimensional layer to a side contact, leading to a magnetic field and current dependent spreading resistance due to the localization of the electrons in Landau states. The decoupled 2DES enables the observation of electron--electron interaction effects. As such, within the quantum Hall regime the 2DES shows a filling factor dependent exchange enhancement of the spin splitting and at the Fermi level a Coulomb gap can be observed within the spatially averaged and the local density of states.

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