Scanning tunneling potentiometry at nanoscale defects in thin films

Lüpke, Felix; Voigtländer, Bert; Morgenstern, Markus

doi:HT019558587

Scanning tunneling potentiometry at nanoscale defects in thin films = Rastertunnelpotentiometrie an nanoskaligen Defekten in dünnen Schichten

Lüpke, Felix^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Felix Lüpke

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (iv, 144 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018. - Ausgezeichnet mit dem Jülicher Exzellenzpreis 2019

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-11-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-00215
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/712067/files/712067.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
STM (frei) ; STP (frei) ; conductivity (frei) ; defect (frei) ; domain boundary (frei) ; four-probe (frei) ; gating (frei) ; interface (frei) ; multi-probe (frei) ; potentiometry (frei) ; resistivity (frei) ; resistor network (frei) ; semiconductor (frei) ; step edge (frei) ; surface (frei) ; thin film (frei) ; transport (frei) ; vacancy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit handelt von elektrischen Transportmessungen, welche mit Hilfe eines Vierspitzen-Rastertunnelmikroskops (RTM) durchgeführt wurden. Um Kontaktwiderstände zu exkludieren werden hierfür Vierpunktmessungen durchgeführt, in welchen die Probe mit zwei der vier RTM Spitzen kontaktiert wird um einen lateraler Strom zu injizieren. Der hieraus resultierende Spannungsabfall über die Probe wird anschließend mit den verbleibenden zwei Spitzen, welche jeweils zur lokalen Spannungsmessung dienen, bestimmt. Die Positionierung der einzelnen Spitzen auf der Probe erfolgt mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops. Die Methode der Rastertunnelpotentiometrie (RTP) ermöglicht weiterhin den Spannungsabfall über die Probe mit sehr hoher Genauigkeit zu bestimmen, hinunter bis in den Å- und µV-Bereich. Die RTP-Messmethode wurde in das Vierspitzen-RTM implementiert und basiert darauf, dass eine Spannungsmessspitze im Tunnelkontakt über die Probenoberfläche gerastert wird. Hierbei werden an jeden Punkt des Rasters die lokale Probentopographie und das zugehörige elektrische Potential gemessen, wodurch ein direkter Vergleich der Transporteigenschaften der Probe mit ihrer Geometrie möglich ist. Weiterhin wurde diese Methode im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt, sodass nicht-invasive Vierpunktmessungen ermöglicht werden. Einer der größten Vorteiler des resultierenden experimentellen Aufbaus ist die Möglichkeit, dass die elektrischen Messungen auf verschiedenen Längenskalen mit anderen Techniken, welche der weiteren Charakterisierung der Probe dienen (z.B. Elektronenbeugung oder -Spektroskopie), kombiniert werden können. Es wurden im Folgenden Messungen an topologischen Isolatoren, dünnen Schichten aus Bismut und verschiedenen Oberflächenrekonstruktionen der Si(111) Oberfläche durchgeführt. Auf der Oberfläche von BiSbTe3 Schichten konnten drei verschiedene Arten von Defekten beobachtet werden welche in einem lokalen Spannungsabfall resultierten: Stufenkanten, Domänengrenzen und Löcher. Durch RTP Messungen konnte gezeigt werden, dass Domänengrenzen einen fast vierfach höheren Widerstand als Stufenkanten zeigen und damit der dominante Defekte sind in Bezug auf den resultierenden Gesamtwiderstand der Probe. Durch Vierpunktmessungen unter Einfluss des Feldeffekts, konnten die Ladungsträgerkonzentration und -Mobilität des topologischen Oberflächenzustands bestimmt werden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der ungewollte Einfluss des inneren der BiSbTe3 Schicht nur wenig zu der elektrischen Leitung beiträgt Ein weiterer ungewollter Leitungskanal kann an der Grenzschicht zwischen BiSbTe3 Schicht und Substrat auftreten. Hier konnte festgestellt werden, dass eine anfängliche Sättigung des Substrats mit Te zu einer Te/Si(111)-(1×1) Struktur führt, welche jedoch nur eine geringe Leitfähigkeit aufweist. Die Anwendung der RTP auf dünne Bi Schichten zeigt, dass hier prinzipiell der Übergang von klassischem zu quantenmechanischen Transport beobachtet werden kann. Die Anwendung eines geeigneten Modells erlaubt es hierbei die mittlere freie Weglänge und den Fermi Wellenvektor abzuschätzen. Die detaillierte Analyse von RTP Daten ist durch Anwendung von Rechnungen, basierend auf Widerstandsnetzwerken möglich, welche das höherliegende Ziel haben direkt aus einer gemessenen Potentialverteilung die zugehörige Widerstandsverteilung bestimmen zu können.

The present thesis deals with electrical transport measurements performed with a four-tip scanning tunneling microscope (STM) setup. Samples are contacted in a four-probe geometry to exclude contact resistances and allow precise measurement of the sample resistance. To realize the four-probe geometry in the experiments, two of the four STM tips are contacted to the sample surface to inject a lateral current into the sample. The resulting voltage drop across the sample is measured with the remaining two tips which operate as voltage probes. The positioning of the individual tips is monitored by use of a scanning electron microscope. Using the scanning tunneling potentiometry (STP) technique the voltage drop across the sample can further be resolved locally with resolution down to Å and µV, respectively. This technique was implemented into the present setup and is based on a voltage probe which is scanned across the sample surface. It measures the sample topography and potential at each scan point quasi-simultaneously and thereby allows a detailed analysis of the local transport properties of the sample with respect to its topographic features. Based on this technique, a further measurement method was developed and implemented into the four-tip STM which allows non-invasive four-probe measurements. A major advantage of the resulting experimental setup is the possibility of combining different surface analysis tools such as electron diffraction and photoelectron spectroscopy with transport measurements on different length scales. The setup was applied to topological insulator thin films, bismuth thin films and different reconstructions of the Si(111) surface. At the surface of a BiSbTe3 topological insulator thin film three different kinds of defects are found to result in a local voltage drop: Step edges, domain boundaries and void defects. Using STP, the resistance of the domain boundaries is determined to be almost four times larger than that of the step edges and thereby the dominant defect induced contribution to the transport. By gate-dependent four-probe measurements, it is shown that the carrier concentration and mobility of the topological surface states can be deduced from the measurements by application of a suitable transport model. Furthermore, the undesired influence of the BiSbTe3 bulk on the conduction through the topological insulator thin-film is found to be small. Another undesired transport channel of BiSbTe3 thin film samples can occur at the substrate interface as a result of the epitaxial growth of the films. An initial Te passivation of the Si(111) substrate is found to result in a Te/Si(111)-(1×1) termination, the conductivity of which is however found to be low compared to the typical conductivity of the dominant transport channels. Application of STP to Bi thin films, transport dipoles are found to be located at voids in the film. The measurement of different sizes of defects in theory allow to characterize the crossover between classical and quantum transport in the system and application of a respective model allows to extract the charge carrier mean free path and the Fermi wave vector from the measurements. For the detailed analysis of STP data, resistor network calculations prove to be an important tool throughout the thesis with the ultimate goal to determine resistivity profiles directly from measurements of the potential.

OpenAccess:
PDF
(additional files)