Disentangling parallel conduction channels by charge transport measurements on surfaces with a multi-tip scanning tunneling microscope

Just, Sven; Voigtländer, Bert; Morgenstern, Markus

doi:40434

Disentangling parallel conduction channels by charge transport measurements on surfaces with a multi-tip scanning tunneling microscope = Trennung von parallelen Leitfähigkeitskanälen durch Ladungstransportmessungen an Oberflächen mittels eines Multispitzen-Rastertunnelmikroskops

Just, Sven^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sven Just, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-06-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-05732
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/820616/files/820616.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
4-Punkt-Messungen (frei) ; Bandverbiegung (frei) ; Leitfähigkeitskanäle (frei) ; Multispitzenrastertunnelmikroskop (frei) ; Oberflächenleitfähigkeit (frei) ; Randkanäle (frei) ; Rastertunnelpotentiometrie (frei) ; Topologische Isolatoren (frei) ; band bending (frei) ; conduction channels (frei) ; edge channels (frei) ; four-point measurements (frei) ; multi-tip scanning tunneling microscope (frei) ; scanning tunneling potentiometry (frei) ; surface conductivity (frei) ; topological insulators (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit werden sowohl positionsabhängige Ladungstransportmessungen mit einem Multispitzen-Rastertunnelmikroskop durchgeführt, als auch theoretische Modelle für die Beschreibung der gemessenen Daten entwickelt. Nur eine Kombination aus beidem ermöglicht es, parallele Leitfähigkeitskanäle für Stromtransport voneinander zu trennen, um die grundlegenden physikalischen Eigenschaften in den untersuchten System aufzudecken, d.h. die spezifische Leitfähigkeit der einzelnen Kanäle zu bestimmen. In Kapitel 2 wird der allgemeine instrumentelle Aufbau des Multispitzen-Rastertunnelmikroskops gezeigt und Methoden für die Spitzenpositionierung werden besprochen. Eine Einführung in die Theorie zu abstandsabhängigen Vierpunktmessungen wird in Kapitel 3 gegeben. Hier werden die Beziehungen zwischen Vierpunktwiderstand und spezifischer Leitfähigkeit, welche durch die gewählte Spitzenanordnung beeinflusst werden, sowohl für zweidimensionale als auch für dreidimensionale Systeme hergeleitet. Zusätzlich wird auch anisotrope Leitfähigkeit in zwei Dimensionen betrachtet. Die Kapitel 4-7 zeigen Messungen mit dem Multispitzen-Rastertunnelmikroskop auf verschiedenen Probensystemen, wie Halbleitern und topologischen Isolatoren. Zunächst wird in Kapitel 4 die spezifische Leitfähigkeit der Oberfläche von Si(111)-(7x7) und der Einfluss von atomaren Stufenkanten des darunterliegenden Substrats untersucht. Um die gemessenen Vierpunktwiderstände interpretieren zu können, wird ein 3-Lagen-Modell eingeführt, welches eine Modellierung durch drei parallele Leitfähigkeitskanäle erlaubt, d.h. einen Oberflächenkanal, einen Kanal durch die Raumladungszone und einen Volumenkanal durch den Siliziumkristall. Solch ein Modell ermöglicht es, einen Wert für die spezifische Leitfähigkeit der Oberfläche aus den Messdaten zu extrahieren. Außerdem erlaubt eine Messung der Leitfähigkeitsanisotropie auf der Oberfläche, die Beiträge, welche durch die spezifische Leitfähigkeit einer einzelnen atomaren Stufe und der spezifischen Leitfähigkeit der stufenlosen Terrassen entstehen, voneinander zu trennen. In Kapitel 5 wird das 3-Lagen-Modell erweitert zu einem N-Lagen-Modell, um die in hohem Maße tiefenabhängige (bzgl. der Oberfläche) spezifische Leitfähigkeit der oberflächennahen Raumladungszone in Halbleitern präziser beschreiben zu können. Um die allgemeine Anwendbarkeit des N-Lagen-Modells zu demonstrieren, wird es zur Bestimmung der spezifischen Oberflächenleitfähigkeit der beiden Oberflächenrekonstruktionen Ge(100)-(2x1) und Si(100)-(2x1) verwendet, basierend auf bereits veröffentlichten Messdaten aus der Literatur, welche aber nicht unter Einbeziehung eines Oberflächenkanals für Stromtransport ausgewertet wurden. In Kapitel 6 wird ein weiterer kombinierter Ansatz aus Experiment und Theorie gezeigt, um parallele Leitfähigkeitskanäle in dünnen Filmen topologischer Isolatoren (TI) zu trennen, d.h. den Grenzflächenkanal an der Übergangsfläche zum Substrat und den Kanal durch das Innere des Films, welche beide parallel zu den Transportkanälen durch die topologischen Oberflächenzustände auf der Ober- und Unterseite des Films verlaufen. Basierend auf Vierpunktmessungen von bestimmten Oberflächenrekonstruktionen lässt sich die spezifische Leitfähigkeit des Grenzflächenkanals ermitteln, wohingegen die Eigenschaften des Filminneren mit Hilfe von Berechnungen der Bandverbiegung in Verbindung mit Messdaten aus winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie bestimmbar sind. Hierbei stellt sich heraus, dass im Grenzfall von dünnen Filmen die Ladungsträgerdichte im Inneren des Films nahezu nur von der Position der Fermienergie an der Oberfläche abhängt, wie sie aus winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie ermittelt werden kann, aber nicht durch die tatsächliche Dotierkonzentration im Inneren des Filmmaterials beeinflusst wird, welche oftmals unbekannt ist, so dass letztendlich eine verlässliche Abschätzung der spezifischen Leitfähigkeit des Filminneren möglich ist. Schließlich wird in Kapitel 7 der schwache topologische Isolator Bi_14Rh_3I_9 mit Hilfe von Rastertunnelspektroskopie und Rastertunnelpotentiometrie untersucht, um die Existenz und die Transporteigenschaften von eindimensionalen Randzuständen an Stufenkanten auf der dunklen Oberfläche aufzudecken. Aus Spektroskopie und Messungen der Thermospannung ergibt sich, dass sich die topologischen Randkanäle tatsächlich an Stufenkanten auf der zweidimensionalen TI-Lage finden lassen, wie es auch in Übereinstimmung mit der Literatur ist, und zusätzlich auch an künstlich erzeugten Kratzern und Gräben in der Oberfläche auftreten. Allerdings stellt sich heraus, dass sich die Randzustände nicht unmittelbar an der Fermienergie befinden und daher nicht wesentlich zum Stromtransport beitragen können. Zusätzlich wird deutlich, dass auf Grund von unbeabsichtigter Oberflächendotierung die umgebende sogenannte dunkle Oberfläche selbst eine sehr hohe spezifische Leitfähigkeit aufweist, wie es sich aus Potentiometriemessungen mit angelegtem Transportfeld und abstandsabhängigen Vierpunktmessungen ableiten lässt. Diese beiden Tatsachen verhindern letztendlich, dass sich an den untersuchten Bi_14Rh_3I_9 Kristallen die Transporteigenschaften der Randkanäle unmittelbar aufdecken lassen, aber nichtsdestotrotz wäre es prinzipiell mit der verwendeten Messmethode möglich, direkten Transport durch die Randkanäle nachzuweisen, wenn ausgereiftere Proben zur Verfügung stünden.

Within this thesis, both position-dependent charge transport measurements with a multi-tip scanning tunneling microscope (STM) are performed, and theoretical models for describing these measured data are developed. Only a combination of both allows for actually disentangling multiple current transport channels present in parallel, in order to reveal the physical properties of the investigated systems, i.e. the conductivity of the individual channels. In chapter 2, the instrumental setup for the multi-tip STM is shown in general and the specific methods used for tip positioning are discussed. An introduction into the theory of distance-dependent four-point resistance measurements is given in chapter 3. Here, the relations between four-point resistance and conductivity influenced by the chosen probe geometry are discussed for both a pure two-dimensional and a pure three-dimensional system. Furthermore, also anisotropic conductance in two dimensions is considered. Chapters 4-7 depict actual measurements with the multi-tip STM on different sample systems, as semiconductors and topological insulators. First, in chapter 4 the conductivity of the Si(111)-(7x7) surface and the influence of atomic steps of the underlying substrate are investigated. In order to interpret the measured resistances, a 3-layer model is introduced which allows for a description by three parallel conductance channels, i.e. the surface, the space charge region and the bulk. Such a model enables to extract a value for the surface conductivity from the measurements. Moreover, by a measurement of the conductance anisotropy on the surface, the conductivity of a single atomic step can be disentangled from the conductivity of the step-free terraces. In chapter 5, the 3-layer model is extended to an N-layer model in order to model the strongly depth-dependent conductivity of the near-surface space charge region in semiconductors in a more precise way. In order to demonstrate the universal applicability of the N-layer model, it is used to extract values for the surface conductivity of Ge(100)-(2x1) and Si(100)-(2x1) reconstructions from data already published in the literature, but not evaluated in terms of the surface conductivity. Chapter 6 depicts a further combined experimental and theoretical approach in order to reveal parallel conductance channels in topological insulators thin films, i.e. the interface channel at the boundary to the substrate and the interior of the film itself, which are both in parallel to the transport channel through the topological surface states at top and bottom surface of the film. From measurements on specific surface reconstructions, the conductivity of the interface channel can be revealed, while the interior of the thin film is approached by band bending calculations in combination with results from angle-resolved photoemission spectroscopy measurements (ARPES). Here, it turns out that in the thin-film limit the charge carrier concentration inside the film is only governed by the position of the Fermi level at the surface, as it is revealed by ARPES, but not influenced by the actual dopant concentration inside the film material which is usually unknown, thus allowing for a reliable estimate of the film conductivity. Finally, in chapter 7, the weak topological insulator Bi_14Rh_3I_9 is investigated by means of scanning tunneling spectroscopy and scanning tunneling potentiometry, in order to reveal the presence and the transport properties of the one-dimensional edge state at step edges on the dark surface. From the spectroscopy and thermovoltage measurements, it turns out that the topological channel can indeed be found at step edges of the 2D TI-layer, as it has been already reported in literature, and additionally at artificially created scratches into the surface. However, it is not located directly at the Fermi energy, and thus cannot substantially contribute to current transport. Additionally, it turns out that the surrounding so-called dark surface is very conductive itself due to unintentional surface doping, as deduced from potentiometry with applied transport field and distance-dependent four-point measurements. Both facts prevent to directly reveal the transport properties of the edge channels for the studied Bi_14Rh_3I_9 crystals, but nevertheless in principle the depicted measurement method should be capable of revealing direct transport through an edge channel on more sophisticated samples.

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