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Multi-tip scanning tunneling potentiometry on thin bismuth films and topological insulators in a cryogenic system
2023
Dissertation, RWTH Aachen University, 2023
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-07-31
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-07800
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/963395/files/963395.pdf
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Ein Mehrspitzen-Rastertunnelmikroskop (RTM) ist ein hervorragendes Instrument zur Untersuchung der Ladungstransporteigenschaften von nanostrukturierten Oberflächen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Verwendung von Mehrspitzen-RTM zur Durchführung von Rastertunnelpotentiometrie-Messungen, die die gleichzeitige Erfassung von Topographie- und Potenzialinformationen der untersuchten Probe ermöglichen. Ein detaillierter Einblick in die Messprinzipien und den Messaufbau sowie theoretische Überlegungen zu dieser Messmethode werden in Kapitel 2 gegeben. Mit den Mitteln der Rastertunnelpotentiometrie zur Hand wird in Kapitel 3 der Ladungstransport um nanoskalige Defekte in dünnen Bi{012} Filmen, die in einer Struktur ähnlich zu schwarzem Phosphor kristallisieren, thematisiert. Potenziallandschaften, die um diese Defekte herum aufgezeichnet wurden, zeigen die Ausbildung von Transportdipolen, die je nach dem zugrundeliegenden Transportregime unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Der Vergleich der Messdaten mit numerischen Berechnungen und Widerstandsnetzwerksimulationen zeigt Anzeichen eines Übergangs vom klassischen zum quantenmechanischen Ladungstransport im Realraum. Die in diesem Kapitel vorgestellten Ergebnisse motivieren die Notwendigkeit eines neuen Rastertunnelpotentiometrieaufbaus bei kryogenen Temperaturen, der in Kapitel 4 vorgestellt wird. In diesem Kapitel wird ein mit einem zur Überwachung der Spitzenbewegungen genutztem Rasterelektronenmikroskop (REM) kombiniertes Vierspitzen-RTM vorgestellt, das in einem statischen Badkryostaten platziert ist. Zusätzlich werden die Leistungsmerkmale des RTM und des REM charakterisiert und die Ultrahochvakuumkammer und der Kryostat sowie das System zur Vibrationsisolierung beschrieben. Kapitel 5 stellt Potentiometriemessungen in diesem kryogenen Aufbau vor. Der erste Teil des Kapitels erörtert Thermospannungssignal ein dünnen Bi(001)-Schichten, die in einer hexagonalen Struktur kristallisieren. Diese Messungen zeigen die Existenz von Randzuständen in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Stufenkante. Darüber hinaus wird ein Leistungsmaßstab für Potentiometriemessungen in dem neuen Aufbau etabliert. Der zweite Teil des Kapitels charakterisiert die Temperaturabhängigkeit von eindimensionalen Kristalldefekten und Stufenkanten in dem ternären topologischen Isolatorsystem (Bi1-xSbx)2Te3. Es zeigt sich eine verringerte Defektleitfähigkeit bei niedrigeren Temperaturen, was im scheinbaren Widerspruch zu einer erhöhten Unterdrückung der Rückstreuung in topologischen Oberflächenzuständen steht. Eine solche Unterdrückung ist bei niedrigen Temperaturen aufgrund von weniger Mehrfachstreuung an Kristalldefekten zu erwarten.A multi-tip scanning tunneling microscope (STM) is a great tool to investigate charge transport properties of nanostructured surfaces. This work focuses on the utilization of multi-tip STM implemented scanning tunneling potentiometry (STP) measurements, which allow for the simultaneous acquisition of topography and potential information of the sample under investigation. A detailed insight into the measurement principles and setup as well as theoretical considerations on this measurement method is given in chapter 2. With the means of STP at hand, chapter 3 makes charge transport around nanoscale defects in thin bismuth{012} films, which crystallize in a black phosphorus like structure, the subject of discussion. Potential maps recorded around those defects reveal the formation of transport dipoles, which exhibit different characteristics depending on the underlying transport regime. Comparing the measurement data with numerical calculations and resistor network simulations gives indications for the transition from classical to quantum mechanical charge transport in real space. The results presented in this chapter motivate the need for a new STP setup at cryogenic temperatures, which is introduced in chapter 4. The chapter reports a new four-tip STM seated in a static bath cryostat combined with a scanning electron microscope (SEM) used to monitor the tip movements. Additionally, the STM's and SEM's performance properties are characterized and the ultra-high vacuum chamber and cryostat as well as the vibration isolation system are described. Chapter 5 presents potentiometry measurements in the cryogenic setup. The first part of the chapter discusses thermo voltage signals in thin Bi(001) lms crystallizing in a hexagonal structure. Those measurements illustrate the existence of edge states depending on the step edge type. Furthermore, a performance benchmark for STP measurements in the setup is established. The second part of the chapter characterizes the temperature dependence of one-dimensional crystal defects and step edges in the ternary topological insulator system (Bi1-xSbx)2Te3. It demonstrates a decreased line defect conductivity at lower temperatures, seemingly contradicting an increased suppression of backscattering in topological surface states. A suppressed backscattering can be expected at low temperatures due to less multi-scattering events at crystal defects.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030335258
Interne Identnummern
RWTH-2023-07800
Datensatz-ID: 963395
Beteiligte Länder
Germany
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