Electronic transport in quasi-1D atomic wires

Abstract

Durch selbstorganisiertes Wachstum entstandene atomare Drähte sind Prototypen von 1D-Systemen zum Studium grundlegender Aspekte, z.B. CDW, Peierls Instabilitäten, oder der Übergang von einem Fermi- zu einem Luttinger Flüssigkeitsverhalten. Darüber hinaus könnten die besonderen Wechselwirkungen zwischen Ladung, Spin und Gitter zu interessanten Anwendungen in zukünftigen nanoelektronischen Geräten führen. In dieser Arbeit werden drei stark diskutierte atomare Drahtsysteme analysiert mittels eines 4-Spitzen STM/SEM Systems. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die In/Si(111)-(4x1) Rekonstruktion, die als Vergleichssystem zum Verständnis von 1D atomaren Kettensystemen dient. Das System zeigt ein stark anisotropes Transportverhalten und einen temperaturabhängigen MIT. Obwohl das System seit zwei Jahrzehnten intensiv untersucht wird, gibt es immer noch offene Fragen, z.B. die Wirkung von durch Adsorption (z.B. Sauerstoff) induzierten Defekten auf den MIT. Es stellt sich heraus, dass die Empfindlichkeit gegenüber Defekten eine Größenordnung erhöht werden kann, wenn die Transportexperimente in endlich begrenzten Gebieten durchgeführt werden. Darüber hinaus zeigt sich in sauerstoffadsorptionsabhängigen Transportmessungen nicht nur eine Reduktion der Leitfähigkeit entlang der Richtung der Atomketten, sondern auch eine Abnahme in der senkrecht Richtung. Über dieses wurde noch nicht vorher berichtet und deutet auf eine effektive interwire Kopplung zwischen den Ketten in Übereinstimmung mit zusätzlichen DFT-Berechnungen hin. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf Au-induzierte Drahtstrukturen auf Si(hhk)-Substraten. Diese Strukturen haben kürzlich eine große Aufmerksamkeit auf sich gezogen wegen ihrer ausgeprägten magnetischen Ordnung, die eine 2D Quanten-Spin-Flüssigkeit nachbildet. Die Si(553)-Au und Si(557)-Au Oberflächen werden sorgfältig während der in-situ Adsorption von molekularen Sauerstoff analysiert. Hierbei wird der Transport in Kombination mit LEED und DFT-Berechnungen in Bezug auf die verschiedenen Strukturbausteinen (Au-Ketten, Si-Adatom-Kette, Si-HC-Kante) diskutiert. Es zeigt sich, dass der Ursprung für die metallischen Oberflächenbänder entlang der Drähte unterschiedlicher Natur ist. Während die Si(553)-Au Oberfläche immun gegenüber Sauerstoffadsorption ist, zeigt die Si(557)-Au eine starke Abnahme der Leitfähigkeit entlang der Ketten. Zusätzlich wurde der MIT dieser Systeme untersucht. Hierbei wurde ein besonderer Fokus auf die Si(553)-Au Rekonstruktion gesetzt. Innerhalb einer LEED Messung zeigt sich, dass die x3-Periodizität einen strukturellen Phasenübergang bei TC=100 K besitzt, d.h. dass die Periodizität entlang der Ketten verschwindet. Im Gegensatz hierzu zeigen die Transportdaten eine Restleitfähigkeit entlang der Ketten unterhalb TC, welches einen MIT assoziiert mit der x3-Rekonstruktion ausschließt. Der letzte Teil der Arbeit analysiert die Transporteigenschaften von TbSi2-Nanodrähten, die auf vicinalem Si(001)-Substrat gewachsen wurden. Selteneerden-Silizid-Nanodrähte sind im allgemeinen sehr vielversprechend für die Industrie für eine weitere Herunterskalierung Si-basierten Verbindungen innerhalb der CMOS-Technologie, da die Drähte sehr lang (mehrere µm) und extrem dünn (wenige nm) gewachsen werden können. Eine kombinierte STM- und Transportstudie zeigt, dass der spezifische Widerstand stark abhängig ist von der Höhe der Drähte und dieser erhöht ist für kleine Höhen. Die Daten können durch ein theoretisches quasi-klassisches Modell unter Berücksichtigung der Oberflächenrauigkeit und der lateralen Oberflächenkorrelation beschrieben werden.