Rastertunnelspektroskopieanlage
Final Report Abstract
Systemoptimierung: unächst wurden Kalibrierungsmessungen auf supraleitendem Pb sowohl mit unterschiedlichen Spitzenmaterialien aufgenommen. Anhand dieser konnte die Energieauflösung des Systems zu 120 μeV bestimmt werden, nachdem eine Vielzahl energieverbreiternder elektromagnetischer Einstrahlungen in das System durch adäquate Tiefpassfilterung sämtlicher Leitungen eliminiert wurden. Das verbleibende Spannungsrauschen konnte anhand des Josephson-Peaks zu 20 μeV abgeschätzt werden. Optimierung des Vibrationsrauschens führte zu open-loop Rauschwerten im sub-pm-Bereich. Aufgrund der Komplett-UHV-Technologie des Magnetkryostaten zeichnet sich das System durch kompakte Bauweise (Bauhöhe < 2,50 m) und eine sehr lange Standzeit bei 370 mK Basistemperatur (> 10 Tage) aus. Die laterale Drift beträgt ~ 8 pm/h. Außerdem konnte gezeigt werden, dass eine 4-Punkt-Magneto-Transportmessung im Rastertunnelmikroskop möglich ist, d.h. es wurden Shubnikov-de Haas Oszillationen eines zweidimensionalen Elektronengases temperatur- und magnetfeldabhängig vermessen. Schließlich wurde der Rasterkraftmikroskopiemodus mittels Q-Plus-Sensor in Betrieb genommen, der es erlaubt leitfähige Strukturen (z.B. Graphennanostrukturen) auf isolierenden Substraten aufzufinden und rastertunnelspektroskopisch zu untersuchen. Lokale Vermessung des Rashba-Effektes: Mit Hilfe der spinaufgelösten Landau-Niveau-Spektroskopie konnte der Rashba-Effekt in einem zweidimensionalen Elektronensystem erstmals auf der lokalen Skala mit nm Auflösung vermessen werden. Hierzu wurde eine InSb-basiertes zweidimensionales Elektronensystem verwendet, dass einen sehr hohen mittleren Rashba-Koeffizienten von ~1 eVÅ aufweist. Anhand der magnetfeldabhängigen Spinaufspaltung des untersten Landauniveaus und anhand der Kreuzungspunkte in den aufgenommenen Landau-Fächern konnte zunächst nachgewiesen werden, dass der Rashba-Effekt einen wesentlichen Beitrag zur Spinaufspaltung im Magnetfeld leistet. Anhand räumlich aufgelöster Karten der Spinaufspaltung konnte dann der Rashba-Parameter kartiert werden, der rms-Fluktuationen von etwa 30 % bei einer Korrelationslänge von etwa 20 nm zeigt. Diese Fluktuation des Rashba-Parameters ist entsprechend theoretischer Abschätzungen für die Spindephasierung im Transport von größerer Bedeutung als der zumeist verwendete Dyakonov- Perel Mechanismus. Direkte Abbildung nodaler Landauwellenfunktionen: Basierend auf einer früheren Publikation des Antragstellers (2012), die mittels Fourier-Transformations-STM zeigt, dass die Knoten-Struktur der unterschiedlichen Landau-Niveau- Wellenfunktionen auch in der Unordnung eines Halbleiters abbildbar ist, wurden die bisher nur im Fourierraum eindeutig erkennbaren Strukturen jetzt auch im Realraum für das erste und zweite Landauniveau abgebildet und erfolgreich mit exakten Diagonalisierungsrechnungen verglichen. Vermessung von Bandlücke und Valenzband von Ge2Sb2Te5: Epitaktisch auf Si(111) hergestellte Ge2Sb2Te5 Filme in der technologisch relevanten metastabilen, kristallinen Struktur vom PDI Berlin (Gruppe Calarco) wurden mittels UHV-Koffer in-situ in das RTM-System transferiert und dort mit und ohne Magnetfeld spektroskopiert. Es zeigt sich in Übereinstimmung mit Photoelektroenspektrokopie-/Dichtefunktionaltheorie-Analysen eine verbleibende Zustandsdichte in der Bandlücke, die allerdings keine Landau-Niveau-aufspaltung bis zu 14 T zeigt. Außerdem konnten unordnungsbedingte Fluktuationen von Bandlücke und Valenzbandkante im Bereich von bis zu 50 meV auf der Längenskala von ca. 1 nm nachgewiesen werden.
Publications
- Probing the Rashba spin-orbit coupling at the nanometer scale. Nature Phys.
J. R. Bindel, M. Pezzotta, M. Liebmann, E. Sherman, and M. Morgenstern
(See online at https://doi.org/10.1038/nphys3774)
