Elektrische Leitfähigkeit auf atomarer Skala

Elektrische Leitfähigkeit auf atomarer Skala

 Sebastian Bauer und Christian Bobisch

Methode

In der Rastertunnel-Potentiometrie (STP) legt man eine Spannung z.B. an einen dünnen Metallfilm an und misst die Potentialverteilung an der Oberfläche des Films. Die Potentialverteilung auf der Oberfläche resultiert aus der Streuung der Leitungselektronen an Oberflächendefekten im Metallfilm. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die elementaren Prozesse zum Ladungstransport an der Oberfläche und in den Oberflächenzuständen ziehen. Da die Methode mit Hilfe eines STM realisiert wird, erhält man neben der topographischen Information der Oberfläche simultan auch lokale Informationen über die Streuung der Leitungselektronen mit atomarer Auflösung.

3 Spitzen im Potentiometrie-Betrieb

Zwei Tunnelspitzen ( 1 und 3) werden an definierten Stellen auf die Oberfläche gesetzt und erzeugen je einen Punktkontakt. Zwischen diese beiden Kontakte legt man ein Potential an und misst mit der einer weiteren Spitze ( 2 ) die Topografie der Oberfläche. Simultan zur Topographie wird mittels eines zusätzlichen Regelkreises das Potential auf der Probe aufgezeichnet. Hierdurch erhält man eine Potentialkarte der Oberfläche.

STM Topografie und Potentialbilder für zwei verschiedene Stromrichtungen j. Bitte klicken zum vergrößern.

Ergebnisse

Für das System der Silber induzierten  rekonstruierten Oberfläche Si(111)-√3×√3:Ag konnten lokale Sprünge in der lateralen Potentialverteilung den Widerständen einzelner atomarer Stufenkanten oder Domänengrenzen zugeschrieben werden (Nano Letters 9, 1588 (2009). Die STP Methode liefert gleichzeitig ein Topographiebild  und ein Potentialbild des untersuchten Oberflächenausschnitts. An jeder atomaren Stufenkante oder Domänengrenze des Topografiebildes  findet man im dazu gehörenden Potentialbild einen Sprung des Potentials. Eine Auswertung der Höhe der Sprünge lässt es nun zu, Widerstandswerte für solche atomar kleinen Defekte anzugeben. Dies sind die elementaren Beiträge zum makroskopisch beobachteten Widerstand.

Aktuelle Ergebnisse

Aktuell untersuchen wir im Rahmen eines DFG Projektes den Stromtransport an der Oberfläche topologischer Isolatoren, z.b. an Bi2Se3 Filmen auf Silizium. Hier interssieren wir uns insbesondere für den Einfluss von Oberflächendefekten (Stufenkanten, Fehlstellen) aber auch von Absorbaten auf den lokalen Stromtransport. Aus dem lokalen Potentialverläufe  in der Umgebung dieser Defekte kann man dann die auftretenden Streukanäle lokal identifizieren, z.B. um herauszufinden, inwiefern der topologische zustand weiterhin geschützt ist. Das Bild zeigt das Bild der Topografie einer in unserer Gruppe präparierten Bi2Se3 Schicht.