Correlation of electronic transport and structure in Pb atomic wires on Si(557) surfaces [Elektronische Ressource] / von Marcin Czubanowski

Marcin Czubanowski

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• Publié le: 01 janvier 2009
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• Langue: English
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Extrait

Correlation of electronic
transport and structure in Pb
atomic wires on Si(557) surfaces
Von der Fakult at fur Mathematik und Physik
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universit at Hannover
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.
genehmigte Disertation
von
Dipl.-Phys. Marcin Czubanowski
geboren am 24. Oktober 1978 in Posen
20092
Referent: Prof. Dr. H. Pfnur
Korreferent: PD Dr. C. Tegenkamp
Tag der Promotion: 29.06.20093
Keywords: One dimensional Pb-wires, conductance in low dimension, SPA-LEED
Schlagw orter: Eindimensionale Pb-Dr athe, Leitf ahigkeit von den niedrigdimen-
sionalen Strukturen, SPA-LEED4
Abstract
One dimensional electron systems are very interesting because they exhibit a wealth
of interesting physical phenomena, such as the quantization of conductance, Peierls
instability, Fermi or Luttinger liquids behavior. These e ects have been intensively
studied with respect to structure and electronic con guration as both are related to
each other. The Pb/Si(557) system, which is the subject of this thesis, manifests
a phase transition for a Pb coverage of 1.31 ML. This phase transition is observed
at temperatures as low as T = 78K and switches between two states. In the highc
temperature state, the conductivity is thermally activated and has very low anisotropy.
For the low temperatures, the conductivity switches into high anisotropy state (a factor
of 60). Later in, it was shown that this quasi{1D behavior is a consequence of the
interactions within the structure that as a whole are strongly two dimensional.
The goal of this work was to study more the nature of the Pb/Si(557) phase transition.
To this end, the structure behavior as characterized through the SPA-LEED, and the
electronic transport behavior as characterized through the conductivity measurements
were essential to obtain.
The electron scattering experiment performed on the discussed system, has delivered
information about the periodic arrangement of the Pb/Si(557) structure that correlates
with the STM measurement. The spot splitting at a temperature below T in the [112]c
direction are directly related to the average wire separation of 1.55 nm. In addition, the
structure of the wires itself has been inspected and a model of the atomic con guration
is given. The devil’s staircase regime that describes the atomic structure of the wires has
been observed in the coverage range of 1.2{1.31ML. Moreover, the most striking result
in this section was that the step structure of the Si(557) surface could be modulated
via Pb concentration at low temperatures.
The structure stability of 1.31ML Pb/Si(557) has been investigated with LEED under
variable temperature conditions. The main point of interest was the structural changes
at T for the (1,5) phase, for which the electrical phase transition has been observed.c
From the energy dependence of the re ex positions, the surface facets orientation was
determined to changes from [223] direction below T to higher index surface e.g. [17c
17 25]. This e ect has been contributed to the coupling of the electronic and lattice
variations.
Finally, the electron transport has been examined as a function of coverage, tempera-
ture and magnetic eld with respect to wire direction. For the (1,5) phase of Pb/Si(557)
system, the phase transition has been observed to be very sharp atT . It changes fromc
a delocalized electron system at T > T to a quasi-1D metal phase at T < T . Thec c
evaluation of the phase transition with excess coverage has been measured as well. The
band gap lling via increase of Pb concentration at the step edges of Pb(223) facets has
been observed as a decrease of the logarithm of the conductance as a function of the
coverage atT <T . The Pb excess coverage leads to the formation of 1D superlatticesc
which modify the electronic stabilization of the Pb(223) surface as measured by LEED.
The measurements performed in a magnetic eld show that the Fermi nesting condition
is destroyed already at around 2T. This e ect can be attributed to the Zeeman energy
level splitting. The fact that weak anti{localization has been observed at coverages
higher than 1.32ML points towards the enhanced spin-orbit coupling.Zusammenfassung
Eindimensionale Elektronensysteme erzeugen gro es Interesse auf Grund der gro en
Zahl von interessanten physikalischen Phanomenen, wie z.B. Quantisierung der Leit-
fahigkeit, Peierls-Instabilitaten und Fermi- oder Luttinger-Flussigk eitsverhalten. So-
wohl die elektronische Kon guration, als auch die Struktur dieser Systeme wurden in-
tensiv untersucht, da beide in engem Zusammenhang stehen. Das System Pb/Si(557),
welches den Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit darstellt, zeigt bei einer Bleibe-
deckung von 1,31 ML einen Phasenubergang. Dieser Phasenubergang kann bei einer
Temperatur von T = 78K beobachtet werden. Im Hochtemperaturbereich ist diec
Leitfahigkeit thermisch aktiviert und besitzt eine sehr niedrige Anisotropie. Bei nied-
rigen Temperaturen springt die Leitfahigkeit in einen stark anisotropen Zustand. Es
wird gezeigt, dass dieses quasieindimensionale Verhalten eine Konsequenz der Wech-
selwirkungen innerhalb der Struktur darstellt, welche aber als Ganzes zweidimensional
ist.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war einen tieferen Einblick in die Natur dieses Phasen-
uberganges zu gewinnen, dazu wurden sowohl strukturelle (SPA-LEED), als auch elek-
tronische (Transportmessungen) Untersuchungen durchgefuhrt.
Die Elektronenbeugung am beschriebenen System liefert Informationen ub er die pe-
riodische Anordnung der Pb/Si(557) Struktur, die mit STM-Messungen im Einklang
stehen. Die Aufspaltung der Re exe unterhalb von T in [112]-Richtung steht direktc
mit dem Drahtabstand von 1,55 nm in Zusammenhang. Au erdem wurde die Struk-
tur der Drahte selbst untersucht und es wird ein entsprechendes Model angegeben. Im
Bereich von 1,2 { 1,3 ML beschreibt eine \devil’s staicase" die Struktur der Drahte.
Au erdem wurde als wesentliches Ergebnis dieses Abschnittes festgestellt, dass sich bei
tiefen Temperaturen die Stufenstruktur uber die Bleibedeckung verandern lasst.
Die Stabilitat der 1.31ML Pb/Si(557) Struktur wurde mittels LEED bei variabler Tem-
peratur untersucht. Im Fokus des Interesses standen hierbei die strukturellen Verande-
rungen beiT fur die (1,5)-Phase, an der der elektronische Phasenubergang beobachtet c
wurde. Aus der Energieabhangigk eit der Re expositionen konnte ermittelt werden, dass
sich die Ober achenfacetten von [223] unterhalb T auf hoher indizierte Flachen (z.B. c
[17 17 25]) andern.
Abschlie end wurde der elektronische Transport als Funktion der Bedeckung und eines
Magnetfeldes in Abhangigk eit von der Drahtrichtung untersucht. Fur die (1,5)-Phase
des Pb/Si(557)-Systems wird dabei ein sprunghafter Phasenub ergang bei T beobach-c
tet. Dabei wandelt sich ein delokalisiertes Elektronensystem bei T >T in einen qua-c
sieindimensionales System bei T < T . Die Abhangigkeit des Phasenub erganges vonc
zusatzlicher Bleibedeckung wurde ebenso untersucht. Das Fullen der Bandlucke mit
steigender Pb-Bedeckung fuhrt zu einem Abklingen des Logarithmus der Leitfahigkeit
mit der Temperatur beiT <T . Das uberschussige Blei fuhrt zu einem eindimensiona- c
len bergitter, welches die elektronische Stabilitat der im LEED gemessenen Pb(223)-
Ober ache verandert. Die Magnetfeldmessungen zeigen, dass die "Fermi-Nesting" Bedin-
gung bereits bei Feldern von 2 T zerstort wird. Dieser E ekt kann der Zeeman-Energie-
aufspaltung zugerechnet werden. Die Tatsache, dass schwache Antilokalisierung bei
Bedeckungen gro er als 1,32 ML beobachtet wurde deutet auf eine verst arkte Spin-
Orbit-Kopplung hin.
5Inhaltsverzeichnis
1 Introduction 8
2 Theoretical background 13
2.1 Pb/Si(111) - Devil’s staircase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Charge transport theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 The model of free electrons (Drude model) . . . . . . . . . 17
2.2.2 Anderson-localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3 Weak localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.4 Size e ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.5 Electron con nement in 1D . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.6 1D system and Charge Density Waves instability . . . . . 26
3 Experimental 29
3.1 Ultra High Vacuum System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1 SPA - LEED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.2 Cryostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.3 Sample holder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2 Lead Evaporator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Conductivity measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Two-pointts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 Four - point measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.3 Eight-pointts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 Silicon (557) 45
4.1 Silicon Bulk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 The vicinal silicon (557) surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Other vicinal silicon surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5 Sample preparation and characterization 51
5.1 Preparation