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Mikroskopie mit ballistischen Elektronen

Bobisch, Christian LSF

Die vorliegende Arbeit präsentiert atomar und molekular aufgelöste Messungen zum ballisti-schen Transport von Elektronen durch ultradünne Metallschichten und organische Moleküle. Die Messungen erfolgten mit Hilfe der „Ballistischen Elektronen Emissions Mikroskopie“ (BEEM), einer auf der Rastertunnelmikropskopie basierenden Drei-Punkt-Messmethode zur Charakterisierung von Schottky-Dioden und deren Grenzflächen. Am Beispiel von Ag/Si zeigt der Vergleich zu bereits bestehenden Messungen für Au/Si viele ähnliche Effekte der unterschiedlichen Metallfilme. Es stellte sich heraus, dass die Eigen-schaften der Schottky-Dioden bei Ag/Si nahezu unabhängig von der Wahl der Substratorien-tierung (Si(111) oder Si(100)) sind. Vielmehr spielt die Präparation des Siliziumsubstrats eine entscheidende Rolle (Wasserstoff terminiert oder geflasht auf ca. 1500 K). Lateral aufgelöste BEEM-Messungen zeigen, dass für Ag/Si, wie für die elektronisch ähnli-chen Au/Si-Dioden, an Stufenkanten des Metallfilms ein erhöhter ballistischer Strom sowohl für ein Si(111) als auch ein Si(100)-Substrat auftritt. Messungen zu Wismut auf Silizium-Dioden liefen einen direkten Vergleich des Einflusses von Bandstruktureffekten im Metall-film auf den ballistischen Transport. Im Gegensatzt zu Silber erlaubt Wismut eine Injektion von Elektronen in der Nähe des Gammapunktes, so dass für propagierende Elektronen der Unterschied in der Bandstruktur der beiden Siliziumsubstrate (Si(111) und Si(100)) sichtbar wird. Der bekannte Stufenkanteneffekt im ballistischen Strom tritt für Bi/Si nur bei einem (111)-orientierten Siliziumsubstrat auf. Weiterführend konnte das Wachstum der Wismutfilme präzise bestimmt werden, da das BEEM-Signal auch auf Korngrenzen im Wismutfilm, Grenzflächeneffekte und die atomare Struktur der Metalloberfläche sensitiv ist. Nach erfolgreicher Charakterisierung wurden die Bi/Si Dioden zur Detektion ballistischer Ströme durch molekulare Adsorbatschichten benutzt. Im Gegensatz zur bisherigen Verwen-dung von BEEM wurde die zu studierende Spezies nicht an der Grenzschicht, sondern oben auf der Metallelektrode platziert. Dadurch war es möglich, den Transport ballistischer Elekt-ronen durch Adsorbate zu studieren. Diese neue, Nahfeld Elektronen Transmissionsmikro-skopie bei Energien zwischen der Fermi- und der Vakuumenergie wurde zunächst an zwei Modellmolekülsystemen, dem C60 Fulleren und dem Perylenderivat PTCDA, durchgeführt. Bedingt durch die neuartige BEEM-Geometrie wird die erreichbare Auflösung durch den Tunnelprozess bei der Injektion bestimmt, so dass für beide Moleküle intermolekulare Auflö-sung der Pfade der ballistischen Elektronen erreicht wurde.

The present work focuses on the ballistic transport of electrons through ultrathin metallic lay-ers as well as through organic molecules on top of these layers. The studies were performed using the three terminal technique of “ballistic electron emission microscopy” (BEEM), based on the scheme of scanning tunneling microscopy. The example of Ag/Si shows many comparable effects concerning ballistic transport in com-parison to previous studies on Au/Si Schottky diodes. It turns out, that in the case of Ag/Si the substrate orientation (Si(111) or Si(100)) plays a minor role concerning the electronic proper-ties of the Schottky diodes. However, the preparation of the silicon substrate (Hydrogen ter-minated or flashed to 1500 K) critically influences the electronic properties. Laterally resolved BEEM studies show that the ballistic transport relies on the band structure of the metallic layer. Comparable to Au/Si, for Ag/Si a rise in the BEEM-signal occurs if the injection takes place at a surface step of the metallic layer. This signal is nearly independent of the choice of the substrate orientation. In contrast, a bismuth layer allows the injection of electrons with a k|| near the gamma point, so that the difference in the band structure of both silicon substrate orientations becomes visible for the ballistic electrons. In the case of bis-muth, the rise in the BEEM signal at step edges only occurs for a (111)-oriented silicon sub-strate. Furthermore the growth of the bismuth layer could be precisely determined using BEEM, since the BEEM signal is also sensitive to grain boundaries in the bismuth layer, interface effects or the atomic structure of the bismuth surface. After the successful characterisation, the Bi/Si diodes were used as a detector for ballistic electrons injected into organic molecules. In contrast to previous studies, the species to be analysed was placed on top of the metallic layer instead of placing them at the interface. This allows analysing the ballistic transport though adsorbates. For the first time this new, near field electron transmission technique at electron energies between the Fermi- and the vacuum level, was used to study the ballistic transport though two archetypical molecules, the C60 Fulleren and the perylene derivative PTCDA. Based on the innovative BEEM geometry, the possible lateral resolution is determined by the tunnelling process at the injection, so that for the first time the pathways of ballistic electrons could be studied for both molecules with in-tramolecular resolution.

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Bobisch, Christian: Mikroskopie mit ballistischen Elektronen. 2007.

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