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Mikroskopie mit ballistischen Elektronen und Löchern

Bernhart, Alexander

Die vorliegende Arbeit präsentiert Messungen zum ballistischen Transport von Elektronen und Löchern an Metallfilmen, organische Molekülen und Oxidschichten. Die Messungen basieren auf der Methode der ballistischen Elektronen Emissions Mikroskopie BEEM und ballistischen Löchern Emissions Mikroskopie (BHEM). Antimon (Sb) wurde auf ein n-dotiertes Silizium Si(001) und Si(111)-Substrat aufgebracht. Durch die Präparation bei tiefen Temperaturen konnte zwischen dem Antimon und dem Siliziumsubstrat ein Schottkykontakt hergestellt werden. Die topografische Untersuchung der Oberfläche der Sb/Si-Dioden zeigt eine raue, polykristalline Struktur. Mit einer BEES-Messung (ballistische Elektronen Emissions Spektroskopie) konnte die Barrierenhöhe der Sb/Si-Dioden abgeschätzt werden. Zusätzlich wurde mit BHEM der ballistische Löchertransport durch das PTCDA Molekül untersucht werden. Die PTCDA-Moleküle wurden dafür auf eine Bismut-Silizium (Bi/Si) Schottkydiode aufgebracht. Die Moleküle ordneten sich auf dem Bismut in der bekannten Herringbone Struktur an. In den BHEM Aufnahmen konnte auf den Molekülinseln ein molekularer Auflösung erreicht werden. Zum Schluss wurde die Oxidschicht an MIM-Dioden (Metall-Isolator-Metall) mit BEEM und BHEM Messungen untersucht. Die Ergebnisse widersprechen den gängigen BEEM Theorien. Aus diesem Grund wurde die Transmission von den Ladungsträgern durch die Oxidschicht simuliert und mit den Messdaten verglichen. Mit dieser Methode ist es gelungen aus den Messdaten ein Modell für die Barriere vorzuschlagen, das die experimentellen Ergebnisse richtig beschreibt.

The present work focuses on the ballistic transport of electrons and holes through metallic layers, organic molecules and oxide layers. The studies were performed using the techniques of ballistic electron emission microscopy BEEM and ballistic hole emission microscopy BHEM. Antimony (Sb) was deposited onto n-doped Si(001) and Si(111) silicon substrates. The low-temperature deposition enabled the formation of Schottky barriers between the antimony film and silicon substrate. The study of the Sb/Si-diode surface shows a polycrystalline structure. By means of BEES measurements (ballistic electron emission spectroscopy) the barrier height of the Sb/Si-diodes could be estimated from the onset of the BEEM current. In addition, the ballistic transport of holes through the PTCDA molecule was analyzed using BHEM. The PTCDA molecules were deposited onto a bismuth-silicon (Bi/Si) Schottky diode. On the bismuth surface the PTCDA molecules formed the well-known herringbone structure. The BHEM signal shows molecular resolution for the molecular islands. Finally, MIM-diodes (metal-insulator-metal) were analyzed using BEEM and BHEM. The measurements were found to be in conflict with the established BEEM theory. For this reason, the transmission of the charge carriers through the oxide barrier was simulated and compared with the measured data. With this technique it is possible to propose a model for the oxide barrier that is in good agreement with the experimental results.

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Bernhart, Alexander: Mikroskopie mit ballistischen Elektronen und Löchern. 2012.

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