Potentiometrie- und Elektromigrationsuntersuchungen an metallischen Oberflächen

Kaspers, Mark

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit elementaren Prozessen beim elektrischen Transport von Ladungsträgern an Oberflächen und Grenzschichten. Es wird unterschieden zwischen der lokalen Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit auf atomarer Skala mit Hilfe der Rastertunnelpotentiometrie (STP) und der Untersuchung von Effekten, die auf der Elektromigration von Material unter elektrischer Belastung basieren. Durchgeführt wurden diese Experimente an einem Vier-Spitzen-Rastertunnelmikroskop. Dieses Instrument bietet die Möglichkeit, gezielt Ladungsträger in mikroskopische Strukturen auf der Nanometerskala zu injizieren und dabei den elektrischen Transport und dessen Auswirkungen auf die mikroskopische Struktur bis hinunter auf die atomare Skala zu untersuchen. Im Rahmen der STP-Experimente wurde die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit der Si(111)-(sqrt(3)xsqrt(3))-Ag Oberfläche makroskopisch und auf atomarer Skala untersucht. Die gefundene, abrupte Änderung der Leitfähigkeit bei einer Temperatur von ca. 220K basiert möglicherweise auf einer starken Temperaturabhängigkeit der zuleitenden Kontakte. Ein Phasenübergang von HCT- zu IET-Struktur konnte als Ursache für die Leitfähigkeitsänderung nicht bestätigt werden. Am System Ge(001)c(8x2)-Au, das an der Oberfläche ein eindimensional elektronisches System aus atomaren Nanodrahtstrukturen mit vernachlässigbarer Wechselwirkung untereinander bildet, wurden ebenfalls STP-Messungen durchgeführt. Hier wird gezeigt, dass diese Nanodrahtstrukturen elektrisch mit einer darunter vergrabenen, zweidimensional leitfähigen Schicht gekoppelt sind, die vermutlich aus Gold und Germanium besteht. Ebenfalls auf der Oberfläche gewachsene, einkristalline Goldinseln stehen ebenfalls in elektrischem Kontakt zu der vergrabenen Schicht. Des Weiteren wird gezeigt, dass die Nanodrähte elektrisch nicht an die Goldinseln koppeln. Die Goldinseln können nicht dazu genutzt werden, die Nanodrähte elektrisch zu kontaktieren. Bei der Untersuchung des elektrischen Transports in Nanostrukturen bei höheren Stromdichten konnten mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie morphologische Änderungen der Oberfläche eines einkristallinen Silber-Nanodrahts gefunden werden. Bei Stromdichten von 1.5 · 10^7 A/cm2 wurden Bewegungen von Stufenkanten, Inseln und Löchern beobachtet. Die Ergebnisse wurden im Rahmen von Wind- und Direktkraft interpretiert. Sie zeigen, dass für dieses System auf mikroskopischer Skala die elementaren Prozesse, die zum Ausfall makroskopischer, metallischer Leiter führen können, durch die Windkraft dominiert werden.

This thesis deals with the elementary processes of the electric transport of charge carriers at surfaces and interfaces. The thesis is devided into two parts: The local study of the electric conductance at the atomic scale using scanning tunneling potentiometry (STP) and the analysis of electromigration processes, i.e. the current induced motion of atoms in a conductor, using scanning tunneling microscopy (STM). The experiments were carried out using a four tip scanning tunneling microscope which gives the unique opportunity to inject charge carriers into microscopic nanostructures. Thereby the electric transport properties of the surface and the impact to the microscopic surface structure were analyzed with atomic scale resolution. By means of scanning tunneling potentiometry the temperature dependance of the con- ductance of the Si(111)-(sqrt(3)xsqrt(3))-Ag surface is studied. At a temperature of 220 K a change in the conductance is observed, which is probably caused by the strong temperature dependence of the contacts. A surface phase transition from the HCT- to the IET-structure could not be approved to be responsible for the change in conductance. At the Ge(001)c(8x2)-Au surface, which forms an atomic chain architecture with an one dimensional electron system with negligible interchain coupling, scanning tunneling potentiometry reveals a conductive layer, supposedly consisting of gold and germanium, buried underneath the surface. The surface nanowires are electrically coupled to this buried layer. Additional, single-crystalline gold islands, simultaneously grown on top of the Au/Ge surface, are also coupled to the buried layer, but are decoupled from the nanowires. Thus, those gold islands cannot be used to establish electrical contacts to the nanowires. To probe the electric transport at higher current densities in nanoscale devices scanning tunneling microscopy was used. Thereby, morphological changes at the surface of a single-crystalline silver nanowire were studied. Due to the electrical stressing at a current density of 1.5 · 10^7 A/cm2 the motion of step edges, islands and holes occurs. The findings are interpreted in the framework of electromigration ́s Wind and Direct force. For the given system the elementary processes, which may lead to the failure of macroscopic integrated circuits, are identified as a result of the Wind force and visualized by video imaging using a STM.

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Kaspers, Mark: Potentiometrie- und Elektromigrationsuntersuchungen an metallischen Oberflächen. 2013.

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