Charge transport measurements at GaAs-nanowires and development of a low-temperature four-tip scanning tunneling microscope

Junker, Hubertus Hartmut Robert; Voigtländer, Bert; Morgenstern, Markus

doi:10.18154/RWTH-2016-11950

Charge transport measurements at GaAs-nanowires and development of a low-temperature four-tip scanning tunneling microscope = Ladungstransportmessung an GaAs-Nanodrähten und Entwicklung eines Tieftemperatur-Vierspitzen-Rastertunnelmikroskops

Junker, Hubertus Hartmut Robert

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Hubertus Hartmut Robert Junker

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (XI, 153, XXIII Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Voigtländer, Bert (Thesis advisor) ; Morgenstern, Markus (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-11-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-119506
DOI: 10.18154/RWTH-2016-11950
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/680742/files/680742.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/680742/files/680742.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
charge transport (frei) ; four-tip STM (frei) ; GaAs nanowires (frei) ; low temperature (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Es wurden Ladungstransportmessungen an freistehenden GaAs-Nanodrähten mit einem Raumtemperatur-Mehrspitzen-Rastertunnelmikroskop durchgeführt. Vierpunktwiderstandsmessungen an einzelnen Nanodrähten wurden, mit hoher räumlicher Auflösung durchgeführt. Nacheinander wurden drei Proben untersucht, die mit unterschiedlichen Temperaturverläufen hergestellt wurden. Detaillierte Widerstandsprofile entlang mehrerer Nanodrähte von jeder Probe wurden erstellt. Drei unterschiedliche Regionen wurden dabei in den Widerstandsprofilen identifiziert: Eine Region am Sockel, die aufgrund von fehlendem Dotierstoffeinbau einen hohen Widerstand hat, eine Übergangsregion in der Mitte mit noch höherem Widerstand und eine Region mit niedrigem Widerstand an der Spitze der Nanodrähte, in der der Dotierstoff wie vorgesehen in den Draht eingebaut wurde.Die Berechnung der Verarmungszonengröße entlang der Nanodrähte hat ergeben, dass die Drähte in den Zonen mit hohem Widerstand vollständig verarmt sind. Nur in der Region mit geringem Widerstand floss der Strom durch den Leitungskanal im Zentrum der Drähte, in den anderen Bereichen floss der Strom durch die Oberflächenzustände. In der Übergangsregion wiesen die Vierpunktmessungen eine nicht lineare IV-Kennlinie auf. Bei hohen Spannungen konnte der Strom von der Oberfläche in den besser leitenden Kern fließen, bei niedrigen Spannungen verbleibt als stromführender Kanal die Oberfläche. Während der Messung der Widerstandsprofile konnten sowohl in der Übergangsregion als auch auf dem Substrat um die Sockel der Nanodrähte elektronenstrahlinduzierte Ströme beobachtet werden.Ein neues Tieftemperatur-Vierspitzen Rastertunnelmikroskop wurde realisiert, um damit Ladungstransportmessungen durchzuführen. Die Bewegungen der vier Spitzen werden dabei mit einem Rasterelektronenmikroskop überwacht. Bilder, die mit diesem SEM von einer Eichprobe gemacht wurden, konnten genutzt werden, um die Abschirmung gegen äußere Vibrationen zu optimieren.Ein Nanoantrieb (KoalaDrive), wurde benutzt, um die STM Spitzen an die Proben anzunähern. Der KoalaDrive funktioniert bei tiefen Temperaturen (5 K) und im Ultrahochvakuum mit hoher Präzision funktioniert. Mit diesem STM wurden sowohl atomare Stufen auf Graphit als auch die 525 Rekonstruktion von Pt(100) aufgelöst.Einzelne freistehende GaAs-Nanodrähte wurden mit dem Tieftemperatur-Vierspitzen-STM mit einzelnen Spitze kontaktiert. Die elektrische Aufladung eines Spitzenhalters führte zu Verzerrungen in den SEM Aufnahmen und verhinderte so Messungen mit mehreren Spitzen.

In order to perform charge transport measurements on freestanding as-grown GaAs nanowires, a room-temperature multi-tip scanning tunneling microscope was utilized as a nanoprober. Four-point resistance measurements along individual nanowires were performed with high spatial resolution. Subsequently, three different samples, grown with different temperature patterns, were investigated. Detailed resistance profiles along several nanowires on each sample were recorded. Three different regions were identified in the resistance profiles: A high resistance region at the nanowire bases (resulting from a suppressed dopant incorporation), a transition region in the middle with higher resistance and a low resistance region at the nanowire tops, with a desired amount of dopant incorporation.A calculation of the size of the depleted zone revealed that nanowires were completely depleted in the high resistance segments. Only in the low resistance region, the current could ow through the conduction channel in the nanowire core. In the high resistance region, the current was owing through surface states. In the transition region, the measured four-point IVs showed a non-linear characteristic. At high biases, the current could transfer from the surface to the better conducting core, while for low biases, the current had to ow via the surface. During the resistance profling, electron beam induced currents were present in the transition region as well as around the nanowire base on the substrate. A new customized low-temperature ultra-high vacuum four-tip scanning tunneling microscope capable of charge and magneto transport measurements has been realized to carry out charge transport measurements on semiconductor nanowires at liquid helium temperature. In order to navigate the four STM tips to desired positions, an SEM was used. SEM images of a test sample were used to optimize the vibration isolation of the experiment. A new nanopositioner (KoalaDrive) was developed to approach the tips to the sample. It could be shown that the KoalaDrive is capable of performing at low temperature (5 K), in ultra-high vacuum with high precision. In images taken with this STM, atomic steps on graphite as well as the 525 reconstruction of the Pt(100) surface could be resolved. The low-temperature multi-tip scanning tunneling microscope was used to contact single as-grown GaAs nanowires with one tip. Charging of a part of the tip holders prevented SEM images and conduction measurements with more tips.

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