Oberflächenuntersuchungen und atomare Manipulation mit einem Rastertunnelmikroskop bei tiefen Temperaturen

Abstract

Der Schwerpunkt meiner Doktorarbeit lag auf dem Aufbau eines Ultrahochvakuum-, Tieftemperatur-RTM (Rastertunnelmikroskop). Auf der Basis bereits bestehender Instrumente wurde ein hochstabiles RTM entwickelt, mit dem es möglich ist Oberflächen und Adteilchen auf atomarer Skala zwischen 4.9 K und 300 K abzubilden und zu manipulieren. Im Vergleich zu den Vorgängermodellen wurde insbesondere die Stabilität durch eine Optimierung des Scanners verbessert und durch eine Verbesserung der thermischen Widerstände die minimale Temperatur von 15 K auf 4.9 K abgesenkt. Diese Maßnahmen haben zu einer vertikalen Auflösung von weniger als 0.2 pm geführt und erlauben darüber hinaus die kontrollierte Manipulation von einzelnen Atomen. Der simultan mögliche optische Zugang erlaubt die Kombination des Tieftemperatur-RTM mit optischen Methoden.

Die tiefste tatsächlich am Ort der Probe erreichbare Temperatur wurde durch dI /dV-Spektroskopie an supraleitenden Pb-Filmen auf einem Ag(111)-Substrat ermittelt. Dadurch konnte eine Energieauflösung von nur 2 mV demonstriert werden und eine minimale Probentemperatur von 4.9 K gemessen werden.

An dem System LiF/Ag(111) wurde zum ersten Mal das fraktale Wachstum eines ionischen Isolators auf einem Metallsubstrat untersucht. Die Daten zeigen Übereinstimmung mit dem Skalierungsgesetz für Inseldichten mit einer kritischen Clustergröße i=1. Die Auswertung ergab eine Abschätzung für die Diffusionsbarriere der LiF-Monomere auf Ag(111) von 30 - 47 meV und es wurde eine fraktale Dimension von d=1.75± 0.01 bestimmt. Die lokal kubische Symmetrie weist auf eine (100)-Terminierung der LiF-Inseln hin. Schließlich konnte an den Stufenkanten ungewöhnlicherweise ein symmetrisches Wachstum beobachtet werden und mit der Ladungsdichteumverteilung an den Stufenkanten erklärt werden.

Die Cr(110)-Oberfläche wurde bei Temperaturen zwischen 6 K und 145 K mit dem RTM untersucht und es konnte zum ersten Mal gezeigt werden, daß die Ladungsdichtewelle als Begleitung der Spindichtewelle im Cr-Volumen eine Modulation der Ladungsdichte auf der Oberfläche erzeugt. Bei Tunnelspannungen im Bereich ± 150 meV wurde eine Ladungsdichtewelle mit einer Wellenlänge von 42 ? beobachtet. Dieses Wellenmuster kann durch die Projektion der Volumenladungsdichtewelle auf die Oberfläche erklärt werden. Durch die Kopplung der Spindichtewelle an die Ladungsdichtewelle kann auf diese Weise indirekt die antiferromagnetische Domänenstruktur auf nm-Skala abgebildet werden.

Die kontrollierte atomare Manipulation mit dem RTM wurde zur Bestimmung der Lebensdauern der Oberflächenelektronen eingesetzt. In diesem Experiment wurde eine dreieckige Streugeometrie aus 51 Ag-Atomen auf einer Ag(111)-Oberfläche konstruiert. Die Elektronen des Oberflächenzustandes werden an diesen Adatomen gestreut und erzeugen ein Interferenzmuster, das im dI/dV-Modus vermessen wurde. Auf der Basis einer Vielfachtreuungstheorie wurden diese Interferenzmuster berechnet. Die Anpassung der Rechnungen an die Daten ergibt die Absorption und die Streuphasen der Adatome und die Lebensdauern der Elektronen. Mit diesem Experiment konnte so zum ersten Mal die Lebensdauer von Oberflächenelektronen in einer künstlichen atomaren Struktur gemessen werden.

The focal point of my thesis lay on the construction of an ultrahigh-vacuum, low-temperature STM (scanning tunnelling microscope). On the basis of already existing instruments, a highly stable STM has been developed, which is capable to image and manipulate surfaces and adparticles on the atomic scale between 4.9 K and 300 K. As compared to the predecessors, the stability of the STM has been enhanced by an optimisation of the scanner and by improved thermal resistances the minimal temperature has been lowered from 15 K to 4.9 K. These measures led to a vertical resolution better than 0.2 pm and allow furthermore the manipulation of single atoms. The simultaneous optical access during the measurements permit the combination of the low-temperature STM with optical methods.

The lowest actually attainable temperature at the sample was determined by dI /dV-spectroscopy of the LDOS of superconductive Pb-films on a Ag(111)-substrate. By this an energy resolution of only 2 meV has been demonstrated and a minimal sample temperature of T=4.9 K has been verified.

With the system LiF/Ag(111) the fractal growth of an ionic insulator on a metal substrate has been observed for the first time. The data are consistent with the scaling law for island densities and the island density distribution for the critical clustersize corresponding to i = 1. The data yielded an estimation for the diffusion barrier of LiF-monomers on Ag(111) of 30 - 47 meV and the fractal dimension has been determined to be d=1.75± 0.01. The local cubic symmetry show a (100)-termination of the LiF-islands. At the step edges an unusual symmetrical growth to both sides has finally been found which can be explained by the charge redistribution at the step edges.

The Cr(110)-surface has been investigated at temperatures between 6 K and 145 K with STM and it was shown for the first time that the charge density wave which accompanies the spindensity wave in Cr produces a modulation of the charge density at the surface. For tunnelling voltages in the range of ± 150 meV a charge density wave with a wave length of 42 ? was observed. The observed wave pattern could be explained as the projection of the volume charge density wave. Through the coupling of the spin density wave with the charge density wave the antiferromagnetic domain structure can thus be imaged indirectly on a nm-scale.

Atomic manipulation with the STM was used for the determination of the lifetime of surface electrons. For this experiment a triangular scattering geometry has been constructed consisting of 51 Ag atoms on a Ag(111)-surface. The electrons of the surface state are scattered by the adatoms, resulting in a standing wave pattern which has been measured in the dI/dV-mode. Based on a multiple scattering approach, calculations of the wave pattern have been performed. Adjustment of the calculations to the data yields the absorption and the phase of the scatterers and the electron lifetimes. With this experiment the lifetime of surface electrons inside a artificial atomic structure has been measured for the first time.