Growth, Morphology, and Conductivity in Semimetallic/Metallic Films on Si(001)

Dipl. Phys. Jnawali, Giriraj

Dateibereich 22294

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In dieser Dissertation wird das epitaktische Wachstum dünner halbmetallischer Wismut- bzw. metallischer Silberfilme auf Si(001) sowie der elektrische Transport durch diese Filme untersucht. Im Fokus der Transportmessungen steht die Untersuchung des Einflusses von Oberflächenmorphologie bzw. -struktur auf die Leitfähigkeit. Hierfür sind Filme mit hoher Kristallqualität unter Ultrahochvakuum-Bedingungen eine entscheidende Voraussetzung. Trotz des großen Unterschieds der beiden Gitterkonstanten und der verschiedenen Gittergeometrie ist es möglich, Bi(111) Filme auf Si(001) Substrate aufzuwachsen, die überraschend glatt, entspannt und praktisch frei von Defekten sind. Bedingt durch die 2-zählige Symmetrie des Substrates besteht der Bi(111) Film aus Mikrometer großen (111) Kristalliten, die jeweils um 90° gegeneinander verdreht sind. Eine verbleibende Gitterfehlanpassung von 2.3% wird durch die Ausbildung eines periodischen Netzwerks von Versetzungen an der Grenzfläche angepasst. Die Oberflächen- bzw. Grenzflächenrauhigkeit und die Volumendefektdichte des Films sind extrem gering, was die hohe Kristallgüte des Films mit einer atomar glatten Oberfläche und einer abrupten Grenzfläche widerspiegelt. Ähnlich wie für Wismut wachsen auch Silber-Filme mit einer (111) Orientierung und um jeweils 90° gedrehten Domänen auf Si(001). Auch hier passt ein Netzwerk von Versetzungen eine verbleibende Gitterfehlanpassung von 2.2% an. Auch hier ist der Silberfilm atomar glatt. Diese Silber- und Wismut-Filme wurden dann als Modellsystem für die Untersuchung des Einflusses der Oberflächenmorphologie auf den elektrischen Widerstand verwendet. Überraschenderweise zeigten alle Wismutfilme (3 - 170 nm Dicke) ein anomales Verhalten als Funktion der Schichtdicke und Temperatur. Wie im Fall eines dotierten Halbleiters stieg die Leitfähigkeit zwischen 150 und 300 K exponentiell an, zeigte ein Plateau bei 350 K bevor sie mit steigender Temperatur abfiel. Dieses Verhalten ließe sich mit dem lang vorhergesagten Halbleiter/Halbmetallübergang für dünne Bi-Filme erklären. Die zusätzlich beobachtete schichtdickenunabhängige Leitfähigkeit bei 80 K ist mit einem in der Literatur beschriebenen metallischen Oberflächenzustand zu erklären. Bei weiterem Bedampfen mit Wismut werden die Ladungsträger an den dabei entstehenden Wismutinseln gestreut und eine Erhöhung des Widerstands beobachtet, die nach einem linearen Anstieg eine wurzelförmige Abhängigkeit von der zusätzlichen Bedeckung aufweist. Auf Grund der besonderen elektronischen Eigenschaften von Wismut - wie eine große Fermiwellenlänge und eine große freie Weglänge der Elektronen - kann dieses Verhalten nicht durch ein klassisches Streumodell nach Fuchs-Sondheimer erklärt werden. Da jedoch der metallische Oberflächenzustand von Bi(111) bis zu zwei Größenordnungen mehr Ladungsträger aufweist wie das Filmvolumen stellt dieser den dominanten elektronischen Transportkanal dar. Bei weiterem Aufdampfen von Wismut bei 80 K werden die Elektronen an den isolierten Adatomen bzw. 2dim. Inseln gestreut, was einen deutlichen Anstieg des Widerstands bewirkt. Mit einer STM Analyse der Inseldichte und -größe in diesem Wachstumsbereich konnte der beobachtete wurzelförmige Anstieg des Oberflächenwiderstands erklärt werden. Unter der Annahme, dass der Oberflächenzustand nach Aufdampfen einer halben Atomlage Wismut vollständig zerstört ist, konnte die Leitfähigkeit im Oberflächenzustand auch quantitativ bestimmt werden. Die mittlere freie Streulänge für Transport im Oberflächenzustand konnte zu 15 nm bestimmt werden. Die Erklärung des Widerstandsanstiegs bei der Abscheidung weiteren Silbers auf ultradünne Silberfilme bei tiefen Temperaturen ist wesentlich einfacher. Die Beschreibung über Fuchs-Sondheimer erklärt den durch das Aufrauhen der Oberfläche bewirkten Widerstandsanstieg qualitativ sehr gut. Im Falle der Abscheidung von Gold auf die Silberfilme bewirkt die Oberflächenlegierung einen auch bei Zimmertemperatur deutlichen Anstieg des Widerstands. Offensichtlich ist die Streueffizienz in diesem Fall deutlich höher als für rauhe Oberflächen ist.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Physik » Experimentalphysik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Klassifikation Physik:
Festkörperphysik, Oberflächenphysik
Stichwörter:
Si, Bi, Ag, WSi2, Heteroepitaxy, Dislocation Network, Homoepitaxy, Nucleation, SPA-LEED, STM, Surface Conductivity
Beitragende:
Prof. Dr. Horn-von Hoegen, Michael [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. Dumpich, Günter [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Prof. Dr. Wollschläger, J. [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Englisch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
09.06.2009
Dokument erstellt am:
24.06.2009
Promotionsantrag am:
12.02.2009
Dateien geändert am:
23.06.2009
Medientyp:
Text