Local electronic properties of individual nanostructures on the boron nitride nanomesh

Abstract

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde am Max-Planck-Institut f¨ur Festkörperforschung ein Rastertunnelmikroskop fortentwickelt. Es handelt sich um ein Tieftemperaturmikroskop mit in situ Probentransfer unter Ultrahochvakuum. Das Mikroskop erreicht jetzt subKelvin Temperaturen im regulären Betrieb mit 3He. Die Leistungfähigkeit des Gerätes wurde signifikant verbessert: Die Basistemperatur konnte von 2.7 auf 0.8 K gesenkt werden. Störungen im Spitze-Probe-Abstand sind auf weniger als 1 pm reduziert worden und die Energieauflösung ist nur durch die erreichte Temperatur - und nicht durch elektronisches oder Radiofrequenz-Rauschen - determiniert.Um die elektronischen Eigenschaften individueller Nanostrukturen zu untersuchen, müssen diese vom metallischen Substrat entkoppelt sein. Das hexagonale Bornitrid-Nanomesh hat sich als ideale Spielwiese für die Rastertunnelspektroskopie erwiesen. Es konnte mit zwei Methoden nachgewiesen werden, dass das h-BN-Nanomesh auf Rh(111) eine kontinuierliche korrugierte Monolage ist. Atomar aufgelöste Bilder und Tunnelspektroskopie belegen dies. In beiden Bereichen des Nanomesh, den Erhöhungen und den Kavitäten zeigt sich eine breite elektronische Bandlücke von ca. 6 eV. Die spannungsabhängigen Messungen der scheinbaren Höhe auf partiell bedeckten Proben stimmen mit Tunnelspektroskopiemessungen und Berechnungen von Laskowski et al. überein.Das Nanomesh vermag nicht nur Adsorbate wirkungsvoll vom Substrat zu entkoppeln, sondern dient auch als Strukturvorlage. Beides wurde anhand kleiner Kobaltcluster untersucht, die mittels Edelgaspuffer aufgewachsen wurden. Entkoppelte Cluster weisen eine elektronische Bandlücke auf, die dem Abstand zwischen dem höchsten besetzten und dem niedrigesten unbesetzten Molekülzustand entspricht. Diese Cluster sind noch zu klein, um eine metallische Bandstruktur auszubilden. Aufeinanderfolgende Aufdampfzyklen führen zu hohen Füllgraden der Nanomesh-Kavitäten mit Kobaltclustern, die der Struktur des Nanomeshs folgen.Die letzten beiden Kapitel der Arbeit behandeln kleine voneinander isolierte, supraleitende Partikel. Auf der Suche nach dem kleinsten Supraleiter wurde die Rolle von Quantenfluktuationen anhand von Bleipartikeln untersucht. Für Partikel mit mehr als 13 nm Höhe konnte eine leichte Verringerung der supraleitenden Bandlücke beobachtet werden. Für kleinerePartikel gibt es einen fluktuationsdominierten Bereich oberhalb der Sprungtemperatur, der sich bis zu 1.4 Tc erstreckt und die Bedeutung supraleitender Fluktuationen für Systeme mit begrenzter Elektronenzahl verdeutlicht. Für sehr kleine Partikel unter 4 nm konnte keine Supraleitung beobachtet werden.Bei Zinnnanopartikeln unter 20 nm führen geringfügige Änderungen in der Partikelgröße zu sehr großen Variationen in der supraleitenden Energielücke. Die Abweichungen können bis zu 100% für Partikel gleicher Größe betragen. Die beobachteten Oszillationen der supraleitenden Energielücke können quantitativ durch Größenkorrekturen im BCS Modell erklärt werden. Interessanterweise stehen die Ergebnisse für Zinn im Gegensatz zu den Ergebnissen f¨ur Blei aus dem vorhergehenden Kapitel. Dort wurden derartige Oszillationen nicht beobachtet. Der Unterschied erklärt sich durch die vergleichsweise kürzere Kohärenzlänge im Blei, was die Größenkorrektur im BCS-Modell unterdrückt.