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Spektroskopische Untersuchungen von Proximity-Systemen : Aufbau eines 300-mK-Rastertunnelmikroskops mit hoher Energieauflösung und Untersuchungen der Zustandsdichte am System Aluminium/Gold

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2008

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Debuschewitz, Christian

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Spectroscopic investigations of proximity-systems: setup of a 300-mK scanning tunneling microscope with high energy resolution and investigations of the density of states on the system aluminum/gold
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

The work describes the setup of an ultra low temperature Scanning Tunneling Microscope (STM), which works in a conventional ³He-cryostat with a base temperature of 240 mK and a vector magnet with a magnetic field up to 1 T. The STM is rigid and compact and therefore it is insensitive to vibrations and can be used without elaborate damping. The STM is well shielded against radio-frequency radiation and all electrical lines are filtered at low temperatures. The measurement of the differential conductance dI/dU of superconducting aluminum yields a temperature of the electronic system of 270 mK and a energy resolution of 100 µeV. The STM is nonmagnetic, what has been demonstrated on the successful observation of superconductivity of aluminum, which has a critical field of only 10 mT. Furthermore the characteristic hysteresis in the phase transition between the normal- and the superconducting state could be observed on a aluminum tip. The atomic resolution of graphite at 240 mK in a magnetic field of 1 T shows the capability to work in high fields as well.
The investigation of the Proximity-Effect has been performed with the developed STM using tunneling spectroscopy and recording the differential conductance dI/dU on the System aluminum/gold. The temperature dependence as well as the dependence on the magnetic field was investigated. The thickness of the superconductor aluminum was 320 nm and the thickness of the normal metal gold has been varying from 20 nm up to 190 nm. The induced minigap decreases slower with increasing thickness of the normal metal, than predicted by the theory. Based on experimental values of the mean free path, the differential conductance is calculated in the frame work of the quasiclassical theory. In contrast to the experimental curves the theoretical curves show a significantly smaller minigap. The Variation of parameters like the interface resistance and the coupling parameter between superconductor and normal metal do not result in a better description of the experimental data. Even the assumption of a reduced normal metal thickness yields no agreement regarding the temperature dependence. Only the assumption of a ten times larger thickness of the superconductor results in a satisfied description of the dI/dU-curves. Also the temperature dependence can be described within this assumption.
The Experiments and the required increase of the superconducting layer indicate that the superconductivity in aluminum is less suppressed by the normal metal gold, than predicted by the theory in the case of a thin film.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Das in dieser Arbeit aufgebaute Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop arbeitet in einem konventionellen ³He-Kryostaten mit einer Basistemperatur von 240 mK und einem Vektormagneten mit einem maximalen Magnetfeld von 1 T. Durch die Kompaktheit des STMs, ist es unempfindlich gegen die im Kryostaten auftretenden Vibrationen und kann somit ohne aufwändige Dämpfung betrieben werden. Beim Bau des Rastertunnelmikroskops wurde besonderer Wert auf die konsequente Hochfrequenzabschirmung des Rastertunnelmikroskops und die elektrische Filterung aller Messleitungen bei tiefer Temperatur gelegt. Die Messung des differentiellen Leitwertes an supraleitendem Aluminium ergab eine Temperatur des elektronischen Systems von 270 mK und eine Energieauflösung von 100 µeV. Dass das in dieser Arbeit aufgebaute Rastertunnelmikroskop unmagnetisch ist und für magnetfeldabhängige Untersuchungen eingesetzt werden kann, zeigt die erfolgreiche Beobachtung der Supraleitung in Aluminium, dessen kritisches Feld nur 10 mT beträgt. Außerdem konnte an einer supraleitenden Aluminiumspitze die Hysterese des Phasenübergangs zwischen Supra- und Normalleiter im Magnetfeld beobachtet werden. Der Betrieb des Rastertunnelmikroskops in hohen Magnetfeldern bis 1 T wurde durch die atomare Auflösung von Graphit bei 240 mK
gezeigt.
Zur Untersuchung des Proximity-Effektes wurde mit dem aufgebauten STM mittels Rastertunnelspektroskopie an dem Proximity-Schichtsystem Aluminium/Gold differentielle Leitwerte dI/dU aufgenommen. Dabei wurde sowohl die Temperaturabhängigkeit als auch das Verhalten der Proximity-Schichten im Magnetfeld untersucht. Die Schichtdicke des Supraleiters betrug 320 nm die des Normalleiters Gold variierte von 20 nm bis 190 nm. Die Größe der induzierten Energielücke nimmt mit zunehmender Schichtdicke des Normalleiters langsamer ab, als von theoretischer Seite vorhergesagt. Die differentiellen Leitwerte, welche sich aus der quasiklassischen Theorie und den experimentell bestimmten mittleren freien Weglängen ergeben, wiesen im Gegensatz zu den experimentellen Daten ein deutlich zu kleines Minigap auf. Auch eine Variation der in die Theorie eingehenden Parameter wie der Grenzflächenwiderstand oder der Kopplungsparameter zwischen Supra- und Normalleiter liefert keine bessere Beschreibung. Auch die Annahme einer dünneren Normalleiterschicht als der nominell aufgedampften führt zu keinem Erfolg, da für diesen Fall die Temperaturabhängigkeit des Minigaps nicht wiedergegeben werden kann. Einzig die Annahme einer zehnfach dickeren Supraleiterschicht führt bei allen gemessenen Schichtdicken zu einer besseren Beschreibung der dI/dU-Kurven. In diesem Fall kann auch die Temperaturabhängigkeit der dI/dU-Kurven reproduziert
werden.
Die Experimente und die notwendige Erhöhung der supraleitenden Schichtdicke zur Berechnung der dI/dU- Kurven zeigen, dass die Supraleitung im Aluminium durch das Vorhandensein des Goldes deutlich weniger unterdrückt wird, als es für eine dünne Schicht der Fall wäre.

Fachgebiet (DDC)
500 Naturwissenschaften

Schlagwörter

Proximity-Effekt, Tieftemperaturrastertunnelmikroskop, Supraleitung, proximity-effect, low temperature scanning tunneling microscope, superconductivity

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ISO 690DEBUSCHEWITZ, Christian, 2008. Spektroskopische Untersuchungen von Proximity-Systemen : Aufbau eines 300-mK-Rastertunnelmikroskops mit hoher Energieauflösung und Untersuchungen der Zustandsdichte am System Aluminium/Gold [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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June 12, 2008
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