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Properties of surface state electrons on thin helium films

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Dissertation
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Zusammenfassung

Surface-state electrons (SSE) on liquid helium form a nearly ideal two-dimensional Coulomb system (2-DES). In our work we focus on the investigation of the properties of electrons on the surface of 4He with different thickness between two segments. Various substrates (gold, silicon, and polymer) and several sensitive techniques for determining the SSE density and the transport behavior of the SSE system in confined and non-confined geometry have been used. In all techniques the helium film surface was charged by a small filament.


A first technique is the optical technique, which is surface plasmon resonance (SPR). The sensitivity of the SPR to the change of the dielectric constant of the medium, allowed us to determine the electron density on the helium film surface. In this technique we used metal samples; the main substrate of the sample is a glass prism in Kretschmann configuration, on the surface of the prism a gold layer was evaporated with thickness of about 43 nm. Although this technique is very sensitive and accurate, in principle due to problems with our system (high temperature, mechanical-instability, quality of the samples) we did not manage to get concrete results. Nevertheless in previous work -from our group- with this technique had been investigated the properties of electrons on thin films with very high accuracy.


Second technique is the electronic or recharging technique. The samples which were used in this technique were two electrode samples with gap of 0.1mm in between. Originally the two electrodes were metal (gold or copper), but one of them was covered by a dielectric film (PMMA, kapton or tesa). In this technique the system is a capacitor with capacitance of both helium film and the dielectric film. Through this technique we calculated the amount of charges that can be put on the surface film and compared with the experimental values. In addition we observed electron transport between the two electrodes when we applied a potential difference between them. Due to the same problem mentioned with SPR technique, we did not have great results with this technique.


Third is the field effect transistor (He-FET. By using this technique we investigated characteristics of the SSE’s transport through a micro-fabricated channel, using direct current (DC) measurement. For this purpose we used suitable samples micro-fabricated on a silicon wafer. All the samples have source and drain regions separated by two gold gate electrodes with a narrow gap (channel) through which the electron transport takes place, but they had different shapes of the source area.


First the electrons are pulsed on the source area, and then they cross the channel of the split gate towards the drain, and measured via pick-up electrode. We determined the transport of the SSE through channels of various dimensions and wide range of helium film thickness. The number of the transported charges was represented as a function of the gate voltage. In this technique we used two different methods:


1. He-FET with continuous charging measurement. In this method the helium surface was continuously charged, while the gate was gradually opened (by applying a positive voltage), or pulsed for short time. By using this method we observed that the electrons transported through the channels in lanes or steps, the number of these lanes depends on the applied gate potential.


2. He-FET with stored electrons. In this method the experiments of pulsed measurements were run. Through these experiments we determined the maximum electron density on the helium film. Beside that we did time resolved measurements and obtained the electron mobility for different samples.


Beside these techniques we performed a simulation of colloidal particles transport through a micro channel. These particles were super Para-magnetic and interacted via a dipole induced by an external magnetic field. Our molecular dynamic simulation described the movement of the SSEs through the channel in the He-FET measurements. In the SSEs system, the electrons are governed by a Coulomb interaction, but also included the force caused by the electron’s image charge on the substrate. Thus the SSE has also a dipolar contribution. So the simulation showed a great similarity between the SSE and colloidal systems. From this simulation we obtained a qualitative picture for the electron density distribution in front of the barrier and their velocity distribution along the channel.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Befinden sich Elektronen auf der Oberfläche eines Films aus flüssigem Helium, so bilden sich besondere Elektronenzustände aus, sodass sich die Elektronen wie ein ideales zweidimensionales Coulomb-System (2-DES) verhalten. Diese Zustände werden im Englischen auch als surface-state electrons (SSE) bezeichnet. Die hier vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der Eigenschaften ebensolcher Zustände auf 4He-Filmen mit variabler Dicke. Unter Verwendung unterschiedlicher Materialien (Gold, Silizium und Polymere) sowie verschiedener Untersuchungsmethoden wird die Elektronendichte sowie deren Transporteigenschaften in eingeschränkter und freier Geometrie analysiert. In allen Fällen lässt sich die Aufladung der Heliumoberfläche mit Hilfe eines Glühdrahts realisieren.



Bei der ersten Untersuchungsmethode handelt es sich um die sogenannte Oberflächen-Plasmonen-Resonanz (SPR), welche auf der Änderung der dielektrischen Konstante basiert, wodurch sich die Elektronendichte auf der Heliumoberfläche bestimmen lässt. In diesem Fall werden ausschließlich Proben mit einer Metalloberfläche verwendet. Beim Kernstück des Aufbaus handelt es sich um ein Glasprisma, auf dessen Oberfläche sich ein etwa 43 nm dicker Goldfilm befindet. Obwohl es sich bei der SPR-Methode um ein sehr sensibles und akkurates Messverfahren handelt, konnten aufgrund der auftretenden technischen Probleme (zu hohe Temperaturen, mechanische Instabilitäten sowie mangelnder Probenqualität) in diesem Fall leider keine eindeutigen Ergebnisse erhalten werden. Trotzdem liefert diese Methode, wie bereits durch vorhergegangene Arbeiten an unserem Lehrstuhl bestätigt, bei der Untersuchung von Elektronen auf dünnen Heliumfilmen eine hohe Genauigkeit.



Die zweite Analysemethode ist die sogenannte Recharging-Technique. Alle hierbei verwendeten Proben beinhalten zwei Elektroden mit einem Abstand von 0,1 mm. Beide Elektroden bestehen aus Metall (Gold oder Kupfer), wobei eine der beiden zusätzlich mit einem dielektrischen Film (PMMA, Kapton oder Tesa-Film) überzogen wurde. In diesem Fall verhält sich dasSystem wie ein Kondensator bezüglich des Heliumfilms sowie des dielektrischen Films. Mit Hilfe diese Systems wurde die Anzahl der Ladungen auf dem Heliumfilm bestimmt und mit experimentellen Werten verglichen. Zusätzlich wurde der Transport von Elektronen unter Einfluss einer Potenzialdifferenzzwischen den beiden Elektrodenuntersucht. Aufgrund der selben technischen Probleme wie bei der SPR-Technik, wurden auch hier keine eindeutigen Resultate erzielt.


Im letzten Fall handelt es sich um einen Helium-Feldeffekttransistor (He-FET). Dieser wurde benutzt um die charakteristischen Eigenschaften beim Transport von SSEs durch Mikrokanäle in eingeschränkter Geometrie zu untersuchen. Die verwendeten Probengeometrien im Mikrometerbereich befinden sich aufeinem Silizium-Wafer. Bei Quelle (Source) und Senke (Drain) der Elektronen handelt es sich um separate Bereiche, die durch zwei Steuerelektroden (Gate) aus Gold von einander getrennt sind. Zwischen den Gate-Elektroden befindet sich ein schmaler Spalt, durch den die Elektronen wie durch einen Mikrokanal transportiert werden. Die Form des Potenzial kann dabei durch Variation der Gate-Spannungvariiert werden. Alle Messungen werden unter Gleichspannung durchgeführt. Um die Messungen durchzuführen, wird die Source durch Pulse mit Elektronen gefüllt, welche aufgrund der Source-Drain-Spannung durch die beiden Gate-Elektroden zur Drain wandern. Mit Hilfe einer Pick-Up-Elektrode lassen sich die Elektronen zuverlässig nachweisen. Das Transportverhalten der SSEs wurde anschließend unter Variation des Abstands der Gate-Elektroden sowie derDicke des Heliumfilms untersucht. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Anzahl der transportierten Ladungsträger in Abhängigkeit der Gate-Spannung.Die Untersuchung geschah dabei auf zwei unterschiedliche Arten:


1) He-FET mit kontinuierlicher Aufladung: Hierbei wird die Heliumoberfläche fortlaufendmit Elektronen aufgeladen, während das Gate sukzessive geöffnet (durch Anlegen einer positiven Spannung) oder für kurze Zeit gepulst wird. Bei dieser Methode lässt sich beim Transport der Elektron durch den Kanal die Ausbildung von charakteristischen Stufen beobachten. Die Anzahl der Stufen ist dabei vom angelegten Gate-Potenzial abhängig.


2) He-FET mit gespeicherten Elektronen: Hier wird die Elektronenquelle gepulst betrieben. Dies ermöglicht zeit aufgelöste Messungen auf unterschiedlichen Substraten. In diesem Modus werden die größten Elektronendichten auf der Oberfläche des Helium-Films erreicht.



Die Experimente wurden durch numerische Simulationen ergänzt. Mit Hilfe von Molekular-Dynamik-Simulationen (MDS) lässt sich die Bewegung der SSEs durch den Kanal im He-FET-Experiment modellieren. Im SSE-System weerden die Eigenschaften der Elektronen durch die Coulomb-Wechselwirkung dominiert.


Durch die Erzeugung von Bildladungen zwischen Elektron und Heliumoberfläche erhält die Wechselwirkung zwischen den Elektronen aber auch eine dipolaren Anteil. Aus diesem Grund werden die MDS durch numerische Simulationen kolloidaler Teilchen durch Mikrokanäle verglichen. Dabei handelt es sich um superparamagnetische Partikel, welche mit Hilfe eines durch externe Magnetfelder erzeugten magnetischen Dipols untereinander wechselwirken. Der Vergleich der beiden Ergebnisse zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen den SSE und dem kolloidalen System. Anhand der Kolloide kann ein qualitatives Verständnisfür die Verteilung der Elektronendichte vor der geschlossenen Gate-Elektrode sowie der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen entlang des Kanals erhalten werden.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

surface state electrons, two-dimensional electron systems, thin helium films

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ISO 690SHABAN, Fatima Ahmed Osman, 2013. Properties of surface state electrons on thin helium films [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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July 17, 2013
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