Elektronischer Transport in Wismutkontakten atomarer Größe

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2008
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Electronic transport in atomic sized Bismuth contacts
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Dissertation
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Zusammenfassung

The electronic properties of Bismuth are the most and longest investigated but least understood in solid state physics. In 1900 Eichhorn studied the resistance behavior of Bismuth in a changing magnetic field. Pyotr Leonidovich Kapitza dicovered the orbital magneto resistance in Bismuth at room temperature in 1928. The story of detected or investigated effects in Bismuth and the involved researchers seems to be the "who is who" of solid state physics of the beginning of the 20th century.
Because of its extremely small Fermi surface, the big Fermi wavelength of carriers and the enormeous mean free path it is possible to investigate effects in Bismuth which have been seen years after in normal metals. For example the Fermi surface of Bismuth was the first ever measured by Shoenberg via de-Haas-van-Alphen-effect. The investigations of material and electronic properties of metals in micro, nano or atomic scales in resent years revealed new interesting results in Bismuth. In macroscopic samples the behavior of the semimetal Bismuth is between metal and semiconductor. On the nanoscale its properties may be shifted in the one or the other direction depending whether it is an epitaxial or ^grained film or the transport is investigated in mono or polycristalline nanowires you will see superconducting, semiconducting or metallic behavior. This could be simply modified by dimensions of the investigated structure. Onereason for this behavior is the big Fermi wavelength of about 50 nm. Still it is not clear what the transport properties of contacts smaller than this length are. Of big interest is the conductance of an atomic sized contact and its behavior with changing magnetic field, bias voltage and temperature. Two measurements by Rodrigo et al. and Costa-Krämer et al. are contradictory in their results, both using the same STM technique. Investigation of Krans and van Ruitenbeek on Antimony contacts; a very similar material to Bismuth; approved Rodrigos results using an other technique: mechanically controlled breakjunctions (MCB) used in this work, too.
The first goal of this work was to investigate the electronic transport properties of atomic sized Bismuth contacts using MCB at low temperatures. The second was using the methode shown by Scheer et al. to measure the number and the transmission of the transport channels of an atomic Bismuth contact. Therefore the conductance behavior of Aluminum-Bismuth and pure Bismuth samples depending on magnetic field, temperature and bias voltage was investigated. Thereby the results of Rodrigo et al. could be confirmed.
This thesis is structred as followes: Chapter 1 introduces the expected effects and their theoretical explanation, the important parameters and the known results on Bismuth nanocontacts. Chapter 2 presents the properties of bulk Bismuth. Chapter 3 will present the measurement setup, the sample preparation and the other techniques used. Chapter 4 will introduce the measured samples and the measurement results which will be concluded in the last chapter of this thesis.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die elektronischen Eigenschaften von Wismut gehören zu den meist und längst untersuchten aber doch zu den am wenigsten Verstandenen in der Festkörperphysik. Bereits im Jahr 1900 untersuchte Eichhorn das Widerstandsverhalten von Wismut in veränderlichen Magnetfeldern. Pyotr Leonidovich Kapitza entdeckte im Jahr 1928 den Orbitalen Magnetowiderstand an Wismut und dies bei Raumtemperatur. Auch die weitere Geschichte der an Wismut gemessenen oder gar entdeckten Effekte und den daran arbeitenden Forschern liest sich wie das "who is who" der Festkörperphysik des beginnenden 20ten Jahrhunderts.
Durch seinen extrem kleinen Fermikörper, der großen Fermiwellenlänge der Ladungsträger und deren enormer mittlerer freien Weglänge lassen sich an Wismut schon früh Effekte beobachten, die erst viel später an gewöhnlichen Metallen gemessen wurden. Wismut war zum Beispiel das erste Metall, dessen Fermikörper durch Shoenberg mittels de-Haas-van-Alphen-Effekt vermessen wurde.
Die Untersuchung von Material- und insbesondere elektrischen Transporteigenschaften von Metallen auf Mikro-, Nano- und atomarer Skala in den letzten Jahren brachten auch bei Wismut neue interessante Ergebnisse. Wismut bewegt sich als Halbmetall schon als makroskopischer Festkörper zwischen Halbleiter und Metall, auf der Nanometer Skala können diese Eigenschaften gezielt in die eine oder andere Richtung verschoben werden. Abhängig davon, ob man epitaktische oder gekörnte Filme betrachtet, oder den Transport an mono- oder polykristallinen Nanodrähten untersucht, sieht man supra- , halb- oder normalleitendes Verhalten, das sich durch Änderung der Abmessungen beeinflussen und ineinander umwandeln lässt.
Mit ein Grund für diese Eigenschaften ist die schon erwähnte große Fermiwellenlänge von über 50 nm. Nach wie vor nicht vollständig geklärt ist, wie das elektrische Transportverhalten in Kontakten, deren Abmessungen kleiner sind als diese Fermiwellenlänge aussieht. Besonders interessant ist dabei der elektrische Leitwert und seine Abhängigkeit von externen Größen wie Magnetfeld, Biasspannung und Temperatur eines ein oder wenige Atome dicken Kontaktes. Messungen solcher Kontakte mit Rastertunnelmikroskopen von Rodrigo et al. und Costa-Krämer et al. widersprechen sich in ihren Beobachtungen. Messungen von Krans und van Ruitenbeek an Antimonkontakten, einem dem Wismut verwandten Halbmetall, bestätigen die Aussagen von Referenz mit einer anderen Messtechnik. Diese Technik war die der mechanisch kontrollierten Bruchkontakte (MCB), wie sie in dieser Arbeit auch eingesetzt wurde.
Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand darin, mittels MCB-Technik die elektrischen Transporteigenschaften atomarer Wismut-Kontakte bei tiefen Temperaturen zu untersuchen. Sowie, unter Zuhilfenahme der von Scheer et al. vorgestellten Methode , die Anzahl und die Transmission der Transportkanäle eines Wismut-Einatomkontaktes zu bestimmen. Dazu wurde das Leitwertverhalten von Aluminium-Wismut- und reinen Wismutkontakten unter dem Einfluss der externen Größen Magnetfeld, Biasspannung und Temperatur untersucht. Wie zu sehen sein wird, konnten so die Ergebnisse von Rodrigo et al. bestätigt werden.
Diese Arbeit gliedert sich wie folgt: Kapitel 1 stellt die zu erwartenden Effekte und deren theoretische Beschreibung, die wichtigen Größen sowie die bekannten Messungen an Wismut-Nanokontakten vor. Kapitel 2 befasst sich danach mit den Eigenschaften des Festkörpers Wismut, bevor es im 3. Kapitel um den Versuchsaufbau, die Probenherstellung und die verwendeten Techniken geht. In Kapitel 4 werden die hergestellten Proben sowie die daran durchgeführten Messungen und deren Auswertung präsentiert, bevor im letzten Kapitel diese Arbeit mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse abschließt.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
atomarer Kontakt, Leitwertfluktuationen, UCF, tiefe Temperaturen, MCB, atomic sized contact, conductance fluctuations, UCF, low temperatures, MCB
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690PERNAU, Hans, 2008. Elektronischer Transport in Wismutkontakten atomarer Größe [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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November 14, 2008
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