Alexander Kraus

Präparation und Charakterisierung von Nanostrukturen mittels Rastertunnelmikroskopie auf Si(111)

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 28.05.2002

Abstract
In dieser Arbeit werden die Bedingungen und Möglichkeiten zur Herstellung von Nanostrukturen bis in den Bereich der atomaren Manipulation untersucht. Die Dissertation gliedert sich dabei in drei Schwerpunktbereiche. Neben der Untersuchung einer Auslösung von Atomen der Si(111)7x7-Oberfläche wird auch das Verhalten der ausgelösten Atome analysiert. Die lokale Wasserstoff-Desorption von der Si(111)1x1:H-Oberfläche und deren Präparation bildet einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit. Aus der Analyse der Zerfallskinetik von mit dem Rastertunnelmikroskop hergestellten Nanostrukturen werden Informationen über die zu Grunde liegenden Elementarprozesse und Energiebarrieren gewonnen. Aus Untersuchungen künstlich hergestellter Strukturen sowohl im atomaren Maßstab als auch im Nanometerbereich werden Rückschlüsse auf die physikalischen Eigenschaften von Oberflächen gezogen.
Im Rahmen der Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die Leitfähigkeit von Kontakten auf Si(111)7x7 ist mehr als eine Größenordnung höher ist als auf der Si(111)1x1:H-Oberfläche. Ursache hierfür ist die durch Oberflächenzustände hervorgerufene Leitfähigkeit. Erstmals wird die Manipulation einzelner Atome der Si(111)7x7-Oberfläche allein durch eine feldfreie Annäherung der Spitze an ein Atom realisiert. Bei der Manipulation von Atomen werden Fluktuationen innerhalb einer Einheitszellenhälfte der 7x7-Rekonstruktion beobachtet, die an Hand verschiedener Experimente einem ausgelösten Atom zugeordnet werden können. Das Wachstum der stapelfehlerfreien Bereiche bei der Adsorption von H auf Si(111)7x7 bei 650 K erfolgt stets in Richtung bzw. äquivalenten Richtungen. Die Zeitabhängigkeit des Zerfalls von Loch- und Inselstrukturen zeigt einen Verlauf proportional zu tb, mit einem Exponenten b im Bereich von 2/3. Daraus kann ein diffusionskontrolliertes Zerfallsgesetz abgeleitet werden. Die Temperaturabhängigkeit der Zerfallsraten liefert eine Aktivierungsenergie von (1,490,12) eV für den Zerfall von Nanostrukturen auf Si(111)7x7. Diese Energie entspricht der Summe aus Diffusionsenergie und der Ablösearbeit eines Atom von einer Stufenkante. Unterschiede in der Aktivierungsenergie des Zerfalls von Loch- und Inselsstrukturen können innerhalb der Fehlergrenzen nicht festgestellt werden, was gleichbedeutend zu einer verschwindend kleinen Schwoebel-Barriere ist. Aus der Arrheniusdarstellung lässt sich ein Vorfaktor für die Diffusion von D0nS= 5,510111 s-1 bestimmen. Dieser Wert deutet auf eine Diffusion einzelner Atome hin. Die unterschiedlichen Anlagerungsraten verschiedener Stufenkanten sind die Ursache für beobachtete Vorzugsrichtungen beim Ausheilen von Lochstrukturen bei hohen Temperaturen.

With this thesis conditions and possibilities for the creation of nanostructures and structures down to the atomic scale will be investigated. The thesis is divided into three main parts. Beside the investigation of the remove of single atoms from the Si(111)7x7 surface the behaviour of the removed atoms is also analysed. Another important point of the thesis is the local hydrogen desorption of the Si(111)1x1:H surface and its preparation. Information about the elementary processes and energy barriers are deduced from the analysis of the decay of nanostructures, created by scanning tunneling microscopy. Physical properties of surfaces are determined by the investigation of artificially created structures. In the course of investigation it is found that the conductivity of contacts on Si(111)7x7 is more than one decade higher than on the Si(111)1x1:H surface which is based on a surface conductivity caused by surface states. For the first time it is demonstrated that the manipulation of a single atom by the use of a field free approach of a scanning tunneling microscopy tip is possible on Si(111)7x7. In the course and after the manipulation of atoms fluctuations localised in a 7x7 half unit cell are observed. These fluctuations can be assigned to the removed atom. The growing direction of unfaulted areas in the process of hydrogen adsorption on Si(111)7x7 is equivalent to . The time dependency of the decay of hole and island structures is proportional to tb with an exponent b in the range of 2/3. This is consistent with a diffusion limited decay behaviour. The temperature dependence of the decay of nanostructures on Si(111)7x7 gives an activation energy of (1,490,12) eV. This energy represents the sum of diffusion energy and detachment energy from a step of a silicon atom. Differences between the activation energy for the decay of islands and holes could not be found which is equivalent to a vanishing schwoebel barrier. A pre-eponential factor D0nS= 5,510111 s-1 for the diffusion has been determined from the temperature dependende of decay rates of nanostructures. This value is consistent with a single atom diffusion. Preferential directions in the decay process of hole structures at high temperatures are caused by different attachment rates of different step types.

Keywords:
Silizium (Si), Si(111)7x7, Nanostrukturen, Manipulation, Rastertunnelmikroskopie (RTM), feldabhängige Desorption, Si(111)1x1:H, Wasserstoff-Desorption, Atomare Manipulation, Oberflächenleitfähigkeit, Oberflächenzustände, Schwöbelbarriere

silicon (Si), Si(111)7x7, nanostructures, manipulation, Scanning Tunneling Microscopy (STM), field-assisted desorption, Si(111)1x1:H, H-desorption, atomic manipulation, surface conductivity, surface states, schwoebel barrier

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis (1-2)
1 Einleitung (3-6)
2 Rastertunnelmikroskopie (7-14)
3 Experimentelles (15-24)
4 Ergebnisse und Diskussion (25-90)
5 Zusammenfassung (91-94)
6 Literaturverzeichnis (95-100)
7 Abkürzungsverzeichnis (101)