Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7668
Main Title: Atomic structure and electronic properties of Tb silicide nanowires
Translated Title: Atomare Struktur und elektronische Eigenschaften von Tb-Silizid-Nanodrähten
Author(s): Appelfeller, Stephan
Advisor(s): Dähne, Mario
Referee(s): Dähne, Mario
Wollschläger, Joachim
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Metallic nanowires grown by self-organisation on Si surfaces may be interesting for future applications in Si based nanotechnology, but they will also show unique physical phenomena, e.g. Peierls transitions or Tomonaga-Luttinger liquid behaviour, if they are characterised by a one-dimensional electronic structure. This thesis concentrates on the physical properties of Tb silicide nanowires, which are interesting for both future applications and study of one-dimensional physics. Terbium disilicides, which form after Tb deposition and annealing on Si substrates, are metals as bulk materials. Two different approaches are used to grow nanowires of these silicides. On one hand, presumably hexagonal TbSi2 nanowires form due to an anisotropic lattice mismatch on Si(001) substrates. On the other hand, extended hexagonal TbSi2 films form on planar Si(111) substrates and nanowire growth may be achieved by using substrates vicinal to Si(111), so-called Si(hhk) substrates, on which the film growth is disrupted by steps leading to structures confined in one direction. The nanowires on Si(001) are analysed using a multitude of different experimental methods, which was only possible due to intensive collaborations with the workgroup of Prof. Dr. Michael Lehmann (TU Berlin) and within the Forschergruppe 1700 funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft.Their growth is analysed in detail with scanning tunnelling microscopy and the parameter range, in which the nanowires predominantly form, is well defined by the Tb coverage and the annealing temperature. The nanowires may be overgrown by amorphous Si without structural change, but high-resolution transmission electron microscopy reveals structural changes for embedding in crystalline Si. Based on the cross-sectional data in combination with the surface science data, a new structural model is proposed for the nanowires. Not only the atomic, but also the electronic structure of the nanowires is analysed in detail. The nanowires are metallic, show a quasi-one-dimensional band structure and one-dimensional transport properties. On Si(hhk) substrates, nanowires only form for k > h. For the other offcut direction only elongated stripes with rough edges are observed after optimisation of the preparation parameters. Both stripes and nanowires are characterised by the two-dimensional electronic structure of the extended TbSi2, but with an anisotropic broadening presumably due to the confinement by their limited widths. An additional quasi-one-dimensional electronic structure is exclusively observed for preparations of samples showing the narrowest nanowires and possible corresponding surface structures, e.g. the nanowires or their edges, are discussed.
Selbstorganisiert gewachsene metallische Nanodrähte auf Si-Oberflächen könnten für zukünftige Si-basierende Nanobauteile interessant sein, aber sie können auch einzigartige physikalische Phenomäne zeigen, z. B. Peierls Übergänge oder Charakteristiken von Tomonaga-Luttinger Flüssigkeiten, falls sie eine eindimensionale elektronische Struktur haben. Diese Dissertation konzentriert sich auf die physikalischen Eigenschaften von Terbiumsilizidnanodrähten, die für beides interessant sind: mögliche Anwendungen und die Untersuchung von eindimensionaler Physik. Terbiumdisilizide, welche sich nach Tb-Abscheidung und Tempern auf Si Substraten bilden, sind Metalle. Zwei Vorgehensweisen werden genutzt um Nanodrähte dieser Silizide zu wachsen. Einerseits bilden sich Nanodrähte mutmaßlich aus hexagonalem TbSi2 aufgrund anisotroper Gitterfehlanpassung auf Si(001). Andererseits bilden sich großflächige TbSi2-Filme auf Si(111) und das Verwenden von Si(hhk)-Substraten, die vizinal zu Si(111) sind, führt zu Nanodrähten, da das Filmwachstum durch Stufen unterbrochen wird. Die Nanodrähte auf Si(001) werden mit einer Vielzahl an experimentellen Methoden untersucht. Dies war nur möglich durch intensive Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Michael Lehmann und innerhalb der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanzierten Forschergruppe 1700. Das Nanodrahtwachstum wurde mittels Rastertunnelmikroskopie analysiert und der Temperatur- und Tb-Bedeckungsbereich, in dem sich die Nanodrähte bevorzugt bilden, gefunden. Beim Überwachsen der Nanodrähte mit amorphen Si treten keine strukturellen Änderungen auf aber beim Einbetten in kristallinem Si, wie mit hochaufgelöster Transmissionelektronmikroskopie festgestellt wurde. Mithilfe dieser Querschnittsdaten und Daten von oberflächensensitiven Messungen wird ein neues Strukturmodell entwickelt. Eine Untersuchung der elektronischen Eigenschaft zeigt, dass die Nanodrähte quasi-eindimensional metallisch sind und der Stromtransport durch sie eindimensional ist. Auf Si(hhk)-Substraten bilden sich Nanodrähte nur für k > h. Für die andere Fehlschnittrichtung wurden lediglich längliche Streifen mit rauhen Kanten beobachtet, nachdem die Präparationsparameter optimisiert wurden. Sowohl Nanodrähte als auch Streifen zeigen die zweidimensional Bandstruktur von großflächigem TbSi2, die allerdings anisotrop verbreitert ist, vermutlich durch die kleinen Nanostrukturbreiten. Eine zusätzliche quasi-eindimensionale elektronische Struktur wird für Proben mit dünnsten Nanodrähte gefunden und mögliche dazugehörige Oberflächenstrukturen, z.B. Nanodrähte oder deren Kanten, diskutiert.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8534
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7668
Exam Date: 14-Nov-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 19-Dec-2018
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): nanowires
scanning tunnelling microscopy
rare earth elements
silicon
Nanodrähte
Rastertunnelmikroskopie
Seltene Erden
Silizium
Sponsor/Funder: DFG, FOR 1282, Controlling the electronic structure of semiconductor nanoparticles by doping and hybrid formation/Project D: Atomic and electronic structure of clusters on silicon surfaces
DFG, FOR 1700, Metallic nanowires on the atomic scale: Electronic and vibrational coupling in real world systems/Project E2: Atomic structure and electronic properties of silicide nanowires
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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