Construction of a 390 mK-14 T scanning tunnelling microscope used for investigations of the random Rashba effect at the nanometre scale

• Aufbau eines 390mK-14T Rastertunnelmikroskops verwendet für Untersuchungen des variablen Rashba-Effekts auf der Nanometerskala

Bindel, Jan Raphael; Morgenstern, Markus; Schäpers, Thomas (Thesis advisor)

Aachen (2016, 2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Kurzfassung

In dieser Arbeit werden das Design und die technischen Eigenschaften einer neu entwickelten Tieftemperatur-Ultrahochvakuum-Rastertunnelmikroskopie-Anlage (LT-UHV-STM), die bei T = 390 mK und Magnetfeldern bis zu 14 T betrieben werden kann, präsentiert. Das System wird charakterisiert und mit anderen existierenden Systemen verglichen. Es wird die überragende mechanische Stabilität von δz = 0.7 pm bei einer Bandbreite von 700 Hz mit einer Methode dargestellt, die eine Vergleichbarkeit mit anderen Systemen ermöglicht. Bei Stabilisierungsströmen von nur Istab = 0.5 pA und bei Magnetfeldern bis zu B = 14 T wird atomare Auflösung erreicht. Es wird eine Elektronentemperatur von Tel = 430 mK an der einen und Tel = 520 mK an der anderen Elektrode des Tunnelkontakts bestimmt. Hierzu werden zum einen supraleitende Bandlücken vermessen und zum anderen die Magentotransportfähigkeiten des Systems genutzt, um Shubnikov-de Hass Oszillationen auszuwerten. Der Josephson-Peak eines Supraleiter-Supraleiter-Übergangs wird genutzt um das Rauschen der Tunnelspannung innerhalb des Tunnelkontakts von ∆Vbias = 16 µV bei einer Bandbreite von ~700 Hz zu bestimmen. Vielseitige Nutzungsmöglichkeiten des Systems sind durch eine lange Standzeit thold = 10.5 Tage bei 400 mK, eine nahezu unendliche Standzeit bei T = 9 K, dem großzügigen optischen Zugang innerhalb des UHV-Kryostaten zu Probe und Spitze bei 25 K, sowie der angeschlossenen UHV-Analyse- und Präparationskammer mit Schleuse gegeben. Mit Hilfe dieses Systems werden die Variationen der Rashba Spin-Bahn Wechselwirkung in einer Cs/p-InSb-Probe nanometergenau kartographiert, wobei die Limitation die magnetische Länge lB ≈ 10 nm bei B = 6 T ist. Es zeigt sich ein Rashba-Parameter von αR(R) = 1.2 eVÅ, mit der Wurzel der mittleren quadratischen Abweichung von δαR = 0.15 eVÅ, wobei wir eine Korrelation zwischen Rashba-Parameter und lokalem Potential beobachten. Mittels eines analytischen Modells werden die Korrelation sowie die Variationen durch Veränderungen im elektrischen Feld, bedingt durch die Zufallsverteilung der Dotierung, erklärt. Für dieses Probensystem wird eine Länge der Spindephasierung, verursacht durch die Rashba-Fluktuationen, von lSpin = 250 nm abgeschätzt. Das Probensystem wird des Weiteren dafür genutzt, um die Knotenstruktur der Wellenfunktion des nullten und des ersten Landau-Niveaus (LL0 & LL1) räumlich aufzulösen. Die Driftzustände, die der Potentialunordnung folgen, entwickeln sich mit steigender Energie für LL0 von einer gaußförmigen Verteilung in eine Ringstruktur (kein Knoten) und für LL1 von einer Ringstruktur in eine wachsende Doppelringstruktur (ein Knoten).