Single-atom junctions and novel electron confinement mechanism on Pb(111)

Müller, Martin

Point contacts were established between the Pb covered tip of a Scanning Tunneling Microscope (STM) and a flat Pb(111) surface or single deposited Pb adatoms. The conductance was recorded while forming and subsequent breaking of these junctions. Contacts on the flat surface show a pronounced conductance hysteresis which is less prominent for contacts incorporating a single Pb adatom. The analysis of the experimentally recorded conductance and hysteresis width is supported by density functional calculations which reproduce the experimental findings. In order to fully reproduce the experimental results it was necessary to include tip apices terminated by more than one atom which an important finding is considering the large influence of the tip on results obtained by scanning tunneling microscopy and spectroscopy. The second part of this thesis will present a study of a novel form of electron quantum confinement above Ar-filled nanocavities buried underneath a Pb(111) surface. The cavities are created by irradiation of the surface with high energetic argon-ions and subsequent annealing. A vertical confinement between the cavity and the crystal surface leads to quantum well subbands which were probed by scanning tunneling spectroscopy. The volume above the cavity can approximately be considered as a thin film with a finite lateral dimension. Unexpectedly the electrons are additionally laterally confined by the interface where the thin film recovers its bulk thickness. This lateral confinement leads to a fine structure in spectra of the differential conductance. The experimental findings will be supported by calculations based on the free electron gas which reproduce the results to a high degree. The lateral confinement is furthermore observable by a distinct standing wave pattern which was used to extract the dispersion relation of thin Pb film quantum well states in a range up to 2 eV. An analysis of the line widths of the spectroscopic features will reveal the influence of the interface of the thin film on the elastic decay rate.

Punktkontakte wurden zwischen der bleibedeckten Spitze eines Rastertunnelmikroskops und der flachen Pb(111) Oberfläche oder einzelnen Pb-Adatomen hergestellt. Der Leitwert wurde während des Aufbaus und des sich anschließenden Abbruchs des Kontakts aufgenommen. Kontakte auf der flachen Oberfläche zeigen eine starke Leitwerthysterese, die bei Kontakten mit einem einzelnen Pb-Adatom geringer ausgeprägt ist. Die Auswertung der experimentell aufgenommen Kontaktleitwerte und Hysteresebreiten wird von Dichtefunktionalberechnungen unterstützt. Für eine vollständige Reproduktion war es notwendig, Spitzenapizes in Betracht zu ziehen, die von mehr als einem Atom terminiert werden. Dies ist ein wichtiges Ergebnis, wenn man den großen Einfluss der Spitze auf Ergebnisse der Rastertunnelmikroskopie- und Spektroskopie bedenkt. Der zweite Teil dieser Arbeit wird sich mit einer neuartigen Form des Quanteneinschlusses von Elektronen beschäftigen, der über vergrabenen Nanokavitäten unter einer Pb(111)-Oberfläche beobachtet werden kann. Die Kavitäten werden durch den Beschuss der Oberfläche mit hochenergetischen Argon-Ionen sowie einem sich anschließenden Heizzyklus erzeugt. Ein vertikaler Einschluss von Elektronen zwischen der Kavität und der Oberfläche des Kristalls führt zu Quantentrogsubbändern, die mit Hilfe der Rastertunnelspektroskopie untersucht wurden. Das Volumen oberhalb der Vakanz kann näherungsweise als dünner Film mit begrenzter lateraler Ausdehnung angesehen werden. Überraschenderweise sind die Elektronen zusätzlich lateral eingeschlossen von der Grenzfläche, an der der dünne Film in das ungestörte Kristallvolumen übergeht. Diese laterale Beschränkung führt zu einer Feinstruktur, die in Spektren des differentiellen Leitwerts beobachtet werden kann. Die experimentellen Befunde werden durch auf dem freien Elektronengas beruhenden Berechnungen unterstützt, die die Ergebnisse zu einem hohen Grad reproduzieren. Die laterale Beschränkung drückt sich weiterhin durch ein charakteristisches stehende Welle Muster aus, das genutzt wurde, um die Dispersionsrelation der Quantentrogzustände dünner Bleifilme in einem Bereich von bis zu 2 eV zu ermitteln. Eine Analyse der Linienbreite der spektroskopischen Charakteristika wird den Einfluss der Grenzfläche des dünnen Films auf die elastische Abklingrate zeigen.

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Müller, Martin: Single-atom junctions and novel electron confinement mechanism on Pb(111). Ilmenau 2017.

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