Cross-sectional scanning probe microscopy on GaAs: Tip-induced band bending, buried acceptors and adsorbed molecules

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	30 June 2014
Referee:	Prof. Dr. Jascha Repp
Date of exam:	18 June 2014
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Giessibl > Group Jascha Repp
Keywords:	cross-sectional scanning probe microscopy, scanning tunneling microscopy, atomic force microscopy, Kelvin probe force spectroscopy, tip-induced band bending, III-V semiconductor, GaAs, acceptor, iron-II-phthalocyanine molecule, gating
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	30107

Abstract (English)

This thesis presents low temperature scanning probe experiments performed in the cross-sectional geometry (X-SPM) on GaAs samples. In particular, three topics have been addressed. First, the GaAs(110) surface has been utilized as a substrate to adsorb iron-II-phthalocyanine molecules. The molecules were probed from scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) and were found to be ...

Abstract (English)

This thesis presents low temperature scanning probe experiments performed in the cross-sectional geometry (X-SPM) on GaAs samples. In particular, three topics have been addressed.
First, the GaAs(110) surface has been utilized as a substrate to adsorb iron-II-phthalocyanine molecules. The molecules were probed from scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) and were found to be only weakly perturbed by the substrate. This is in analogy to molecules decoupled from a metallic sample by an ultrathin insulating layer and hence offers the possibility to combine single-molecule functionality with the rich versatility of semiconductor physics.
Second, we have exploited the possibility to tune molecular resonances via the adsorption position of the individual molecules across an epitaxialy grown heterostructure, where the relative positions of molecular resonances, Fermi level and vacuum level can be tuned with respect to each other.
Third, we have used a combination of STM/STS and Kelvin probe force spectroscopy (KPFS) to solve the long-standing problem of tip-induced band bending usually present in STM/STS on semiconducting surfaces due to the penetration of the electrostatic field into the interior of the sample. With this combination of experimental techniques, we revisited individual shallow acceptors buried below the GaAs(110) surface, and found the acceptor-induced enhanced conductance to be present similarly within multiple band bending regimes.

Translation of the abstract (German)

In dieser Dissertation wurden GaAs-Spaltflächen mittels Tieftemperatur-Rastersondenmikroskopie untersucht. Drei Themengebiete wurden bearbeitet. Erstens wurde die GaAs(110) Oberfläche als Substrat für adsorbierte Eisen-II-Phthalocyanin Moleküle verwendet. Die Moleküle wurden mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und Spektroskopie (STS) untersucht. Der Einfluss des Substrates auf die Moleküle ...

Translation of the abstract (German)

In dieser Dissertation wurden GaAs-Spaltflächen mittels Tieftemperatur-Rastersondenmikroskopie untersucht. Drei Themengebiete wurden bearbeitet. Erstens wurde die GaAs(110) Oberfläche als Substrat für adsorbierte Eisen-II-Phthalocyanin Moleküle verwendet. Die Moleküle wurden mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und Spektroskopie (STS) untersucht. Der Einfluss des Substrates auf die Moleküle wurde als äußerst schwach festgestellt, was eine Analogie zu mittels ultradünnen Isolatorfilemen entkoppelten Molekülen darstellt. Daher erlaubt das untersuchte Adsorbat/Substrat System, molekulare Funktionalität mit der Vielseitigkeit der Halbleiterphysik zu kombinieren. Zweitens wurde die Möglichkeit untersucht, molekulare Resonanzen durch den Adsorptionsplatz des Moleküls entlang einer epitaktisch gewachsenen Heterostruktur zu verschieben. Da entlang einer solchen Heterostruktur die relativen Positionen von molekularen Resonanzen, der Fermi Energie sowie der Vakuum Energie räumlich variieren, konnten molekulare Resonanzen gezielt beeinflusst werden. Als drittes wurde eine Kombination aus STM/STS und Kelvin Sonden Spektroskopie verwendet, um das seit langem bekannte Problem der Spitzen-induzierten Bandverbiegung zu lösen. Dieses Problem tritt typischerweise bei STM/STS auf Halbleiteroberflächen auf, da ein Teil des elektrostatischen Potentials innerhalb der Probe abfällt. Mit dieser Kombination experimenteller Techniken untersuchten wir einzelne, in GaAs vergrabene, flache Akzeptoren. Die experimentell gemessene, Akezptor-induzierte Leitfähigkeit wurde in gleicher Weise in mehreren Bandverbiegungs-Regimen gefunden.

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