Nachwuchsgruppe von Dr. Regina Hoffmann

Wir untersuchen die strukturellen und elektronischen Eigenschaften metallischer Nanokontakte. Die elektronischen Eigenschaften von Nanokontakten werden oft erklärt, indem Annahmen über ihre atomare Struktur getroffen werden. Unser Ziel ist es, die Struktur mit Rastersondenmikroskopie zu untersuchen. Die Nanokontakte werden mit kontrollierter Elektromigration hergestellt. Dies wird uns ein besseres Verständnis und eine Beeinflussung der Zuleitungen und Kontakte an die kleinsten funktionalen Einheiten, also CMOS Transistoren einerseits oder molekulare Transistoren andererseits, ermöglichen

 

Metallische Nanokontakte und molekulare Elektronik

Wenn man einen metallischen Draht immer dünner macht, findet man Abweichungen vom Ohmschen Gesetz. Der Leitwert des Kontaktes variiert nicht mehr kontinuierlich mit den Abmessungen des Drahtes. Bei diesen metallischen Nanokontakten bestimmt die atomare Konfiguration und chemische Natur der Metallatome einerseits und die Welleneigenschaften der Elektronen andererseits den Leitwert.

Metallische Nanokontakte können mit thermisch assistierter Elektromigration hergestellt werden. Bei dieser Methode wird ein dünner metallischer Draht durch Anlegen eines elektrischen Stromes aufgeheizt, so dass die Atome thermisch aktiviert unter dem Einfluss der Elektromigrationskräfte in eine Richtung diffundieren, so dass der Kontakt dünner wird. Die Temperatur des entstehenden Nanokontaktes wird dabei kontrolliert.

Diese Methode wird auch verwendet, um Moleküle zu kontaktieren. Dazu muss man die Moleküle auf isolierende Oberflächen plazieren. Moleküle auf isolierenden Oberflächen können mit hochaufgelöster Rasterkraftmikroskopie einzeln abgebildet werden. Die Qualität der Abbildung ist dabei von ähnlich guter Qualität wie bei Abbildungen von Molekülen auf metallischen Oberflächen mit dem Rastertunnelmikroskop. So kann die Selbstorganisation der Moleküle und die epitaktische Beziehung der Molekülinseln mit dem Substrat untersucht werden. Es können Schlüsse über die Wechselwirkungen der Moleküle mit anderen Molekülen und mit dem Substrat gezogen werden.

 

Oberflächenkräfte

Rasterkraftmikroskopie im dynamischen Modus erlaubt die Abbildung von isolierenden, halbleitenden und metallischen Oberflächen mit atomarer Auflösung. Bei der Rasterkraftmikroskopie wird die Kraft zwischen einer Spitze, die an einer Blattfeder befestigt ist, und einer sauberen und geordneten Oberfläche bestimmt, indem die Auslenkung der Blattfeder gemessen wird. Im dynamischen Modus wird zusätzlich die Spitze zu Schwingungen angeregt, um die Kraft genauer messen zu können. Wenn ein harter Kontakt mit der Oberfläche und die dadurch entstehende Beschädigung der Spitze vermieden wird, was im dynamischen Modus am besten gelingt, können mit atomarer Genauigkeit chemische Bindungskräfte zwischen Spitze und Oberfläche direkt gemessen werden.

Zusätzlich zur lateralen Messung mit atomarer Auflösung parallel zur Oberfläche können die chemischen Bindungskräfte auch abstandsabhängig gemessen werden. Aus diesen Informationen können dreidimensionale Vektorfelder der Kräfte im Raum über wenigen Probenatomen generiert werden. Wir vergleichen die gemessenen Kräfte mit atomistischen Rechnungen. Geeignete Modelle für die Oberfläche sind gut bekannt. Da über die Spitze wenig bekannt ist, werden für die Spitze verschiedene Modelle benutzt. Der Vergleich aus Simulationen und Messungen ermöglicht es, die Entstehung des gemessenen Kontrastes besser zu verstehen, und die Modelle der Spitze immer weiter zu verfeinern, das heisst zum Beispiel die Polarität des vordersten Spitzenatoms zu bestimmen.

Nachwuchsgruppe von Dr. Regina Hoffmann

 

Ausgewählte Veröffentlichungen

C. Pérez León, H. Drees, S. Wippermann, M. Marz, and R. Hoffmann-Vogel,
Atomic-scale imaging of the surface dipole distribution of stepped surfaces,
Journal of Physical Chemistry Letters, accepted for publication.

J. L. Neff , P. Milde, C. Pérez León, M. D. Kundrat, Ch. R. Jacob, L. Eng, R. Hoffmann-Vogel,
Epitaxial Growth of Pentacene on Alkali Halide Surfaces Studied by Kelvin Probe Force Microscopy,
ACS Nano 8, 3294 (2014)

D. Stöffler, M. Marz, B. Kießig, T. Tomanic, H. v. Löhneysen, and R. Hoffmann-Vogel,
Unusual resistance-voltage dependence of nanojunctions during electromigration in ultra-high vacuum,
Physical Review B 90, 115406 (2014)

A. C. von Bieren, A. K. Patra, S. Krzyk, J. Rhensius, L. J. Heyderman, R. Hoffmann-Vogel, and M. Kläui,
Domain-wall induced large magnetoresistance effects at zero applied field in electromigrated permalloy nanocontacts,
Physical Review Letters 110, 067203 (2013)

D. Stöffler, S. Fostner, P. Grütter, and R. Hoffmann-Vogel,
Scanning probe microscopy imaging of metallic nanocontacts,
Physical Review B Brief Reports 85, 033404 (2012)

D. Stöffler, H. v. Löhneysen, and R. Hoffmann,
Carbon deposition induced by STM measurements in ultra-high vacuum,
Nanoscale 3, 3391 (2011)

R. Hoffmann, D. Weiner, A. Schirmeisen, and A. S. Foster,
Sublattice identification in scanning force microscopy of the NaCl(001) surface,
Physical Review B 80, 115426 (2009)

R. Hoffmann,
Tip-sample interactions as a function of distance on insulating surfaces,
in: Morita, S., Giessibl, F.J., and Wiesendanger, R. (editors), Noncontact Atomic Force Microscopy, Volume 2, Springer, ISBN: 978-3-642-01494-9

H. Hölscher, P. Milde, U. Zerweck, L. M. Eng and R. Hoffmann,
The Effective Quality Factor in Dynamic Force Microscopes with Fabry-Perot-Interferometer Detection,
Applied Physics Letters 94, 223514 (2009)

K. Ruschmeier, A. Schirmeisen and R. Hoffmann,
Atomic Scale Force Vector Fields,
Physical Review Letters 101, 156102 (2008)

R. Hoffmann, D. Weissenberger, J. Hawecker and D. Stöffler,
Conductance of gold nanojunctions thinned by electromigration,
Applied Physics Letters 93, 043118 (2008)

A. Singh, C. Sürgers, R. Hoffmann, H. v. Löhneysen, T. V. Ashworth, N. Pilet and H. J. Hug,
Spin-polarized current versus stray field in a perpendicularly magnetized superconducting spin switch,
Applied Physics Letters 91, 152504 (2007)

R. Hoffmann, C. Barth, A. S. Foster, A. L. Shluger, H. J. Hug, H.-J. Güntherodt, R. M. Nieminen and M. Reichling,
Measuring Site Specific Cluster Surface Interaction,
The Journal of the American Chemical Society 127, 17863 (2005)

T. Kunstmann, A. Schlarb, M. Fendrich, Th. Wagner, R. Möller, and R. Hoffmann,
Dynamic force microscopy study of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride on KBr(001),
Physical Review B Rapid Communications 71, 121403 (2005)

S. A. Burke, J. M. Mativetsky, R. Hoffmann, and P. Grütter,
Nucleation and Submonolayer Growth of C60 on KBr,
Physical Review Letters 94, 096102 (2005)

R. Hoffmann, L. N. Kantorovich, A. Baratoff, H. J. Hug, and H.-J. Güntherodt,
Sublattice identification in scanning force microscopy on alkali halide surfaces,
Physical Review Letters 92, 146103 (2004)

M. A. Lantz, H. J. Hug, R. Hoffmann, P. J. A. van Schendel, P. Kappenberger, S. Martin, A. Baratoff and H.-J. Güntherodt,
Quantitative Measurement of Short-Range Chemical Bonding Forces,
Science 291, 2580 (2001)

M. A. Lantz, H. J. Hug, P. J. A. van Schendel, R. Hoffmann, S. Martin, A. Baratoff, A. Abdurixit, H.-J. Güntherodt and Ch. E. Gerber,
Low temperature scanning force microscopy of the Si(111) 7x7 surface,
Physical Review Letters 84, 2642 (2000)