Universität Tübingen
Transporteigenschaften von Quantenpunktkontakten und Quantenpunkten - Untersuchung von Leitwertanomalien und Nanostrukturierung mit Resorcinarene-Lack
Abstract
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit elektronischen Transportuntersuchungen an Nanostrukturen auf GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen. An quasi-eindimensionalen Quantenpunktkontakten wird die klar erkennbare, aber bisher unverstandene 0,7-Anomalie auf der Suche nach einem Erklärungsmodell analysiert. Für Beobachtungen an nulldimensionalen Quantenpunkten werden verschiedene Geometrien realisiert, wobei eine vielseitige neue Herstellungstechnik zum Einsatz kommt. Das GaAs/AlGaAs-Substrat enthält parallel zur Oberfläche in ca. 100 nm Tiefe ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG), das über optische Lithografie auf eine Mesa-Struktur eingeschränkt wird. In deren Zentrum werden mittels Elektronenstrahl-Lithografie Nanostrukturen aus Split-Gates oder abstandsmodulierten Gates erzeugt, die anhand von negativen Gatespannungen in das 2DEG übertragen werden. Die Nanostrukturen werden in einem 3He-4He-Entmischungskryostat bei Temperaturen der Größenordnung T = 100 mK elektronisch charakterisiert. In dieser Arbeit wird eine Temperaturcharakterisierung des Kryostaten und der Proben anhand von RuO2-Halbleiterthermometern und Quantisierungseffekten mit bekannter Temperaturabhängigkeit vorgenommen. Zur Optimierung der Probenherstellung wird eine Rezeptur zur Herstellung von ohmschen Kontakten zwischen Metallflächen auf der Oberfläche und dem 2DEG entwickelt. Da hier noch kein Verfahren für reproduzierbar gute Kontakte existierte, werden sämtliche relevanten Herstellungsparameter variiert und die erzielten Widerstände bei Raumtemperatur und 4,2 K untersucht. In Anlehnung an eine systematische Untersuchung von Graumann et al. (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart) wird so eine Rezeptur gefunden, die unter Berücksichtigung der 2DEG-Tiefe und der Kristallorientierung des Substrats zu exzellenten Ergebnissen führt. "Leitwertanomalien" in Transportmessungen an Quantenpunktkontakten, deren prominenteste Vertreterin die "0,7-Struktur" ist, stellen ein nach wie vor ungelöstes Rätsel dar. Sie äußern sich in Plateaus, die zwischen den in Vielfachen von g = 2e^2/h quantisierten Plateaus der Leitwertquantisierung auftreten. In dieser Arbeit werden in linearen und nichtlinearen Transportuntersuchungen ausgeprägte Leitwertanomalien beobachtet, die u.a. bezüglich ihrer Magnetfeld- und Temperatureigenschaften untersucht werden. In den nichtlinearen Daten treten Zusatzplateaus in den ersten drei Leitwertstufen auf, wobei insbesondere die Plateaus um Source-Drain-Spannung Vsd = 0 ungewöhnlich klar definiert sind. Einen besonderen Schwerpunkt bildet eine Analyse auf dem Hintergrund eines Kondo-Modells von Cronenwett et al. (Stanford University). In einem schmalen Bereich um Vsd = 0 kann eine Erhöhung des Leitwerts auftreten, die in Analogie zum Kondo-Effekt in Quantenpunkten als Zero Bias Anomaly interpretiert werden kann. Diese ist auf dem 0,7-Plateau fast vollständig unterdrückt, wobei noch nicht endgültig geklärt ist, ob die Zero Bias Anomaly und die 0,7-Anomalie ursächlich zusammenhängen. Eine quantitative Auswertung mit dem modifizierten Kondo-Modell beschreibt die Messungen in vielerlei Hinsicht gut, lässt aber noch einige wichtige Fragen offen. In einem weiteren thematischen Abschnitt werden verschiedene Nanostrukturen hergestellt, indem der Abstand metallischer Gates von der Substratoberfläche durch Resorcinarene-Lackstrukturen moduliert wird. In der Vorgängerarbeit von F. Panteleit wurde gezeigt, dass sich die Verbindung C-Methylcalix[4]resorcinarene sehr gut als hochauflösender Negativlack für die Elektronenstrahllithografie eignet. Die vorliegende Arbeit beweist, dass sich damit auch hervorragend stabile Nanostrukturen herstellen lassen. Dabei werden Auflösungsvermögen, Belichtungsdosis und Alignment getestet. In Transportmessungen an Quantenpunkten, die durch Abstandsmodulation definiert werden, wird Ladungsquantisierung in Form von Coulomb-Blockade-Oszillationen beobachtet. Es tritt ein charakteristischer Übergang vom Einzel-Quantenpunkt zu einem seriellen Doppel-Quantenpunkt auf, der darauf zurückzuführen ist, dass sich durch vertikale Verarmung ab einer Grenzspannung des Centergates eine variable Tunnelbarriere ausbildet. Mit der gezeigten Technik lassen sich durch unterbrechungsfreie Gates und die Kombination aus lateraler und vertikaler Verarmung kleine komplexe Geometrien mit parallelen Strukuren, vertikaler Kontaktierung oder ausgedehnten steuerbaren Tunnelbarrieren verwirklichen. Dabei werden nur wenige Zuleitungen benötigt, und es werden Geometrien möglich, die mit der konventionellen Split-Gate-Technologie nicht realisierbar sind.
Author and committee
dc:creator, dc:contributor.*- Author
-
- Fleischer, Monika
Identifiers
dc:identifier.*- Identifier
- hdl:10900/48994