Faculté des sciences de base SB, Section de physique (Laboratoire de physique des surfaces LPS)

Scanning tunneling spectroscopy at the single atom scale

Ternes, Markus ; Schneider, Wolf-Dieter (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3465.

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    Summary
    This thesis reports measurements at the single atom scale by using low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS). Different sample systems where analyzed with normal conducting and superconducting tips. Chapter 2 presents the theoretical aspects which have to be taken into account for a detailed analysis and a consistent interpretation of the STS measurements. In chapter 3 the creation of a hexagonally ordered superlattice of single Ce adatoms on Ag(111) is reported and understood within a scattering model of the surface state electrons with the adatoms. Furthermore, the change in the local density of states of the surface state in ordered and slightly disordered superlattices is measured and theoretically explained within a tight-binding model which allows to understand the creation and stability of the superlattice by an energy gain of the participating surface-state electrons. Because Ce atoms have a non-vanishing magnetic moment which is expected to interact with the continuous states of the supporting surface leading to a Kondo resonance, chapter 4 presents measurements on single Ce adatoms on different Ag surfaces. This chapter shows the difficulties to interpret the obtained data. For instance, bistable Ce adatoms are detected on Ag(100) which show drastical changes in their apparent height and spectral signature depending on the tunneling conditions. The possible physical processes behind these phenomena are discussed. While the results presented in the first chapters were obtained with a normal conducting tip, chapter 5 intensively discusses the opportunities superconducting tips offer in low-temperature STS measurements. Novel insight in and thorough understanding of Andreev reflection processes are obtained by using the unique possibility of having different superconducting gaps in the tip and the sample. Detailed analyses of the supercurrent at low tunneling resistances reveal tunneling currents which are not described within the standard resistivity shunted junction model, and are presumably due to self-induced tunneling or due to an additional quasiparticle tunneling channel which only exist in asymmetric junctions. Furthermore, the influence of single magnetic Co atoms inbetween the superconducting tunnel junction on the obtained spectrum is discussed.
    Zusammenfassung
    In dieser Arbeit werden Messungen vorgestellt, die mit Hilfe der Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie (STM) und -spektroskopie (STS) auf atomarer Ebene gewonnen wurden. Dabei sind verschiedene Probensysteme mit normalleitenden und supraleitenden Tunnelspitzen untersucht worden. Die theoretischen Überlegungen, die für eine detaillierte Analyse und konsistente Auswertung der spektroskopischen Daten unabdingbar sind, werden in Kapitel 2 präsentiert. Kapital 3 berichtet über die Entstehung von hexagonal geordneten Übergittern aus einzelnen Ce Adatomen auf der Ag(111) Oberfläche, welche mittels der Streuung von Oberflächenelektronen an den Ce Adatomen erklärt werden kann. Weiterhin wird die Änderung der lokalen Zustandsdichte des Oberflächenzustandes in geordneten und leicht ungeordneten Übergittern gemessen und innerhalb eines „tight binding” Modells theoretisch beschrieben. In diesem Model kann die Entstehung und Stabilität des Übergitters als Folge des Energiezuwachses der beteiligten Oberflächenelektronen verstanden werden. Da die Ce Atome ein nichtverschwindendes magnetisches Moment besitzen, werden Kondo-Resonanzen erwartet, die durch Wechselwirkung mit den kontinuierlichen Zuständen der unterliegenden Oberfläche entstehen. Kapitel 4 präsentiert daher spektroskopische Messungen an einzelnen Ce Adatomen auf unterschiedlichen Ag-Oberflächen. Dabei werden die Schwierigkeiten bei der Interpretation dieser Daten aufgezeigt. So werden zum Beispiel bistabile Ce Atome auf Ag(100) detektiert, deren spektrale Eigenschaften und scheinbare Höhe drastisch von den Tunnelparametern abhängen. Während alle Ergebnisse aus den Kapiteln 3 und 4 mittels normalleitender Spitzen gewonnen wurden, werden in Kapitel 5 die Möglichkeiten intensiv diskutiert, die sich mit supraleitenden Spitzen in Tieftemperatur-STS Messungen eröffnen. Die einzigartige Möglichkeit, unterschiedliche Bandlücken in Spitze und Probe zu präparieren, ermöglicht ein neuartiges und umfassenderes Verständnis von Andreev-Reflektionen. Die detaillierte Analyse der Superströme bei niedrigen Tunnelwiderständen enthüllt, daß die Tunnelströme nicht innerhalb des Standardmodells von einem Tunnelübergang mit Parallelwiderstand (resistivity shunted junction model) beschrieben werden können. Wir vermuten, daß entweder selbstinduziertes Tunneln von Elektronenpaaren oder zusätzliche Tunnelkanäle für Quasiteilchen, welche nur in asymmetrischen Übergängen existieren, die Ursache sind. DesWeiteren wird der Einfluss von einzelnen magnetischen Co Atomen in dem supraleitenden Tunnelübergang auf das Spektrum diskutiert.
    Résumé
    Cette thèse rapporte des mesures faites à l'échelle de l'atome en utilisant la microscopie et la spectroscopie à balayage par effet tunnel (STM et STS). Différents systèmes d'échantillons ont été analysés avec des pointes conductrices normale et supraconductrices. Le chapitre 2 présente les aspects théoriques donc nous devons tenir compte afin d'avoir une analyse détaillée et une interprétation consistente des mesures de la STS. Dans le chapitre 3 la création d'un superréseau de configuration hexagonale d'adatomes de Ce sur une surface d'Ag(111) est rapportée et comprise grâce à un modèle de dispersion des électrons de la surface avec les adatomes de Ce. De plus nous avons mesuré le changement de la fonction de densité des états locale de l'état de la surface pour des réseaux ordonnés et désordonnés et tenté de l'expliquer théoriquement à l'aide d'un modèle de 'tight-binding' permettant de comprendre la création et la stabilité du super-réseau grâce à un gain d'énergie des électrons de surface participant au processus. Parce que les atomes de Ce ont un moment magnétique non-négligeable censé interagir avec le continuum d'états de la surface de support et par conséquent induire une résonance de Kondo, le chapitre 4 expose des mesures faites sur des atomes de Ce isolés sur différentes surfaces d'Ag. Ce chapitre expose les difficultés à expliquer les données obtenues. Par exemple, des adatomes de Ce bistables détectés sur de l'Ag(100) et démontrent des changements drastiques dans leur hauteur apparente et leur signature spectroscopique dépendamment des conditions de tunneling. Nous discutons les processus physiques possibles derrière ce phénomène. Alors que les résultats présentés dans les premiers chapitres sont obtenus avec une pointe conductrice normale, le chapitre 5 discute dans le détail des opportunités qu'offrent les pointes supraconductrices pour des mesures STS à basse température. Une compréhension nouvelle et approfondie des processus de réflexion d'Andreev ont été obtenus en utilisant la possibilité unique d'avoir différents gaps supraconducteurs dans la pointe ainsi que dans l'échantillon. Des analyses détaillées du courant supraconducteur avec de basses résistances d'effet tunnel révèlent des courants d'effet tunnel qui ne sont pas décrits par le modèle standard de jonction shuntée avec une résistance. Ils sont vraisemblablement dus à un effet tunnel self-induit ou à un canal de tunneling de quasiparticules supplémentaire qui n'existe que dans des jonctions asymétriques. Nous discutons aussi de l'influence d'atomes de Co magnétique isolés placés entre les jonctions d'effet tunnel supraconducteurs sur le spectre obtenu.