Elektronischer Transport in niedrigdimensionalen Nanostrukturen

Die elektronischen Eigenschaften niedrigdimensionaler Systeme hängen eng mit Ihrer geometrischen Struktur zusammen. Die Elektronentransportbeschränkung ist in einer ein- (1D) und zweidimensionalen (2D) Struktur von hoher Bedeutung, was zu starken Korrelationen zwischen Elektronen und zu signifikanten Abweichungen vom Fermi-Flüssigkeitsverhalten führt, die manchmal besser von einer Luttinger-Flüssigkeit beschrieben werden

In der jüngeren Vergangenheit wurden tatsächlich zwei Richtungen angesprochen: a) Oberflächen- (Magneto-) Leitfähigkeits- und Streumechanismen in Systemen mit starker Spin-Bahn-Kopplung und b) Quasi-1D-Systeme.

a) Der Gleichstromtransport (DC) reagiert tatsächlich empfindlich auf Begrenzung, Wachstumsmodi und (elektronische) Oberflächenrauheit. Unsere experimentell untersuchten Beispiele zeigen, dass wir klassische Effekte und Quantengrößeneffekte, ausgeprägte Leitfähigkeitsanisotropie oder Leitfähigkeitsschwingungen unterscheiden können, die in direktem Zusammenhang mit einem Schicht-für-Schicht-Wachstumsmodus stehen. Durch Hinzufügen eines Magnetfelds werden Details des Streumechanismus bei Verunreinigungen und Defekten aufgedeckt, da elastische, unelastische Beiträge zur Spin-Bahn-Streuung getrennt werden können. Beim Übergang von den Mehrfachschichten zur Monoschicht sind starke Änderungen der Streueigenschaften erkennbar. Im Gegensatz zu Mehrfachschichten dominiert in vielen Fällen die Spin-Orbit-Streuung für die Monoschicht, vermutlich aufgrund der Verringerung der Symmetrie an der Oberfläche und des Auftretens von durch den Rashba-Effekt gespaltenen Spin-Split-Banden. Das faszinierende Zusammenspiel zwischen Volumen- und Oberflächenleitfähigkeit mit großen Rashba-Spaltzuständen an der Oberfläche wird durch eine Untersuchung des Mehrschichtwachstums von Bi auf Si (111) veranschaulicht. Durch Magnetokonduktanz konnten wir die Volumen- von den Oberflächenbeiträgen trennen. Die Streuung zwischen stark spinpolarisierten Rashba-Split-Zuständen kann effektiv unterdrückt werden, so dass nur der in diesem System beobachtete „klassische“ Magnetokonduktanz erhalten bleibt. Die Adsorption kleiner Konzentrationen von Verunreinigungen mit großen magnetischen Momenten zeigt weitere Details des Streumechanismus.

b) Der 1D-Fall ist eine exotische Situation, da er von Natur aus instabil ist. Infolgedessen bestehen zahlreiche Instabilitäten wie Spin- und Ladungsdichtewellen oder Metall-Isolator-Übergänge im elektronischen Transport, die sowohl Energie als auch Entropie reduzieren. Aus praktischer Sicht können 1D- und 2D-Systeme nicht im freien Raum existieren. Sie können entweder durch stark anisotrope Kristalle und Polymere oder auf Trägeroberflächen realisiert werden, die jedoch die Quelle der 3D-Wechselwirkung sind.