Au atomic wires on silicon: spin order and phase transitions in low-dimensional systems
Creators: name: Braun, Christian
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2021

description: Durch die fortlaufende Miniaturisierung in der Halbleiterindustrie rücken zunehmend quantenphysikalische Effekte in den Vordergrund. Selbstassemblierte Goldketten auf Si(553)-Au und Si(557)-Au bilden die denkbar kleinsten Drähte, deren strukturelle, elektronische und thermische Eigenschaften hier untersucht werden. Im ersten Teil wird zunächst der Einfluss von Sauerstoff auf die elektronischen Transporteigenschaften untersucht. Die Leitfähigkeit von Si(557)-Au nimmt im Vergleich zu Si(553)-Au stärker ab. Dies kann durch unterschiedliche Sauerstoff-Adsorptionsstellen erklärt werden, die sich verschieden auf die Bandstrukturen auswirken. Mit Kenntnis der Plasmonendispersion lassen sich zudem anhand dieser Bandstrukturen Rückschlüsse auf die unbesetzten Bänder ziehen. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass im Fall von Si(553)-Au eine diamagnetische Stufenkante energetisch stabiler als das allgemein akzeptierte Spin-Chain-Modell ist und es die experimentellen Beobachtungen besser erklärt. Im Gegensatz dazu bevorzugt Si(557)-Au eine spinpolarisierte Oberfläche aufgrund einer stärkeren Spin-Spin-Austauschwechselwirkung. Das diamagnetische Strukturmodell bildet die Grundlage für die Untersuchung des Phasenübergangs von Si(553)-Au mithilfe von Molekulardynamik-Simulationen. Eine weiche Phononenmode der Au-Kette treibt den Ordnungs-Unordnungs-Phasenübergang durch temporäre Änderungen des chemischen Elektronenpotentials und Selbstdotierung der ungesättigten Stufenkantenatome an. Die Berechnungen werden durch Vergleiche mit Raman-Oberflächenmoden bestätigt und erklären frühere Rastertunnelmikroskopie-, elektronische Transport- und niederenergetische Elektronenbeugungsexperimente.
description: With the ongoing miniaturization in the semiconductor industry, quantum physical effects in-creasingly come to the fore. Self-assembled Au chains on Si(553)-Au and Si(557)-Au form the smallest possible wires, whose structural, electronic, and thermal properties are investigated here in the framework of density-functional theory. In the first part, the influence of oxygen on the electronic transport properties is investigated. The conductivity of Si(557)-Au decreases more strongly compared to Si(553)-Au. This can be explained by distinct oxygen adsorption sites, which have different effects on the band structures. Furthermore, based on these band structures, conclusions can be drawn about the unoccupied bands with knowledge of the plas-mon dispersion. In the second part, it is then demonstrated that a diamagnetic step edge is en-ergetically more stable than the generally accepted spin-chain model and better explains the experimental observations in the case of Si(553)-Au. In contrast, Si(557)-Au prefers a spin-polarized surface configuration due to an enhanced spin-spin exchange interaction. Based on the diamagnetic model, the phase transition of Si(553)-Au is examined utilizing molecular dynamics simulations. A soft Au-chain phonon mode is identified to drive the order-disorder phase transition by transient modifications of the electron chemical potential, resulting in a self-doping of the step-edge atoms. The calculations are corroborated by Raman surface modes and well explain previous low-energy electron diffraction, scanning tunneling microscopy, and electronic transport measurements. The mechanism presented here is considered to be relevant far beyond the scope of these systems.