Das Hauptthema dieser Arbeit ist eine Untersuchung des prototypischen topologischen Isolators Bismutselenid durch Rastertunnelmikroskopie (STM). Eine Deposition von Rubidium-Adatomen führt zu n-Dotierung und einer Oberflächenbandverbiegung. STM und Photoemissionsspektroskopiemessungen ergeben ein thermisch induziertes Interkalieren von Rb-Atomen in die van-der-Waals-Lücken des Substrats, das durch Coulombabstoßung hervorgerufen wird. Dabei behalten die Rb-Atome ihre Dotiereigenschaften, sind aber vor Einflüssen der Umgebung geschützt. Weiterhin wird die bedeckungsabhängige Verteilung der positiv geladenen Rb-Atome auf dieser Oberfläche analysiert. Eine statistische Auswertung liefert das abstoßende elektrostatische Potential, das unerwartet stark durch freie Elektronen an der Oberfläche des topologischen Isolators abgeschirmt ist. Dadurch kann die Potentiallandschaft berechnet werden, in der sich die Elektronen des topologischen Oberflächenzustands aufhalten. Durch selbstorganisiertes Wachstum oder atomare Manipulation mit der STM-Spitze können beliebige Potentiallandschaften hergestellt werden.
Die niedrigdimensionale Supraleitung von Lanthanfilem wird durch Rastertunnelspektroskopie untersucht. Ein Vergleich mit der BCS-Theorie liefert die supraleitende Energielücke. In dicken Schichten kann diese Energielücke und die Sprungtemperatur von hexagonalem Lanthan genauer als in bisherigen Studien bestimmt werden. In dünnen Filmen wird die Supraleitung durch eine Randbedingung der supraleitenden Wellenfunktion an den Grenzflächen unterdrückt, was zu einer linearen Abnahme der Sprungtemperatur als Funktion der inversen Schichtdicke führt. Schließlich wird die experimentell beobachtete, unerwartet hohe Streurate von Tunnelelektronen erklärt.
Alle Messungen wurden in einem neuen Tieftemperatur-STM-System durchgeführt, welches im Rahmen dieser Arbeit entworfen und installiert wurde. Es ermöglicht Messungen auf Oberflächen im Ultrahochvakuum bei einer Temperatur von 1,2 K und hoher Orts- und Energieauflösung.
The main topic of this thesis is an investigation of the prototypical topological insulator bismuth selenide by means of scanning tunneling microscopy (STM). A deposition of Rb adatoms leads to a downwards band bending at the surface. By combining results from STM and photoemission spectroscopy, a thermally induced intercalation of Rb atoms into the van der Waals gaps of the substrate is found, which is driven by Coulomb repulsion between the atoms. Intercalated Rb atoms still act as donors, but are protected against environmental influences. Coverage-dependent distributions of positively charged Rb atoms on the surface are further investigated by STM. A statistical analysis yields the strength and distance behavior of the electrostatic potential, which is unexpectedly efficiently screened by free electrons at the surface of the topological insulator. Its knowledge enables a determination of the potential landscape in which the topological surface state electrons reside. Arbitrary potential landscapes can be created by a combination of self-organized growth and atomic manipulation with the STM tip.
The low-dimensional superconductivity of lanthanum films is investigated by scanning tunneling spectroscopy. Fitting of the measured spectra to BCS theory yields the superconducting energy gaps. For the case of thick, bulk-like films, the bulk energy gap and critical temperature of dhcp lanthanum turn out to be considerably higher as compared to previous studies. In thin films the superconductivity is suppressed by the boundary condition for the superconducting wavefunction, leading to a linear decrease of the superconducting transition temperature as a function of the inverse film thickness. Moreover, the experimentally observed, unexpectedly strong scattering rate of tunneling electrons is explained.
All experiments were conducted with a low-temperature STM facility that has been planned and assembled in the course of this PhD work. It enables studies of surfaces, which can be prepared in-situ in the same facility by standard ultra-high vacuum surface science techniques, at a base temperature of 1.2 K and with high spatial and energy resolution.