Kurzfassung
Diese Arbeit beschäftigt sich in ihrem ersten Teil mit dem Aufbau eines
Ultrahochvakuum-Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops, das in
einem senkrecht zur Oberfläche in einer Ebene frei einstellbaren
Magnetfeld betrieben werden kann. Die dem System zugrundeliegenden
Designprinzipien und die dafür erforderlichen Entwicklungen werden
detailliert erläutert. Weiterhin wird das Rastertunnelmikroskop, welches
für eine hohe räumliche und spektroskopische Auflösung optimiert worden
ist, zusammen mit der verwendeten Elektronik vorgestellt.
Im zweiten Teil wird auf die Untersuchungen zur Streuung von
Elektronenwellen an Dotieratomen eines n-dotierten InAs-Kristalls
eingegangen. Dazu ist die lokale energieaufgelöste Zustandsdichte
der InAs(110)-Oberfläche über die Aufnahme von (dI/dU)-Bildern im
Konstantstrombetrieb und einer zusätzlichen Normierung bestimmt
worden. Die lokale Zustandsdichte im Energiebereich von 50 meV bis 200 meV
weist Strukturen aus konzentrischen Ringen auf, deren Ursprung über einen
Vergleich mit der gleichzeitig aufgenommenen Topographie Dotieratomen
zugeordnet werden kann. Dabei beeinflussen auch Dotieratome die
Zustandsdichte der Probenoberfläche, die in bis zu 25 nm Tiefe
liegen. Ein auf der WKB-Methode beruhendes Modell, welches das
Coulombpotential des Dotieratoms und die spitzeninduzierte Bandverbiegung
mit berücksichtigt, ist in der Lage, die Durchmesser der Streustrukturen,
deren Energieabhängigkeit und die Intensitätsverhältnisse mit guter
Genauigkeit zu reproduzieren. Der einzige Anpassungsparameter ist hierbei
die Dotieratomtiefe.
Über den Vergleich der Intensitätsverhältnisse des mittleren
(dI/dU)-Gesamtsignals und des durch die Streuung hervorgerufenen
Signals kann der energieabhängige reflektive Streuquerschnitt bestimmt
werden.
In einem senkrecht zur Probe angelegten Magnetfeld (maximal 6 T) tritt in
(dI/dU)-Bildern eine langreichweitige Korrugation auf, die
durch lokale Unterschiede in der Dotieratomkonzentration und einer
damit verbundenen Fluktuation des Hintergrundpotentials des
Kristalls hervorgerufen wird. Die sich gleichzeitig im Magnetfeld im
Leitungsband der Probe ausbildenden Landau-Oszillationen stellen eine
äußerst empfindliche Methode zur Detektion dieser Fluktuationen dar
und sind für den langreichweitigen Kontrast verantwortlich.
Die Fouriertransformation der in den (dI/dU)-Bildern auftretenden
Wellenlängen ist das direkte Abbild der beteiligten Wellenzahlvektoren.
Für den Fall des eingeschalteten Magnetfeldes zeigt sie anstelle einer
homogenen Verteilung bis zur Grenzwellenlänge mehrere konzentrische
Kreise, die ungefähr einer Projektion der Kondensation der
Wellenzahlvektoren auf Landauröhren in z-Richtung entsprechen. Zur
Bestätigung dieses Sachverhalts müssen allerdings weitere Experimente
durchgeführt werden.
The first part of this work deals with the development of an ultrahigh-vacuum low-temperature scanning tunneling microscope which can be operated in an external magnetic field. The magnetic field can be rotated in one plane perpendicular to the sample surface. A detailed description of the design principles and the necessary developments is given. In addition, the scanning tunneling microscope optimized for high spatial and spectroscopic resolution and the electronics used for the system are discussed. Moreover, experiments concerning the scattering of electron waves at dopant atoms of an n-doped InAs-single crystal are shown. The local and energy resolved density of states of the InAs(110)-surface is detected by measuring the (dI/dV)-signal in the constant current mode and applying an additional normalization procedure. The spatially resolved density of states shows a concentric ring structure in an energy range from 50 meV to 200 meV. By comparing the structures with the topographic images taken in parallel it is found that the structures arise from dopant atoms. Even dopants lying up to 25 nm beneath the surface influence the local density of states at the surface. A model, based on the WKB-method and including the tip-induced band bending and the Coulomb-potential of the dopant is able to reproduce the diameter, the energy dependence and the variation of the intensity of the scattering structures. The only free parameter to fit the experimental data is the depth of the dopant. By comparing the intensities of the average (dI/dV)-signal and the corrugated signal due to the scattering process it is possible to determine the energy dependent reflective scattering cross section. By applying a magnetic field up to 6 T perpendicular to the sample surface an additional long range corrugation in the (dI/dV)-images is visible which arises from local differences in the concentration of the dopant atoms. They lead to fluctuations in the background potential of the crystal. Because of the magnetic field Landau-oscillations appear in the conduction band of the semiconductor. They supply a sensitive method to detect the fluctuations mentioned above and lead to the long range contrast in the (dI/dV)-images. The Fourier-analysis of the (dI/dV)-images can be regarded as an image of the contributing wavevectors. In case of a magnetic field applied to the sample it shows a concentric ring structure instead of a homogenous distribution up to the maximum wavelength. This structure represents the projection of the condensation of wavevectors on Landau-tubes in z-direction. To verify this result, additional experiments have to be performed.