PUB - Publikationen an der Universität Bielefeld

In this work two new methods for the electrical characterization of nanowires were developed. While imaged in a Low Energy Electron Point Source microscope (LEEPS), individual freestanding nanowires were contacted with a fine metal tip as a movable electrode. By performing systematically length dependent transport measurements the contact contributions were separated from the intrinsic wire resistance, which allows the calculation of the specific resistivity. Besides various metallic and semiconducting materials (Cu, Co, Bi and CdS) special interest was focused towards zinc oxide (ZnO) nanowires, where a strong diameter dependency of the specific resistivity was found. A geometric model was developed to describe this size effect. In addition to the transport measurements the unique imaging properties of the LEEPS microscope were deployed in order to determine the specific resistivity of a nanowire directly from its LEEPS image. In principle the LEEPS is an electron projection microscope using electrons with energies below 200 eV. Due to their low energy the electrons are very sensitive to weak electrostatic fields. When they pass a charged object they are deflected by a small angle, which makes the detector image differ from a pure geometric projection. This deflection angle includes the information about the local charge density of the imaged object and can be extracted from the LEEPS image. In the case of conductive nanowires an always present positive charging was observed in the LEEPS microscope. By comparing the LEEPS images with scanning electron microscope (SEM) pictures of the same wire the origin of this positive charging was figured out as a secondary electron yield greater than one. Moreover it was found that the spatial distribution of the charge density along the wire depends on its electrical resistance. Based on these observations a quantitative model was developed, which enables the extraction of the specific wire resistivity directly from a single LEEPS image. Thus the LEEPS microscope affords a fast and simple way for the "contactless" electrical characterization of individual and freestanding nanowires.

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In der vorliegenden Arbeit wurden zwei neue Methoden zur Charakterisierung der elektrischen Transporteigenschaften von Nanodrähten mit Hilfe eines Low Energy Electron Point Source Mikroskops (LEEPS) entwickelt. Einzelne freistehende Nanodrähte wurden an einer beliebigen Stelle mit einer feinen Metallspitze als bewegliche Elektrode im LEEPS Mikroskop kontaktiert. Durch systematische längenabhängige Transportmessungen wurden die Kontaktwiderstände vom Drahtwiderstand getrennt, was die Berechnung des spezifischen Widerstandes ermöglicht. Neben anderen metallischen und halbleitenden Materialien (Cu, Co, Bi und CdS) wurden Zinkoxid (ZnO) Nanodrähte besonders intensiv untersucht, wobei eine starke Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes vom Drahtdurchmesser gefunden wurde. Ein geometrisches Modell zur Beschreibung dieses Größeneffektes wurde entwickelt. Parallel zu den elektrischen Transportmessungen wurden die einzigartigen Abbildungseigenschaften des LEEPS Mikroskops genutzt, um den spezifischen Widerstand eines Nanodrahtes direkt aus seiner Abbildung zu ermitteln. Im Prinzip handelt es sich beim LEEPS Mikroskop um ein Elektronen-Projektionsmikroskop, welches mit sehr niedrigen Elektronenenergien unterhalb 200 eV arbeitet. Aufgrund ihrer niedrigen Energie reagieren die Elektronen im LEEPS sehr sensitiv auf schwache elektrostatische Felder. Beim Passieren eines geladenen Objekts werden die Elektronen um einen kleinen Winkel abgelenkt, sodass das Detektorbild nicht exakt der geometrischen Objektprojektion entspricht. Dieser Ablenkwinkel enthält Informationen über die lokale Ladungsdichte des abgebildeten Objekts und kann aus dem LEEPS Bild ermittelt werden. Im Falle von leitfähigen Nanodrähten wurde stets eine positive Aufladung im LEEPS Mikroskop beobachtet. Durch einen systematischen Vergleich zwischen den Abbildungen aus dem LEEPS Mikroskop und einem Rasterelektronenmikroskop (REM) an einzelnen Nanodrähten mit bekannten Transporteigenschaften wurde als Ursache für diese positive Aufladung eine Sekundärelektronenausbeute größer als eins identifiziert. Die räumliche Verteilung der Ladungsdichte entlang des abgebildeten Nanodrahtes hängt von seinem elektrischen Widerstand ab. Basierend auf diesen Beobachtungen wurde ein quantitatives Modell entwickelt, welches die Aufladung eines Nanodrahtes im LEEPS Mikroskop beschreibt und mit dessen Hilfe sich der spezifische elektrische Widerstand des abgebildeten Nanodrahtes direkt aus einem einzelnen LEEPS Bild extrahieren lässt. Damit bietet das LEEPS Mikroskop eine einfache und schnelle Methode zur "kontaktlosen" elektrischen Charakterisierung individueller freistehender Nanodrähte.