in een isolator? Dr. Erik van Heumen

Transcriptie

1 Hoe verandert een metaal op de nanoschaal in een isolator? Dr. Erik van Heumen

2 Outline Hoe/waarom verandert een metaal in een isolator? Hoe maak je dit zichtbaar op de nanoschaal?

3 Metaal Isolator overgang in V 2 O 3 Sterk wisselwerkend metaal Structurele en magnetische overgangen Wat drijft de overgang van metaal naar isolator? McWhan et al., PRL 23, 1384 (1969) Hansmann et al. Phys. Status Solidi B 250, 1251 (2013)

4 V 2 O 3 kristal structuur 300 nm film V 2 O 3 op saffier rontgen diffractie: ([110] and [012] peaks) C Meneghini et al., J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) structuren bij dezelfde T

5 V 2 O 3 kristal structuur Volgen de elektronen de kristal structuur?

6 Outline Hoe/waarom verandert een metaal in een isolator? Hoe maak je dit zichtbaar op de nanoschaal?

7 Weerstand? Methodenr. 1 Methodenr. 2 A. Caviglia, TUDelft 50 nm contact afstand!

8 Geleiding! Licht (foton) is een wisselend elektromagnetisch veld!

9 Het Drude model Vrije lading Ionen Het Drude model beschrijft metalen. Elektronen botsen met ionen. foton Paul Drude

10 1/weerstand! De optische geleiding

11 De optische geleiding Lorentz bedacht wat er gebeurde als de elektronen vast zaten. Hij nam aan dat er een nieuwe kracht was die de elektronen aan de kernen gebonden hield (wet van Hooke). Dit is een model voor een isolator! Drude Lorentz

12 1/weerstand! De optische geleiding

13 Probleem Metaal Isolator

14 Probleem Metaal Isolator Golflengte [μm] THz FIR MIR NIR VIS UV foton energie [mev]

15 De diffractie limiet Objecten kleiner dan de golflengte kun je niet onderscheiden! Het optische verschil tussen metaal en isolator zie je bij μm.

16 Nabije veld spectroscopie AFM probe E inc E scat E scat p z (ε) E inc p z z ε E nf 11 1 Als je een metalen naald met laser licht bestraalt onstaat een dipool Door E scat te meten terwijl de naald het oppervlak aftast, zie je optisch contrast E scat bevat lokale informatie over optische geleiding met 20 nm resolution ( straal van AFM punt)

17 Metaal Isolator overgang in V 2 O 3 Sterk wisselwerkend metaal Structurele en magnetische overgangen Wat drijft de overgang van metaal naar isolator? McWhan et al., PRL 23, 1384 (1969) Hansmann et al. Phys. Status Solidi B 250, 1251 (2013)

18 V 2 O 3 kristal structuur 300 nm film V 2 O 3 op saffier rontgen diffractie: ([110] and [012] peaks) C Meneghini et al., J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) structuren bij dezelfde T

19 Near field maps AFI d PM 22 μm (AFI) Near-field amplitude (rel. gold) 1.2 (PM)

20 Near field maps AFI d PM 22 μm (AFI) Near-field amplitude (rel. gold) 1.2 (PM) Insulating Metallic

21 Near field maps AFI d PM 22 μm (AFI) Near-field amplitude (rel. gold) 1.2 (PM) Insulating Metallic

22 Near field maps AFI d PM 22 μm (AFI) Near-field amplitude (rel. gold) 1.2 (PM) Insulating Metallic

23 Near field maps AFI d PM 22 μm (AFI) Near-field amplitude (rel. gold) 1.2 (PM) Insulating Metallic

24 Near field maps AFI d PM 22 μm (AFI) Near-field amplitude (rel. gold) 1.2 (PM) Insulating Metallic

25 Two facets of the metal insulator transition T=169 T=169 Insulator Cooling Heating Conducting stripes Nucleating conducting puddles XRD: transition 75 % XRD: transition <5 % completed completed Insulating Metallic

26 Percolatie overgang T=174 T=174 Verandering van weerstand valt samen met formatie van oneindig geleidend cluster Elektronische en structurele fracties verschillen 5 Insulating Mott overgang kan ook binnen monoclinische structuur bimodal Metallic 200 (*) Liu et al., Phys. Rev. Lett. 111, (2013)

27 De verandering van de weerstand wordt gedreven door percolatie. De metaal isolator l overgang is niet direct gekoppeld aan de kristal structuur. Waarom een gestreept patroon? Samenvatting T=169 T=169 Cooling Heating Mogelijk antwoord oppeling van elektronen aan stress velden

28

29 Outline

30 Neem een rooster van atomen. The Hubbard model γ

31 Neem een rooster van atomen. The Hubbard model

32 Neem een rooster van atomen. The Hubbard model Mott Hubbard isolator Met anti parallelle spins winnen ze E kin

33 De reflectiviteit

34 Near field enhancement // C sca = scattering cross section Strong enhancement when tip aproaches sample Enhancement for perpendicular polarization i noll, B. & eilmann, F. Optics comm. 182, (2000).

35 Detection scheme IR Ω Modulate AFM tip at Ω S Sample mirror dipole noll et al., Optics Communications 182, 321 (2000) Ocelic et al., APL 89, (2006)

36 Interferometric detection IR How to remove background? Pseudo heterodyne detection S Sample mirror dipole Ocelic et al., APL 89, (2006)

37 Interferometric detection IR How to remove background? Pseudo heterodyne detection S Sample mirror dipole Ref. amplitude Bessel function NF amplitude NF phase Ref. phase

38 Interferometric detection IR How to remove background? Pseudo heterodyne detection S Sample mirror dipole Ocelic et al., APL 89, (2006)

39 V 2 O 3 kristal structuur Volgen de elektronen de kristal structuur?

40 Introductie Wat is het verschil tussen een metaal en een isolator?

41 Hoe verandert een metaal in een isolator? Introductie an een metaal in een isolator veranderen?

42 50 nm contact t afstand ft d! e beam lithography A. Caviglia, TUDelft

43 Outline

44 Introductie Hoe verandert een metaal in een isolator? Elektronen zijn fermionen. Ze wisselwerken via de Coulomb interactie.

45 Hoe verandert een metaal in een isolator? Introductie oper 4s Neon Berylium Waterstof Helium

46 Model voor een metaal Neem een rooster van atomen. electron γ γgeeft de kans dat een elektron zich verplaatst

47 oper Model voor een metaal

48 Het Hubbard model Het simpelste model voor wisselwerkende electronen. e 1 en e 2 op hetzelfde roosterpunt e 1 en e 2 niet op hetzelfde punt Twee fermionen kunnen alleen op hetzelfde roosterpunt zijn als hun spin anti parallel is.

49 Neem een rooster van atomen. The Hubbard model γ

50 Neem een rooster van atomen. The Hubbard model

51 The Hubbard model Alsallespins dezelfde kant opstaan, zitten de elektronen vast! Mott Hubbard isolator Met anti parallelle spins winnen ze E kin

52 Metaal Isolator overgang in V 2 O 3 Sterk wisselwerkend metaal Structurele en magnetische overgangen Wat drijft de overgang van metaal naar isolator? McWhan et al., PRL 23, 1384 (1969) Hansmann et al. Phys. Status Solidi B 250, 1251 (2013)