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Electronic transport in planar atomic-scale structures measured by two-probe scanning tunneling spectroscopy

Authors :
Hiroyo Kawai
Marek Szymonski
Rafal Zuzak
Daniel Sánchez-Portal
Thomas Frederiksen
Marek Kolmer
Szymon Godlewski
Nicolás Lorente
Aran Garcia-Lekue
Christian Joachim
Pedro Brandimarte
Jakub Lis
Centre for Nanometer-Scale Science and Advanced Materials (NANOAM)
Uniwersytet Jagielloński w Krakowie = Jagiellonian University (UJ)
Center for Nanophase Materials Sciences [Oak Ridge] (CNMS)
Oak Ridge National Laboratory [Oak Ridge] (ORNL)
UT-Battelle, LLC-UT-Battelle, LLC
Donostia International Physics Center (DIPC)
University of the Basque Country/Euskal Herriko Unibertsitatea (UPV/EHU)
Agency for science, technology and research [Singapore] (A*STAR)
Donostia International Physics Center - DIPC (SPAIN)
University of the Basque Country/Euskal Herriko Unibertsitatea (UPV/EHU)-University of the Basque Country/Euskal Herriko Unibertsitatea (UPV/EHU)
Ikerbasque - Basque Foundation for Science
Sciences Economiques et Sociales de la Santé & Traitement de l'Information Médicale (SESSTIM - U1252 INSERM - Aix Marseille Univ - UMR 259 IRD)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
Groupe NanoSciences (CEMES-GNS)
Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES)
Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Center of Materials Physics CSIC-UPV / EHU and Donostia International Physics Center
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599)
Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
European Commission
Ministry of Science and Higher Education (Poland)
Ministerio de Economía y Competitividad (España)
Brandimarte, Pedro
Zuzak, Rafał
Godlewski, Szymon
Frederiksen, Thomas
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
DUJARDIN, Erik
Brandimarte, Pedro [000-0002-8762-5876]
Zuzak, Rafał [0000-0001-6617-591X]
Godlewski, Szymon [0000-0002-8515-1566]
Frederiksen, Thomas [0000-0001-7523-7641]
Source :
Nature Communications, Nature Communications, 2019, 10 (1), ⟨10.1038/s41467-019-09315-6⟩, Nature Communications, Vol 10, Iss 1, Pp 1-10 (2019), Nature Communications, Nature Publishing Group, 2019, 10 (1), ⟨10.1038/s41467-019-09315-6⟩, Digital.CSIC. Repositorio Institucional del CSIC, instname
Publication Year :
2019
Publisher :
HAL CCSD, 2019.

Abstract

Miniaturization of electronic circuits into the single-atom level requires novel approaches to characterize transport properties. Due to its unrivaled precision, scanning probe microscopy is regarded as the method of choice for local characterization of atoms and single molecules supported on surfaces. Here we investigate electronic transport along the anisotropic germanium (001) surface with the use of two-probe scanning tunneling spectroscopy and first-principles transport calculations. We introduce a method for the determination of the transconductance in our two-probe experimental setup and demonstrate how it captures energy-resolved information about electronic transport through the unoccupied surface states. The sequential opening of two transport channels within the quasi-one-dimensional Ge dimer rows in the surface gives rise to two distinct resonances in the transconductance spectroscopic signal, consistent with phase-coherence lengths of up to 50 nm and anisotropic electron propagation. Our work paves the way for the electronic transport characterization of quantum circuits engineered on surfaces.<br />This work was supported by the FP7 FET-ICT “Planar Atomic and Molecular Scale devices” (PAMS) project (funded by the European Commission under contract number 610446), the Polish Ministry for Science and Higher Education from financial resources for science in 2013–2017 granted for an international co-financed project (contract number 2913/7.PR/2013/2) and the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) (Grant Numbers MAT2016-78293-C6-4-R and FIS2017-83780-P). M.K. acknowledges financial support received from the Polish Ministry of Science and Higher Education, contract number 0341/IP3/2016/74.

Details

Language :
English
ISSN :
20411723
Database :
OpenAIRE
Journal :
Nature Communications, Nature Communications, 2019, 10 (1), ⟨10.1038/s41467-019-09315-6⟩, Nature Communications, Vol 10, Iss 1, Pp 1-10 (2019), Nature Communications, Nature Publishing Group, 2019, 10 (1), ⟨10.1038/s41467-019-09315-6⟩, Digital.CSIC. Repositorio Institucional del CSIC, instname
Accession number :
edsair.doi.dedup.....812374b4aacb33d4aea28f4119a7a505
Full Text :
https://doi.org/10.1038/s41467-019-09315-6⟩