Hybridization effects on the out-of-plane electron tunneling properties of monolayers: is h-BN more conductive than graphene?

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Thermal inkjet printing of copper tetrasulfonated phthalocyanine (CuTsPc) as a semiconducting layer on flexible MIS capacitors

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

On the electrical conductivity of Ti-implanted alumina

Ion implantation of metal species into insulators provides a tool for the formation of thin, electrically conducting, surface layers with experimenter-controlled resistivity. High energy implantation of Pt and Ti into alumina accelerator components has been successfully employed to control high voltage surface breakdown in a number of cases. In the work described here we have carried out some basic investigations related to the origin of this phenomenon. By comparison of the results of alumina implanted with Ti at 75 keV with the results of prior investigations of polymers implanted with Pt at 49 eV and Au at 67 eV, we describe a physical model of the effect based on percolation theory and estimate the percolation parameters for the Ti-alumina composite. We estimate that the percolation dose threshold is about 4 x 10(16) cm(-2) and the maximum dose for which the system remains an insulator-conductor composite is about 10 x 10(16) cm(-2). The saturation electrical conductivity is estimated to be about 50 S/m. We conclude that the observed electrical conductivity properties of Ti-implanted alumina can be satisfactorily described by percolation theory. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.3697900]

Two-dimensional semimetal-insulator transition in HgTe-based quantum wells induced by a longitudinal magnetic field

A metal-insulator transition in a two-dimensional semimetal based on HgTe quantum wells is discovered. The transition is induced by a magnetic field applied parallel to the plane of the quantum well. The threshold behavior of the activation energy as a function of the magnetic-field strength and an abrupt reduction of the Hall resistance at the onset of the transition suggest that the observed effect originates from the formation of an excitonic insulator.

Charge dynamics in half-filled Hubbard chains with finite on-site interaction

We study the charge dynamic structure factor of the one-dimensional Hubbard model with finite on-site repulsion U at half-filling. Numerical results from the time-dependent density matrix renormalization group are analyzed by comparison with the exact spectrum of the model. The evolution of the line shape as a function of U is explained in terms of a relative transfer of spectral weight between the two-holon continuum that dominates in the limit U -> infinity and a subset of the two-holon-two-spinon continuum that reconstructs the electron-hole continuum in the limit U -> 0. Power-law singularities along boundary lines of the spectrum are described by effective impurity models that are explicitly invariant under spin and eta-spin SU(2) rotations. The Mott-Hubbard metal-insulator transition is reflected in a discontinuous change of the exponents of edge singularities at U = 0. The sharp feature observed in the spectrum for momenta near the zone boundary is attributed to a van Hove singularity that persists as a consequence of integrability.

Conduction mechanisms in p-type Pb1-xEuxTe alloys in the insulator regime

Electrical resistivity measurements were performed on p-type Pb1-xEuxTe films with Eu content x = 4%, 5%, 6%, 8%, and 9%. The well-known metal-insulator transition that occurs around 5% at room temperature due to the introduction of Eu is observed, and we used the differential activation energy method to study the conduction mechanisms present in these samples. In the insulator regime (x>6%), we found that band conduction is the dominating conduction mechanism for high temperatures with carriers excitation between the valence band and the 4f levels originated from the Eu atoms. We also verified that mix conduction dominates the low temperatures region. Samples with x = 4% and 5% present a temperature dependent metal insulator transition and we found that this dependence can be related to the relation between the thermal energy k(B)T and the activation energy Delta epsilon(a). The physical description obtained through the activation energy analysis gives a new insight about the conduction mechanisms in insulating p-type Pb1-xEuxTe films and also shed some light over the influence of the 4f levels on the transport process in the insulator region. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4729813]

Microstructure and metal-insulator transition in single crystalline KMo4O6

High quality KMo4O6 single crystals with tetragonal structure (space group P4/mbm) have been prepared by fused salt electrolysis. The crystals were studied by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffractometry, electrical resistivity, and magnetization measurements. X-ray powder diffraction patterns and SEM have given some information on the growth of single crystals. Electrical resistivity as a function of temperature shows that the KMo4O6 compound is a bad metal with resistivity change of approximately 30% in the temperature range from 2 to 300K. A metal-insulator transition (MIT), observed at approximately 110K, has been also confirmed for this material. Magnetization as a function of temperature agrees with previous report, however a magnetic ordering has been observed in M(H) curves in the whole temperature range.

Advanced SPM studies on the growth of ultrathin films of organic semiconductors at metal and dielectric interfaces

Many studies on the morphology, molecular orientation, device performance, substrate nature and growth parameter dependence have been carried out since the proposal of Sexithiophene (6T) for organic electronics [ ] However, these studies were mostly performed on films thicker than 20nm and without specifically addressing the relationship between morphology and molecular orientation within the nano and micro structures of ultrathin films of 0-3 monolayers. In 2004, the observation that in OFETs only the first few monolayers at the interface in contact with the gate insulator contribute to the charge transport [ ], underlined the importance to study submonolayer films and their evolution up to a few monolayers of thickness with appropriate experimental techniques. We present here a detailed Non-contact Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy study on various substrates aiming at the investigation of growth mechanisms. Most reported similar studies are performed on ideal metals in UHV. However it is important to investigate the details of organic film growth on less ideal and even technological surfaces and device testpatterns. The present work addresses the growth of ultra thin organic films in-situ and quasi real-time by NC-AFM. An organic effusion cell is installed to evaporate the organic material directly onto the SPM sample scanning stage.

On-surface chemical reactions on an insulating substrate

Diese Arbeit beschreibt zum ersten Mal die kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche, motiviert im Hinblick auf die Nutzung der Synthesemethode für die molekulare Elektronik und verwandte Anwendungen. Durch die Verwendung der Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskopie und der Kelvinprobe-Mikroskopie bei Raumtemperatur wurden grundlegende molekulare Prozesse der Wechselwirkungen zwischen Molekülen und der Calcit(10.4) Oberfläche sowie die chemische Reaktivität der Moleküle auf der Oberfläche analysiert. Das Zusammenspiel zwischen intermolekularen und Molekül-Oberfläche Wechselwirkungen zeigt sich für Biphenyl-4,4'-dicarbonsäure (BPDCA) durch die Koexistenz zweier unterschiedlicher molekularer Strukturen, die einen Einblick in die treibenden Kräfte der molekularen Selbstorganisation bieten. Die sehr ausgeprägte Reihenstruktur basiert auf der optimalen geometrischen Struktur der BPDCA Moleküle zu den Abmessungen des Substrats, während die zweite Struktur durch Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen gekennzeichnet ist. Der Deprotonierungsvorgang von 2,5-Dihydroxybenzoesäure (DHBA)-Molekülen auf Calcit wird bei Zimmertemperatur gezeigt. Zwei Phasen werden beobachtet, die nach Aufbringen der Moleküle koexistieren. Mit der Zeit geht eine bulk-ähnliche Phase in eine stabile, dicht gepackte Phase über. Der Übergang wird durch Betrachtung des Protonierungszustands der Moleküle erklärt. Die bulk-ähnliche Phase benötigt Wasserstoffbrückbindungen zur Strukturbildung. Werden die Moleküle deprotoniert, so wird die resultierende dicht gepackte Phase durch die elektrostatische Wechselwirkung der deprotonierten Carboxylatgruppen mit den Oberflächen-Calciumkationen stabilisiert. 4-Iodbenzoesäure (IBA)-Moleküle bilden auf Calcit nur Inseln an Stufenkanten, was auf die schwache Molekül-Oberflächen-Wechselwirkung zurückzuführen ist. Für einen stärkeren Einfluss des Substrats durchlaufen die Moleküle einen kontrollierten Übergangsschritt vom protonierten zum deprotonierten Zustand. Im deprotonierten Zustand nehmen die Moleküle eine wohldefinierte Adsorptionsposition auf dem Substrat ein. Die deprotonierte Säuregruppe wird ausgenutzt, um die Desorption der halogensubstituierten Benzoesäure-Moleküle bei der thermischer Aktivierung für die Vernetzungsreaktion zu vermeiden. Darüber hinaus wird die Carboxylatgruppe als starker Elektronendonor verwendet um die Phenyl-Halogen-Bindung zu schwächen und somit die homolytische Spaltung dieser Bindung auch bei moderaten Temperaturen zu ermöglichen. Diesem Konzept folgend ist die erste erfolgreiche kovalente Verknüpfung von 2,5-Diiod-benzoesäure, 2,5-Dichlorbenzoesäure, 3,5-Diiod Salicylsäure und 4-Iod-benzoesäure zu durchkonjugierten molekularen Drähten, Zick-Zack-Strukturen sowie Dimere gezeigt durch Ausnutzen von unterschiedlichen Substitutionsposition sowie Ändern der Anzahl der substituierten Halogenatome. Aufbauend auf diesem Erfolg, wird eine zweistufige Vernetzungsreaktion vorgestellt. Zum Induzieren der ortsspezifischen und sequentiellen kovalenten Verknüpfung wird ein Ausgangsmolekül gewählt, das sowohl eine Bromphenyl als auch eine Chlorphenyl Gruppe mit unterschiedlichen Dissoziationsenergien für die homolytische Spaltung besitzt. Die Reaktionsstellen und sequentielle Reihenfolge für die Reaktion sind somit in der molekularen Struktur einkodiert und bisher unerreichte Reaktionspfade können mithilfe der kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche beschritten werden.

Stabilizing molecular self-assemblies via on-surface reactions

Für die Realisierung zukünftiger Technologien, wie z.B. molekulare Elektronik, werden Strategien benötigt, um funktionale Strukturen direkt auf Oberflächen zu erzeugen. Für die Bewältigung dieser Aufgabe ist die molekulare Selbstanordnung ein äußerst vielversprechender Bottom-up-Ansatz. Hierbei ist eine der größten Herausforderungen das Zusammenspiel aus intramolekularer Wechselwirkung und der Wechselwirkung zwischen Substrat und Molekülen in ein Gleichgewicht zu bringen. Da jedoch die wirkenden Kräfte der molekularen Selbstanordnung ausschließlich reversibler Natur sind, ist eine langfristige Stabilität fragwürdig. Somit ist die kovalente Verknüpfung der gebildeten Strukturen durch Reaktionen direkt auf der Oberfläche unerlässlich, um die Stabilität der Strukturen weiter zu erhöhen. Hierzu stellt die vorliegende Arbeit eine ausführliche Studie zu molekularer Selbstanordnung und der zielgerichteten Modifikation ebensolcher Strukturen dar. Durch den Einsatz von hochauflösender Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum, welche es erlaubt einzelne Moleküle auf Nichtleitern abzubilden, wurde der maßgebliche Einfluss von Ankerfunktionalitäten auf den Prozess der molekularen Selbstanordnung gezeigt. Des Weiteren konnte die Stabilität der selbst angeordneten Strukturen durch neue Oberflächenreaktionskonzepte entschieden verbessert werden. Der Einfluss von Ankerfunktionen, die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Molekül und Substrat vermitteln, auf den Strukturbildungsprozess der molekularen Selbstanordnung wird eingehend durch den Vergleich eines aromatischen Moleküls und seines vierfach chlorierten Derivates gezeigt. Für diese beiden Moleküle wurde ein deutlich unterschiedliches Verhalten der Selbstanordnung beobachtet. Es wird gezeigt, dass die Fähigkeit zur Bildung selbst angeordneter, stabiler Inseln entscheidend durch die Substituenten und die Abmessungen des Moleküls beeinflusst wird. Auch wird in dieser Arbeit die erste photochemische Reaktion organischer Moleküle auf einem Isolator gezeigt. Qualitative und quantitative Ergebnisse liefern ein detailliertes Bild darüber, wie die Abmessungen des Substratgitters die Richtung der Reaktion gezielt beeinflussen. Des Weiteren wird ein allgemeines Konzept zur selektiven Stabilisierung selbstangeordneter Molekülstrukturen durch den kontrollierten Transfer von Elektronen präsentiert. Durch die gezielte Steuerung der Menge an Dotierungsatomen wird die Desorptionstemperatur der molekularen Inseln signifikant erhöht und das Desorptionsverhalten der Inseln entschieden verändert. Diese Arbeit präsentiert somit erfolgreich durchgeführte Strategien um den Prozess der molekularen Selbstanordnung zu steuern, sowie entscheidende Mechanismen um die Stabilisierung und Modifizierung von selbst angeordneten Strukturen zu gewährleisten.

Broken symmetry and strangeness of the semiconductor impurity band metal-insulator transition

The filamentary model of the metal-insulator transition in randomly doped semiconductor impurity bands is geometrically equivalent to similar models for continuous transitions in dilute antiferromagnets and even to the λ transition in liquid He, but the critical behaviors are different. The origin of these differences lies in two factors: quantum statistics and the presence of long range Coulomb forces on both sides of the transition in the electrical case. In the latter case, in addition to the main transition, there are two satellite transitions associated with disappearance of the filamentary structure in both insulating and metallic phases. These two satellite transitions were first identified by Fritzsche in 1958, and their physical origin is explained here in geometrical and topological terms that facilitate calculation of critical exponents.

Positional enhancer-blocking activity of the chicken β-globin insulator in transiently transfected cells

It is thought that insulators demarcate transcriptionally and structurally independent chromatin domains. Insulators are detected by their ability to block enhancer–promoter interactions in a directional manner, and protect a transgene from position effects. Most studies are performed in stably transformed cells or organisms. Here we analyze the enhancer-blocking activity of the chicken β-globin insulator in transient transfection experiments in both erythroid and nonerythroid cell lines. We show that four tandem copies of a 90-bp fragment of this insulator were able to block an enhancer in these experiments. In circular plasmids, placement on either side of the enhancer reduced activity, but when the plasmid was linearized, the enhancer-blocking activity was observed only when the insulator was placed between the promoter and the enhancer. These observations are consistent with the position-dependent enhancer-blocking activity of the insulator observed in stable transformation experiments.

Two modes of transvection: Enhancer action in trans and bypass of a chromatin insulator in cis

Ed Lewis introduced the term “transvection” in 1954 to describe mechanisms that can cause the expression of a gene to be sensitive to the proximity of its homologue. Transvection since has been reported at an increasing number of loci in Drosophila, where homologous chromosomes are paired in somatic tissues, as well as at loci in other organisms. At the Drosophila yellow gene, transvection can explain intragenic complementation involving the yellow2 allele (y2). Here, transvection was proposed to occur by enhancers of one allele acting in trans on the promoter of a paired homologue. In this report, we describe two yellow alleles that strengthen this model and reveal an unexpected, second mechanism for transvection. Data suggest that, in addition to enhancer action in trans, transvection can occur by enhancer bypass of a chromatin insulator in cis. We propose that bypass results from the topology of paired genes. Finally, transvection at yellow can occur in genotypes not involving y2, implying that it is a feature of yellow itself and not an attribute of one particular allele.

Genetic and molecular analysis of the gypsy chromatin insulator of Drosophila.

Boundary or insulator elements set up independent territories of gene activity by establishing higher order domains of chromatin structure. The gypsy retrotransposon of Drosophila contains an insulator element that represses enhancer-promoter interactions and is responsible for the mutant phenotypes caused by insertion of this element. The gypsy insulator inhibits the interaction of promoter-distal enhancers with the transcription complex without affecting the functionality of promoter-proximal enhancers; in addition, these sequences can buffer a transgene from chromosomal position effects. Two proteins have been identified that bind gypsy insulator sequences and are responsible for their effects on transcription. The suppressor of Hairy-wing [su(Hw)] protein affects enhancer function both upstream and downstream of its binding site by causing a silencing effect similar to that of heterochromatin. The modifier of mdg4 [mod(mdg4)] protein interacts with su(Hw) to transform this bi-directional repression into the polar effect characteristic of insulators. These effects seem to be modulated by changes in chromatin structure.

Quantum simulation of a topological Mott insulator with Rydberg atoms in a Lieb lattice

We propose a realistic scheme to quantum simulate the so-far experimentally unobserved topological Mott insulator phase-an interaction-driven topological insulator-using cold atoms in an optical Lieb lattice. To this end, we study a system of spinless fermions in a Lieb lattice, exhibiting repulsive nearest-and next-to-nearest-neighbor interactions and derive the associated zero-temperature phase diagram within mean-field approximation. In particular, we analyze how the interactions can dynamically generate a charge density wave ordered, a nematic, and a topologically nontrivial quantum anomalous Hall phase. We characterize the topology of the different phases by the Chern number and discuss the possibility of phase coexistence. Based on the identified phases, we propose a realistic implementation of this model using cold Rydberg-dressed atoms in an optical lattice. The scheme, which allows one to access, in particular, the topological Mott insulator phase, robustly and independently of its exact position in parameter space, merely requires global, always-on off-resonant laser coupling to Rydberg states and is feasible with state-of-the-art experimental techniques that have already been demonstrated in the laboratory.