Nanowissenschaft auf atomarer Skala: neue Quantenmaterialien
Unsere Forschung umfasst experimentelle Studien an komplexen Nanostrukturen, u.a. dünne epitaktische Filme, selbstorganisierte 2D-Materialien, 1D-Metallsysteme sowie molekulare Strukturen. Dabei geht es um die Herstellung und Manipulation neuer robuster Quantensysteme und Quantenmaterialien. Eine umfassende Charakterisierung in Bezug auf atomarer Struktur, elektronische Zustände und elektronische Transporteigenschaften wird durch den Einsatz von Elektronen- und Rastertunnelmikroskopen realisiert.
Manipulation der elektronischen Eigenschaften von Graphen
Epitaktisches Graphen auf SiC(0001) wird üblicherweise durch Heizen des Substrats hergestellt. Dabei entsteht an der Oberfläche zunächst eine Kohlenstoffschicht mit einer (6√3x6√3)R30°-Struktur, die als Pufferschicht (engl. buffer layer) bezeichnet wird. Ein Drittel der Atome in dieser Schicht sind kovalent an Silizium Atome in der obersten Substratlage gebunden, was zu einer Wölbung (engl. buckling) der Schicht mit einer (6x6)-Struktur führt. Durch weiteres Heizen entsteht eine zweite Kohlenstoffschicht, die nun als Pufferschicht fungiert, und die erste Schicht wird in eine Graphenlage mit delokalisiertem π-Elektronen-System umgewandelt.
Eine Umwandlung der Pufferschicht in eine Graphenlage unter Vermeidung der Ausbildung einer neuen Pufferschicht ist durch die Interkalation eines anderen Elements möglich. Dies wurde zuerst für Wasserstoff gezeigt. Dabei werden die kovalenten Bindungen zum Substrat gebrochen und durch H-Atome gesättigt, sodass eine quasi-freistehende Graphenlage entsteht.
Unsere Forschung im Rahmen der Forschergruppe 5242 konzentriert sich auf die Interkalation schwerer Elemente wie z.B. Pb, Bi oder Sn, um mit Hilfe des Proximity-Effekts die elektronischen Eigenschaften von Graphen zu modifizieren und es dadurch längerfristig für eine Anwendung, z.B. in der Elektronik oder in der Spintronik, nutzbar zu machen. Eine Charakterisierung der Systeme erfolgt mittels elektronischem Transport (Vier-Spitzen-STM/SEM, Magnetotransport) und Rastertunnelmikroskopie (Tieftemperatur-STM).
Einige relevante Publikationen:
- Surface Transport Properties of Pb-Intercalated Graphene
- Comeback of epitaxial graphene for electronics: large-area growth of bilayer-free graphene on SiC, 2D Materials
Die Nutzbarmachung von Molekülen als funktionelle Elemente in logischen Schaltungen ist entscheidend für die Realisierung einer molekularen Nanoelektronik. In unserer Gruppe beschäftigen wir uns daher mit chemischen Aspekten und Oberflächenreaktionen, um molekulare Netzwerke mit neuen Eigenschaften herzustellen. Mithilfe der Tunnelmikroskopie und –spektroskopie (Ambient STM RHK 300, Tieftemperatur-STM) werden die strukturellen und elektronischen Parameter auf atomarer Ebene abgebildet. Insbesondere untersuchen wir zurzeit Polyalanin-Moleküle, welche auf Grund ihrer Chiralität spinselektiv auf die Leitungselektronen wirken (siehe auch CISS-Effekt, engl. chiral induced spin-selectivity effect), und somit für eine Anwendung in der Spintronik geeignet sind.
Einige relevante Publikationen:
- Heterochiral Dimer Formation of α-l- and α-d-Polyalanine Molecules on Surfaces
- Charge-Ordered α-Helical Polypeptide Monolayers on Au(111)
Die elektronischen Eigenschaften niedrigdimensionaler Systeme hängen eng mit der geometrischen Struktur zusammen. Die Einschnürung (engl. confinement) der Ladungsträger ist von zentraler Bedeutung in eindimensionalen (1D) und zweidimensionalen (2D) Strukturen, die zu elektronischen Korrelationenseffekten und damit zu Abweichungen vom Fermi-Flüssigkeitsverhalten führen können. Diese Phasen konkurrieren mit z.T. intrinsischen Instabilitäten (Phasenübergängen) oder weisen durch Spin-Bahn-Kopplung sogar neue Quantenzustände auf.
Ultimativ kleinste 1D-Strukturen lassen sich beispielsweise durch Selbstorganisation von Monoschicht- und Submonolagenstrukturen verschiedener Atome auf (vizinalen) halbleitenden Substraten, z.B. Pb/Si(557) oder Au/Si(553), realisieren und wurden u.a. in unserer Forschungsgruppe 1700 thematisiert. Des Weiteren treten metallische 1D Randkanäle auch bei Bismut Inseln auf Graphen und Pb interkaliertem Graphen auf, welche wir im Rahmen der Forschergruppe 5242 untersuchen.
Einige relevante Publikationen:
- Exceptional ballistic transport in epitaxial graphene nanoribbons
- Observation of correlated spin–orbit order in a strongly anisotropic quantum wire system
Dünne Filme sind Bausteine für moderne materialbasierte Forschung und Anwendungen (Leichtbau, Datenspeicherung etc.). Das kontrollierte Wachstum von Filmen und Legierungen erlaubt es die Volumeneigenschaften mit Grenz- und Oberflächeneffekten durchzustimmen und zu modifizieren.
Daher untersuchen wir detailliert Defekte (Korngrenzen, chemische Zusammensetzung) sowie Oberflächen- und Grenzflächenstrukturen. Neben TiNa-Legierungen werden derzeit epitaktische Bi(111) -Filme und topologisch nicht-triviale BiSb(111) -Filme auf Si(111) untersucht.
Einige relevante Publikationen:
- Magnetoconductance in epitaxial bismuth quantum films: Beyond weak (anti)localization
- Surface state conductivity in epitaxially grown Bi1−xSbx(111) films
- Scattering of charge carriers by Cr impurities in magnetotransport on a Bi(111) ultra-thin
