Spektrometer für winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Spektrometer für winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES) dient der Untersuchung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften unterschiedlicher Materialien, insbesondere von 2D-Materialien (Graphen, Übergangsmetalldichalkogenide wie z.B. MoS2, WS2, MoSe2, WSe2), Heterostrukturen aus 2D-Materialien (sog. Ferekristalle), sowie zuletzt auch von intermetallischen Verbindungen (z.B. CuAl2). Hierbei stehen die elektronische Bandstruktur der Materialien bzw. ihrer Oberflächen, ihre chemische Zusammensetzung und Struktur sowie die Eigenschaften von Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien im Vordergrund. Weitere wichtige Aspekte der Forschungsarbeiten stellen die Entwicklung von Wachstumsmethoden bzw. von Methoden zur Manipulation der Materialeigenschaften z.B. durch Interkalation oder Transferdotierung dar. Die unterschiedlichen Messungen werden mit monochromatisierter HeI- bzw. HeII-Strahlung (ARUPS) sowie mit monochromatisierter Al Kα-Strahlung (ARXPS) durchgeführt. Weiterhin steht eine LEED-Optik für die strukturelle Charakterisierung zur Verfügung. Nach der Inbetriebnahme in 02/2016 wurde die Apparatur durch den Einbau verschiedener für die Probenpräparation notwendiger Vorrichtungen ergänzt. Insbesondere wurden verschiedene Verdampfer installiert sowie eine weitere UHV-Kammer für die Herstellung dünner Schichten aus Übergangsmetalldichalkogeniden mittels MOMBE angebaut. Das System erlaubt somit alle für die avisierten Forschungsthemen notwendigen Präparationsschritte. Neben diesen Arbeiten an der Hardware waren umfangreiche Programmierarbeiten zur Erstellung von Routinen für die Datenanalyse notwendig. Die wichtigsten mit der Anlage durchgeführten Arbeiten werden im Folgenden kurz beschriebenen: i) Herstellung von quasi-freistehendem Graphen auf SiC durch Interkalation von Antimon (Sb) unter die sog. buffer layer auf SiC(0001). Hierfür wurde ein neuer ex-situ-Interkalationsprozess entwickelt, der geeignet ist Elemente mit hohem Dampfdruck zu interkalieren. Die mit diesem Prozess hergestellten Graphenschichten und ihre Grenzflächen zum Substrat wurden auf ihre strukturellen, chemischen und elektronischen Eigenschaften hin untersucht. ii) Interkalation von Schwefel (S) unter die buffer layer auf SiC(0001). Ausgangspunkt hierfür war die Beobachtung einer teilweisen Ablösung der buffer layer bei der chemischen Gasphasenabscheidung von MoS2 auf epitaktischen Graphen. Die Interkalation von S in einem thermischen Prozess in Schwefelatmosphäre führt zu quasi-freistehendem Graphen, das im Hinblick auf strukturelle und elektronische Eigenschaften hin charakterisiert wurde. iii) Transferdotierung von Graphen auf SiC. Die sukzessive Änderung der Ladungsträgerkonzentration durch adsorbiertes Cäsium (Cs) (von p ≈ 5 × 10^12 cm-2 bis hin zu n ≈ 1,4 × 10^14 cm-2) führt zu einer Verschiebung des Dirac-Punktes ED bzgl. der Fermi-Energie EF welche einhergeht mit einer Vergrößerung der Fermi-Fläche. Gleichzeitig zeigt sich, dass die Verschiebung des C1s-Niveaus des Graphens, in Übereinstimmung mit jüngsten Arbeiten an Graphen auf Metalloberflächen, eine nichtlineare Abhängigkeit von der Ladungsträgerdichte hat. Es wurde die Ausbildung einer Satellitenstruktur im C1s-Spektrum beobachtet, so wie sie auch in der Literatur für metallische Substrate berichtet wurde. Diese Untersuchungen zeigen, dass dieses Verhalten universell ist und nicht von der Art des Substrates (Metall oder Halbleiter/Isolator) abhängt. Die Arbeiten werden fortgesetzt. iv) Elektronische Struktur von Ferekristallen. Ferekristalle sind Heterostrukturen aus Metallmonochalkogeniden (MX) und Übergangsmetalldichalkogeniden (TX2), ähnlich den sog. misfit layered compounds (MLCs), jedoch mit turbostratischer Unordnung. Mittels Valenzband- und Rumpfniveuaspektroskopie wurde der Ladungstransfer zwischen den verschiedenen Komponenten solcher Heterostrukturen charakterisiert. Über die oben genannten Arbeiten hinaus, werden in weiteren laufenden Projekten, teilweise in Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen, verschiedene Graphen-Systeme untersucht (z.B. mit unterschiedlichen Präprationsmethoden hergestellte Monolagen, Bilagen und verdrehte Bilagen).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Electronic structure of designed [(SnSe)1+δ]m[TiSe2]2 heterostructure thin films with tunable layering sequence. Journal of Materials Research, 34(12), 1965-1975.
Göhler, Fabian; Hamann, Danielle M.; Rösch, Niels; Wolff, Susanne; Logan, Jacob T.; Fischer, Robert; Speck, Florian; Johnson, David C. & Seyller, Thomas
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Quasi‐Freestanding Graphene on SiC(0001) by Ar‐Mediated Intercalation of Antimony: A Route Toward Intercalation of High‐Vapor‐Pressure Elements. Annalen der Physik, 531(11).
Wolff, Susanne; Roscher, Sarah; Timmermann, Felix; Daniel, Marcus V.; Speck, Florian; Wanke, Martina; Albrecht, Manfred & Seyller, Thomas
