Spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie an ultradünnen Eisenfilmen auf Be(0001)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Be(0001)-Oberfläche wird als ideales Modellsystem angesehen, das ein zweidimensionales (2D) Elektronengas beherbergt mit starken, vom Volumen entkoppelten Elektron-Elektron- und Elektron-Phonon-Wechselwirkungen. Das Aufbringen von magnetischen Lagen auf Be(0001) lässt daher neuartige elektronische und magnetische Phasen erwarten, die aus der Wechselwirkung zwischen dem 2D Elektronengas und den magnetischen Atomen resultieren. In diesem Projekt wird das epitaktische Wachstum von Fe auf einer reinen Be(0001)-Oberfläche mittels Rastertunnelmikroskopie (RTM) und -spektroskopie (RTS) bei tiefen Temperaturen und unter Ultrahochvakuumbedingungen studiert. Zunächst wurden sehr reine Be(0001)-Oberflächen mit RTM und RTS untersucht. Ein deutlicher Oberflächenzustand wird auf der Be(0001)-Oberfläche gefunden, der zur Ausprägung von spannungsabhängigen Stehende- Wellen-Mustern führt. Eine Fourier-Analyse der Daten offenbart eine parabolische Dispersion, die charakteristisch ist für ein 2D Freie-Elektronengas, das an der Be(0001)-Oberfläche lokalisiert ist. Darüber hinaus werden mittels RTS deutliche Anzeichen für das Phonon-unterstützte Tunneln für Elektronen in der Nähe des Fermi-Niveaus gefunden. Sobald Fe-Atome auf die Be(0001) aufgebracht werden, ersetzen diese durch einen atomaren Austausch-Prozess getrieben Be-Atome in der obersten atomaren Lage des Be(0001)-Gitters. Zu unserer Überraschung setzt Fe nicht das atomare hcp-Gitter des Be-Substrats in einem pseudomorphen Wachstum fort. Stattdessen wird die Nukleation von Nanoinseln mit einer atomar rauhen Oberfläche für Fe-Bedeckungen unterhalb einer atomaren Lage beobachtet. Für Fe-Bedeckungen oberhalb einer atomaren Lage finden sich auf den Nanoinseln atomar wohlgeordnete Oberflächen mit einer lokalen p(2×2) Überstruktur. Mit zunehmender Fe-Bedeckung kommt es zum selbst-terminierten Wachstum ultradünner Filme, die aus Flicken mit einer p(2×2) Überstruktur bestehen. Basierend auf der atomaren Struktur der FeBe2 Volumenlegierung entwickeln wir ein atomares Wachstumsmodell, bei dem das Fe-Dosieren die oberste atomare Be-Lage in ein Kagome-Gitter transformiert, das dann die Ausbildung eines 2D geknickten Wabengitters aus Fe-Atomen fördert. RTS-Daten zeigen einen metallischen Charakter, zusammen mit einem lokalen Minimum der Leitfähigkeit am Fermi-Niveau. Ultradünne Fe-Filme auf Be(0001) kombinieren also die jeweils charakteristischen elektronischen Eigenschaften von Fe und Be. Unsere Studien demonstrieren das epitaktische Wachstum von ultradünnen Fe-Be-Filmen auf einer Be(0001)-Oberfläche. Die Anordnung der Fe-Atome in einer geknickten Wabenstruktur zusammen mit dem 2D Elektronengas der Be(0001)-Oberfläche lassen dieses System als interessanten Kandidaten erscheinen für weitergehende Untersuchungen bzgl. seiner magnetischen Spinstruktur und nicht-trivialer topologischen Eigenschaften.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2019-06-18 (Poster): 8th Internation Conference on Scanning Probe Spectroscopy, Hamburg (Germany): “Scanning Tunneling Spectroscopy of a clean Be(0001) surface”
H. Osterhage, J.-H. Schmidt, R. Dao, V. Prikryl, S. Krause & R. Wiesendanger
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2021-03-01 (Poster): DPG SurfaceScience 21 (virtual meeting): “Epitaxial Growth of Fe on Be(0001) Studied by STM”
K. Oetker, H. Osterhage, R. Wiesendanger & S. Krause
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2021-03-01 (Poster): DPG SurfaceScience 21 (virtual meeting): “Phonon Mediated Tunneling into a 2D Electron Gas on the Be(0001) Surface”
H. Osterhage, K. Oetker, R. Wiesendanger & S. Krause
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2021-07-12 (Contributed Talk): International Conference on Nanoscience and Technology, Vancouver (Canada) (virtual meeting): “Phonon-Mediated Tunneling into Be(0001) Surface States Probed by Scanning Tunneling Spectroscopy”
H. Osterhage, K. Oetker, R. Wiesendanger & S. Krause
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2021-09-27 (Contributed Talk): 84th Annual Conference, Deutsche Physikalische Gesellschaft (virtual meeting): “Iron growth on Be(0001) studied by STM”
H. Osterhage, K. Oetker, R. Wiesendanger & S. Krause
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Phonon-mediated tunneling into a two-dimensional electron gas on the Be(0001) surface. Physical Review B, 103(15).
Osterhage, Hermann; Wiesendanger, Roland & Krause, Stefan
