Tieftemperaturanlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Graphen: Graphen ist eine monoatomar dicke Graphitschicht. Es besitzt eine ungewöhnliche elektronische Struktur, in der die Ladungsträger als relativistische Dirac-Teilchen beschrieben werden können. Es zeigt eine ganze Reihe von herausragenden Eigenschaften wie z. B. eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und eine große Spinkohärenzlänge. Graphen auf Ir(111) lässt sich in exzellenter Qualität und mit makroskopischer Ausdehnung in situ unter Ultrahochvakuumbedingungen herstellen. Wir haben hier durch Experimente mit der Tieftemperatur STM-Anlage folgende wesentlichen Ergebnisse erzielt: (i) Graphen-Nanoflocken wirken als Potenzialtöpfe für die wasserstoffartigen Bildpotenzialzustände, wodurch das Kontinuum dieser Zustände in diskrete, atomartige Zustände aufgespalten wird, die wir räumlich aufgelöst abbilden konnten. (ii) Durch Interkalation von Fremdatomen (z.B.) Sauerstoff lässt sich die Austrittsarbeit von Graphen modifizieren, was wir anhand der Verschiebung der Bildpotenzialzustände nachweisen konnten. Die Änderung der Austrittsarbeit ist identisch zur Verschiebung des Dirac-Punkts. (iii) Interkalation von Cäsium führt zu einer Phasenkoexistenz von stark und schwach dotiertem Graphen. An Defekten von Cs-interkaliertem Graphen entstehen elektronische Streumuster, die über Fouriertransformations-spektroskopie Rückschlüsse auf die Dispersion der Graphen-Elektronen ermöglichen. Weiterhin wird durch die Dotierung die Bindungsenergie von Adsorbaten beeinflusst. (iv) Defekte, die durch Ionenbeschuss hervorgerufen werden (z. B. Einzelleerstellen oder Leerstellenagglomerate) können ihre Bindungsenergie erhöhen, wenn gebrochene C-C Bindungen mit Substratatomen absättigen. Im Moiré von Graphen mit Ir(111) variiert dieser Bindungsenergiegewinn innerhalb der Moiréeinheitszelle. Die führt zur Ausbildung eines Lochgitters in der Graphenlage. Europiumoxid (EuO): In Materialsystemen mit starken elektronischen Korrelationen werden Effekte wie Metall-Isolator Übergänge oder komplexe Ordnungsphänomene von Spin, Ladung und Orbitalen beobachtet. In unsere Anlage wurde aus diesem Themenbereich das Material Europiummonoxid (EuO) untersucht. Bei Raumtemperatur ist EuO ein paramagnetischer Halbleiter und wird unterhalb von 69 K ferromagnetisch. Die Leitungselektronen sind dann zu 100% spinpolarisiert. Wir haben den Spinpolarisator EuO mit dem Spinleiter Graphen verknüpft und konnten nahezu defektfreie, stöchiometrische und hochtexturierte EuO-Filme auf Graphen präparieren. Durch Messung des magneto-optischen Kerr-Effekts (MOKE) konnten wir nachweisen, dass die Curie-Temperatur unserer Filme im Vergleich zum Literaturwert für den Festkörper deutlich erhöht ist, was auf einen zusätzlichen, durch Graphen vermittelten, magnetischen Kopplungsmechanismus zurückzuführen sein könnte. Erstmals konnten wir einen Oberflächenzustand in einem Oxidmaterial beobachten. Dieser vor mehr als 10 Jahren postulierte Oberflächenzustand von EuO(100) ist unterhalb der Curietemperatur TC spinaufgespalten: Unterhalb von TC verschiebt die Dispersion der Oberflächenelektronen zusammen mit der Spinaufspaltung der Bänder des Festkörperinnern. Lanthanstrontiummanganat (La0.5 Sr1,5MnO4): La0.5 Sr1,5MnO4 zeigt aufgrund seiner korrelierten Elektronen eine ausgeprägte Ordnung von Spin-, Ladungs,- und orbitalen Freiheitsgraden. Wir konnten atomar glatte Spaltflächen dieses Materials in situ erzeugen und die elektronische Rauigkeit der Oberfläche mit den Übergangstemperaturen der Phasenumwandlungen verknüpfen. Topologische Isolatoren: Das System Bismuttellurid (Bi2Te3) ist ein topologischer Isolator und zeigt daher einen topologisch geschützten, metallischen Oberflächenzustand. Wir konnten (i) glatte Spaltflächen des Materials in situ im Ultrahochvakuum erzeugen, (ii) die Oberflächenstruktur atomar auflösen, (iii) strukturelle Defekte vermessen, (iv) durch die Analyse von stehenden Elektronenwellen an Stufenkanten die lineare Dispersion der Elektronen im Oberflächenzustand bestimmen und (v) anhand von Streumustern um deponierte Eu- Atome die Abwesenheit der topologisch verbotenen Rückstreuung experimentell nachweisen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Enhanced Curie temperature of ultra thin textured EuO films on graphene. Appl. Phys. Lett. 103, 131601 (2013)
J. Klinkhammer, D. F. Förster, S. Schumacher, H. P. Oepen, T. Michely, C. Busse
- Ion Impacts on graphene/Ir(111): Interface channeling, vacancy funnels, and a nanomesh. Nano Lett. 13, 1948 (2013)
S. Standop, O. Lehtinen, C. Herbig, G. Lewes-Malandrakis, F. Craes, J. Kotakoski, T. Michely, A. V. Krasheninnikov, C. Busse
- Mapping image potential states on graphene nanoflakes. Phys. Rev. Lett. 111,056804 (2013)
F. Craes, S. Runte, J. Klinkhammer, M. Kralj, T. Michely, C. Busse
