Studie demonstriert erstmals den Aufbau monoatomarer Bleischichten mit speziell entwickelter Methode

In einer aktuellen Veröffentlichung in der Zeitschrift Fortschrittliche MaterialschnittstellenDas Forschungsteam um Erstautor Dr. Philip Schädlich, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur für Experimentalphysik, stellt erstmals eine Methode zur detaillierten Strukturanalyse synthetisierter zweidimensionaler Bleischichten auf einer speziell hergestellten Anlage vor.

Der Ansatz hat es auch ermöglicht, Proben von ausreichender Qualität herzustellen, um die Strukturen umfassend zu beschreiben. Die neuen Erkenntnisse aus dieser Forschung könnten für die Entwicklung neuartiger elektronischer Systeme und für die Entwicklung von Quantenmaterialien für Quantencomputing relevant werden.

„Unsere Synthese und eine sorgfältige Datenanalyse durch die verschiedenen Gruppen haben nun zu diesem umfassenden Bild der zweidimensionalen Bleischichten geführt“, sagt Philip Schädlich. „Die kontrollierte Kopplung von funktionalisiertem Graphen an 2D-Elektronengase eröffnet die Möglichkeit, Korrelationseffekte und mesoskopische Phänomene in 2D-Materialien zu untersuchen und zu kontrollieren – zum Beispiel Supraleitung, Spin- oder Ladungsdichtewellen und neuartige magnetische Phasen“, sagt Seyller.

Um solche Systeme zu untersuchen, arbeiten die Forscher disziplin- und ortsübergreifend. Beteiligt waren Partner aus Jülich, Lund (Schweden), Hamburg, Regensburg, Göttingen, Stuttgart und Braunschweig. „Der hohe Grad der Durchmischung unterschiedlicher Fachkompetenzen in unserer Forschungsgruppe ist notwendig, um alle Facetten solch komplexer Probleme im Detail erforschen zu können. Nur so können strukturelle und elektronische Eigenschaften der selbst hergestellten Systeme verknüpft werden“, sagt Prof. Dr. Christoph Tegenkamp, ​​Sprecher der DFG-Forschungsgruppe.

Trick der Natur: Domänengrenzen als Reaktion auf ungesättigte Bindungen

„Die Strukturbildung der 2D-Bleischicht basiert auf Motiven, die wir aus früheren Experimenten zur Adsorption von Blei auf Siliziumoberflächen kennen“, erklärt Dr. Philip Schädlich, der die meisten Experimente koordinierte. Allerdings führt die Flexibilität der Bleibindungen zu einer großen Vielfalt im Phasendiagramm, für die sich der Begriff „Teufelstreppe“ eingebürgert hat.

Im Gegensatz dazu führt die Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und der Bleischicht im aktuellen Experiment zu einem Mangel an Bleiatomen pro Siliziumatom des Substrats, was zu Spannungen im Blei und ungesättigten Bindungen auf der Substratoberfläche führt.

Warum das so ist, wissen die Forscher nun. „Das ist ein Trick der Natur. Die Bleischicht bildet Domänen, in denen sich die Bleiatome lokal auf ihren Lieblingsabstand entspannen und die klein genug sind, dass der Gesamtversatz zwischen Blei- und Substratgitter nicht zu groß wird“, erklärt Schädlich.

„Dazu müssen die Zentren benachbarter Domänen leicht gegeneinander versetzt werden, sodass an den resultierenden Grenzen der Domänen gerade genug Bleiatome enthalten sind, um automatisch auch alle ungesättigten Bindungen zu kompensieren“, erklärt Chitran Ghosal, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Tegenkamp.

Große Bedeutung von Domänengrenzen

Auch die Struktur der Bleischicht hat Einfluss auf das Graphen. Denn die Auswertung der Daten ergab eine verschwindend geringe Ladungsträgerkonzentration, die etwa 1.000 Mal niedriger ist als bei epitaktischem Graphen. „Im Gegensatz zu deutlich effizienteren Interkalationsmitteln wie Wasserstoff gelingt es der Bleischicht auch, die spontane Polarisation des Substrats abzuschirmen bzw. zu kompensieren und so für Quasi-Ladungsneutralität zu sorgen“, so Ghosal weiter.

Darüber hinaus wurde mithilfe der Rastertunnelmikroskopie bei niedrigen Temperaturen von 4 Kelvin (ca. -269° Celsius) der Fingerabdruck eines sogenannten Kekulé-Grundzustands entdeckt. Auch hier spielen die Domänengrenzen eine große Rolle, da den an ihnen gestreuten Elektronen aufgrund der Ladungsneutralität nur ein begrenzter Phasenraum zur Verfügung steht.