Buckyballs auf Gold sind weniger exotisch als Graphen

Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, die sich in einer Ebene zu einer flachen Wabenstruktur vernetzen. Neben einer überraschend hohen mechanischen Stabilität weist das Material spannende elektronische Eigenschaften auf. Die Elektronen verhalten sich wie masselose Teilchen, was in spektrometrischen Experimenten eindeutig nachgewiesen werden kann. Messungen zeigen eine lineare Abhängigkeit der Energie vom Impuls, nämlich die sogenannten Dirac-Kegel – zwei Linien, die sich ohne Bandlücke kreuzen – eine Energiedifferenz zwischen Elektronen im Leitungsband und denen in den Valenzbändern.

Varianten in der Graphenarchitektur

Künstliche Varianten der Graphenarchitektur sind derzeit ein heißes Thema in der Materialforschung. Anstelle von Kohlenstoffatomen wurden Quantenpunkte aus Silizium platziert, ultrakalte Atome mit starken Laserfeldern im Wabengitter eingefangen oder Kohlenmonoxidmoleküle mit einem Rastertunnelmikroskop Stück für Stück auf eine Kupferoberfläche geschoben sie könnten den Elektronen des Kupfers die charakteristischen Graphen-Eigenschaften verleihen.

Künstliches Graphen mit Buckyballs?

Eine kürzlich durchgeführte Studie legt nahe, dass es unendlich einfacher ist, künstliches Graphen mit C60-Molekülen namens Buckyballs herzustellen. Nur eine gleichmäßige Schicht davon muss auf Gold aufgedampft werden, damit die Goldelektronen die besonderen Graphen-Eigenschaften annehmen. Messungen von Photoemissionsspektren schienen eine Art Dirac-Kegel zu zeigen.

Analyse von Bandstrukturen an BESSY II

„Das wäre wirklich erstaunlich“, sagt Dr. Andrei Varykhalov vom HZB, der eine Gruppe für Photoemissions- und Rastertunnelmikroskopie leitet. „Weil das C60-Molekül absolut unpolar ist, war es für uns schwer vorstellbar, wie solche Moleküle einen starken Einfluss auf die Elektronen im Gold ausüben würden.“ Also starteten Varykhalov und sein Team eine Reihe von Messungen, um diese Hypothese zu testen.

In kniffligen und detaillierten Analysen konnte das Berliner Team C60-Schichten auf Gold über einen viel größeren Energiebereich und für unterschiedliche Messparameter untersuchen. Sie nutzten an BESSY II die winkelaufgelöste ARPES-Spektroskopie, die besonders präzise Messungen ermöglicht, und analysierten bei einigen Messungen auch den Elektronenspin.

Normales Verhalten

„Wir sehen in unseren gemessenen Daten eine parabolische Beziehung zwischen Impuls und Energie, also ist es ein ganz normales Verhalten. Diese Signale kommen von den Elektronen tief im Substrat (Gold oder Kupfer) und nicht von der Schicht, die von den Buckyballs beeinflusst werden könnte, “, erklärt Dr. Maxim Krivenkov, Erstautor der Studie. Auch die linearen Messkurven aus der Vorgängerstudie konnte das Team erklären. „Diese Messkurven ahmen lediglich die Dirac-Kegel nach, sie sind sozusagen ein Artefakt einer Ablenkung der Photoelektronen, wenn sie das Gold verlassen und die C60-Schicht passieren“, erklärt Varykhalov. Daher kann die Buckyball-Schicht auf Gold nicht als künstliches Graphen betrachtet werden.

Die Studie wurde veröffentlicht in Nanomaßstab.