Im Rahmen ihrer Masterarbeit in die Spitzenforschung untersucht ein Forschungsteam der TU Chemnitz Phasenübergänge in zweidimensionalen Bleischichten und beschreibt erstmals detailliert deren Abschirmverhalten gegenüber dem pyroelektrischen Siliziumkarbid – Veröffentlichung in renommierter Fachzeitschrift Small Structures
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Professuren Experimentalphysik mit dem Schwerpunkt Technische Physik (Leitung: Prof. Dr. Thomas Seyller) sowie der Theoretischen Physik quantenmechanischer Prozesse und Systeme (Leitung: Sibylle Gemming) der Technischen Universität Chemnitz erforschen im Rahmen der DFG-Forschungsgruppe FOR 5242 Proximity-induzierte Korrelationseffekte in niedrigdimensionalen Strukturen (Sprecher: Prof. Dr. Christoph Tegenkamp) die Funktionalisierung von niedrigdimensionalen Elektronengasen.
In einer aktuellen Veröffentlichung in der renommierten Fachzeitschrift Small Structures gibt das Forschungsteam um Dr. Philip Schädlich, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur für Experimentalphysik mit dem Schwerpunkt Technische Physik, erstmals Einblicke in die Dynamik der Blei-Interkalation – dem gezielten Einbringen von Bleiatomen an die Grenzfläche zwischen Graphen und Siliziumkarbid. Mit diesem Wissen kann die Synthese der beschriebenen Schichten und damit deren Qualität deutlich verbessert und die Reproduzierbarkeit erhöht werden. Die neuen Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung können zum Verständnis korrelierter Elektronensysteme beitragen und bei der Entwicklung von Quantenmaterialien für das Quantencomputing relevant werden.
Hervorzuheben ist an dieser Stelle, dass der Grundstein der veröffentlichten Ergebnisse in zwei studentischen Arbeiten an unserer Professur gelegt wurde, sagt Philip Schädlich mit Verweis auf die Masterarbeiten von Franziska Schölzel (Erstautorin der Veröffentlichung) und Peter Richter. Es ist schön zu sehen, dass wir mit der Arbeit bei uns in der Technischen Physik eine Brücke zwischen studentischen Arbeiten und Spitzenforschung schlagen können, so Schädlich. Nicht zuletzt deshalb ist es auch gelungen, beide Forschende auch über das Studium hinaus als Doktoranden an der TU Chemnitz zu halten.
Abschirmung durch die Bleischicht: Graphen nahe der Ladungsneutralität
Bei dieser Studie setzen die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forscherinnen und Forscher auf eine Kombination aus experimentellen Daten und Ergebnissen der Dichtefunktionaltheorie (DFT). Die komplementäre Zusammensetzung mit sowohl experimentellen als auch theoretischen Kompetenzen der Forschungsgruppe ist nach Aussage von Prof. Dr. Thomas Seyller notwendig, um ein umfassendes Verständnis zu generieren. Nur wer diese beiden Welten zusammenbringt, kann die Komplexität eines solchen Systems zuverlässig beschreiben, sagt Prof. Seyller.
Eine bislang ungeklärte Frage ergab sich auch bezüglich der Ladungsneutralität des Graphens, das in der Regel durch das Substrat dotiert wird. Die Ladungsneutralität könnte laut Dr. Schädlich, der einen Großteil der Experimente koordiniert hat, auf den entsprechenden Transfer von Ladungen zwischen Graphen- und Bleischicht oder aber auf die Abschirmung des Graphens vom pyroelektrischen Substrat zurückzuführen sein. Durch Verwendung verschiedener, sogenannter Polytypen des Substrats konnte in der Studie nun gezeigt werden, dass die zweidimensionale Bleischicht in der Tat die Ladungen aufnehmen kann und Neutralität im Graphen gewährleistet.
Von großer Bedeutung ist auch die Kontrolle über die Struktur der interkalierten Bleischicht. Die Zahl an strukturell unterschiedlichen Phasen wächst vor allem mit der verwendeten Prozesstemperatur an, sodass wir nach dem unteren Limit für die zur Interkalation notwendigen Temperatur gesucht haben, erklärt Schölzel. Die Suche ist erfolgreich, denn die Interkalationsschicht zeigt über große Flächen eine (1×1)-Periodizität zum Substrat, das heißt über jeder Einheitszelle des Substrats befindet sich genau ein Bleiatom.
Mit steigender Temperatur können Phasenübergänge beobachtet werden
Durch eine detaillierte Temperaturstudie konnte auch der Bogen zu einer früheren Arbeit geschlagen werden, in der die Bildung von Domänengrenzen in der Bleischicht beobachtet wurde. Wenn dem System ausreichend Energie zugeführt werde, bilden sich laut Peter Richter diese Korngrenzen, die darüber hinaus das System stabilisieren. Hierbei geht die jedoch die strenge (1×1)-Periodizität verloren, so Richter. Die enge Zusammenarbeit zwischen der experimentellen und theoretischen Physik trägt Früchte: Mit Hilfe der detaillierten, strukturellen Daten lässt sich in den DFT-Rechnungen die elektronische Bandstruktur vorhersagen, die in diesem Fall hervorragend mit den Ergebnissen der winkelaufgelösten Photoelektronen-Spektroskopie übereinstimmt, erläutert Andres David Peña Unigarro, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Sybille Gemming.
Originalpublikation
F. Schölzel, Ph. Schädlich et al.: Large-Area Lead Monolayers under Cover: Intercalation, Doping, and Phase Transformation, Small Structures 6, 2400338 (2025), DOI: https://doi.org/10.1002/sstr.202400338
Kontakt
Dr. Philip Schädlich,
E-Mail philip.schaedlich@physik.tu-chemnitz.de.
- www.tu-chemnitz.de
Text zum Titelbild: In einem Labor des Instituts für Physik der TU Chemnitz untersuchen Peter Richter (r.), Franziska Schölzel (m.) und Dr. Philip Schädlich (l.) die elektronischen Eigenschaften des interkalierten Graphens (Bild: Dr. Fabian Göhler)
