Die Eigenschaften von 2D-Materialien werden entscheidend durch Defekte wie fehlende Atome, Fremddotierungen, Adsorbate, Domänengrenzen und Randeffekte beeinflusst. Diese Defekte können durch die Anwendung der neuesten Entwicklungen bei den Rastersondenverfahren, die atomar aufgelöste Bilder von Dielektrika liefern, einzeln untersucht werden (siehe Abbildung, a [1]). Solche experimentellen Ergebnisse sind eine direkte Entsprechung zu DFT-Berechnungen und liefern wertvolle Erkenntnisse über Defekteigenschaften. Das starke Feld unterhalb der Sondenspitze kann auch einzelne Defekte manipulieren (siehe Abbildung, b [2]), während die elektronischen Defekte durch gezielte Injektion oder Entfernung von Elektronen mit der Sondenspitze erzeugt und chemische Reaktionen durchgeführt werden können [3,4].

Atomar aufgelöste Abbildung und Manipulation von Defekten.

© Ulrike Diebold

Atomar aufgelöste Abbildung und Manipulation von Defekten.  (A) Isolierte Punktdefekte in NaI, aufgenommen mit ncAFM. Jeder Defekt besteht aus dem Dotierstoff Eu, der sich in einer unterirdischen Schicht befindet, und einer ladungskompensierenden Na-Lücke an der Oberfläche [1].  (B) Einzelne Sauerstoffleerstellen auf einer TiO2(101)-Anatasoberfläche [2]. Der mittlere Bereich (innerhalb der gelben Markierungen) wurde mit einer hohen STM-Vorspannung gescannt, die dazu führte, dass sich die Sauerstoffleerstellen von der Masse des Materials zur Oberfläche bewegten. Die kleinen Felder in (A, B) zeigen die einzelnen Defekte im Detail (oben: Theorie, basierend auf DFT, unten: Experiment)

Ziele

Ziel des Promotionsprojekts ist die Anwendung unserer oberflächenorientierten Methoden zur Charakterisierung ausgewählter Materialien mit dem Ziel einer möglichen Anwendung in der Nanoelektronik der nächsten Generation. Als Dielektrikum wollen wir epitaktisches CaF2 auf Si(111) [5] unter Verwendung etablierter Wachstumstechniken synthetisieren, und die auftretenden Defekte charakterisieren - sowohl intrinsische (Punktdefekte, Antiphasendomänen oder Korngrenzen, Stufen) als auch extrinsische (Adsorbate, einschließlich Hydroxylgruppen und Wasser, absichtlich eingebrachte Dotierstoffe). Für solche Defekte gibt es theoretische Vorhersagen, aber eine experimentelle Bestätigung steht noch aus. Als nächsten Schritt werden wir TMDs auf den CaF2-Schichten zu wachsen versuchen, und Defekte in den 2D-Materialien und der Grenzfläche zu CaF2 charakterisieren.

Methoden

Die Oberflächen werden mit Hilfe der Rastertunnelspektroskopie (STM) und der berührungslosen Rasterkraftmikroskopie (ncAFM) im Ultrahochvakuum (UHV) bei niedrigen Temperaturen von 5 K untersucht. Wir erzeugen pristinen Oberflächen durch Spaltung von Einkristallen im UHV.) - diese können dann nach intrinsischen oder absichtlich während des Wachstums erzeugten Defekten untersucht werden. und in Form von Molecular Beam Epitaxy (MBE) gewachsenen Schichten, die typischerweise durch verschiedene Defekttypen als Folge des Wachstums gekennzeichnet sind. 

Kollaborationen

Die Diebold-Gruppe wird die 2D-Materialien mit MBE im UHV herstellen und charakterisieren. Die Madsen-Gruppe wird DFT-Berechnungen der elektronischen Struktur durchführen. Die Gruppe Pichler wird die damit verbundenen optischen Messungen von Oberflächendefekten durchführen. Die Gruppen von Mueller, Libisch und Grasser werden die optischen, Transport- und Defekteigenschaften untersuchen.

Betreuerin

Ulrike Diebold ist experimentelle Oberflächenphysikerin. Ihr Forschungsprogramm konzentriert sich auf die geometrische, elektronische und Defektstruktur der obersten Atomschicht(en) von Materialien [2]. Das Hauptwerkzeug ist die Rastersondenmikroskopie (Scanning Tunneling Mikroskopie, STM, und berührungslose Rasterkraftmikroskopie, AFM) im Ultrahochvakuum Vakuum (UHV), um direkt die atomare Konfiguration, die elektronische Struktur und die Reaktivität von Oberflächen auf der Skala eines einzelnen Atoms/eines einzelnen Moleküls zu beobachten. Die UHV-Systeme ermöglichen die schichtweise Synthese von maßgeschneiderten Materialien mittels Molekularstrahlepitaxie und gepulster Laserabscheidung.

Webpage

Arbeitsgruppe Prof. Diebold, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Literatur

  1. M. Ulreich, et al. Physical Review Materials 3, 075004 (2019) DOI: 10.1103/physrevmaterials.3.075004
  2. M. Setvin, et al. Science 341, 988–991 (2013) DOI: 10.1126/science.1239879
  3. A. S. Foster, et al. Physical Review B 80(2009) DOI: 10.1103/physrevb.80.115421
  4. I Sokolović, et al. Proc. of the National Academy of Sciences U.S.A. 117, 14827 (2020) DOI: 10.1073/pnas.192245211 7
  5. Y. Y. Illarionov, et al. Nature Communications 11(2020) DOI: 10.1038/s41467-020-16640-8