Kombiniertes Tieftemperatur-Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bis auf zwei gekennzeichnete Ausnahmen wurden die geschilderten Experimente vollständig an dem Großgerät durchgeführt. In einer Masterarbeit wurden Kontakte aus einzelnen Pb-Atomen auf Pb(111) hergestellt und die elektrischen Leitwerte bestimmt. Diese Untersuchungen wurden zum Thema einer Doktorarbeit ausgedehnt, in der auch die mechanischen Eigenschaften von Kontakten auf der Nanometerskala in Zusammenarbeit mit einer theoretischen Gruppe (Prof. Juan Jose Palacios, Spanien) analysiert wurden. Darüber hinaus konnten durch Argon-Ionenbeschuss Kavitäten unterhalb der Oberfläche erzeugt werden, die Anlass zu vertikalem und lateralem Einschluss von elektronischen Zuständen der Pb-Oberfläche gaben. Die Analyse der zugrundeliegenden Spektren und spektroskopischen Abbildungen erfolgte zusammen mit Herrn Dr. Simon Crampin (University of Bath, Großbritannien). Eine weitere Masterarbeit hat sich an diesem Gerät mit Andreev-Reflexion in Normalleiter-Supraleiter-Kontakten beschäftigt. In Kontakten aus einer W-Spitze, einzelnen Nb-Atomen und C60-Molekülen sowie einer Nb(110)-Oberfläche haben wir in Spektren des differentiellen Leitwerts Hinweise auf Andreev- Reflexion bei geringen Elektrodenabständen erhalten. Die Masterarbeit wird als Doktorarbeit weitergeführt. In Zusammenarbeit mit Dr. Pedro Ribeiro (Universidade de Lisboa, Portugal) und Dr. Stefan Kirchner (Zhejiang University, China) wurde die Anwendbarkeit des Modells von Blonder, Tinkham und Klapwijk auf die untersuchten Kontakte evaluiert. Bei hinreichend großen Hybridisierungen des Moleküls mit den Elektroden ist die Gültigkeit des Modells gegeben und bestätigt die Interpretation der spektroskopischen Daten im Sinne der Andreev-Reflexion. Die Inbetriebnahme des Rasterkraftmikroskops war der Inhalt einer Masterarbeit, deren Thesen im Dezember 2014 verteidigt wurden. Es ist gelungen, den qPlus-Sensor erfolgreich zu kalibrieren und erste Messungen an C60-Molekülen auf Cu(111) durchzuführen. Wir haben Hinweise auf strominduzierte Kräfte, die wir mit Hilfe von Simulationen der Gruppe um Prof. Mads Brandbyge (Technical University of Denmark) verstehen wollen. Gegenwärtig wird der Betrieb des Rasterkraftmikroskops optimiert. Um kleinste Schwingungsamplituden des qPlus-Sensors im Bereich von 10 pm zu kontrollieren, bedarf es einer Verbesserung der Steuerelektronik. Wir sind hierzu im regen Austausch mit dem Hersteller. Graphen auf Ir(111) wirft nanometerskalige „Falten“, sobald die Probe über 1500°C erhitzt wird. Auf diesen Strukturen haben wir überraschenderweise große inelastische Signale in der Tunnelspektroskopie beobachtet, die wir auf Vibrationsanregungen zurückführen. Eine genaue Analyse geschieht mit theoretischer Unterstützung (Prof. Marie-Laure Bocquet (Frankreich), Prof. Nicolás Lorente, Dr. Thomas Frederiksen (Spanien)) im Rahmen eines von der DFG geförderten Projekts. Durch behutsamen Ionenbeschuss des Graphenfilms ist es in einer Bachelorarbeit gelungen, einzelne C-Atome aus dem Graphengitter zu entfernen. Die geometrische und elektronische Struktur dieser künstlich erzeugten Defektstellen wird in Zusammenarbeit mit Frau Prof. Martina Hentschel (Ilmenau) erforscht. Abschließend werden vier Arbeiten angeführt, die zu Publikationen geführt haben. Die Adsorption von Phthalocyaninen wurde vergleichend auf Ir(111) und auf graphenbedecktem Ir(111) in einer Bachelorarbeit untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse und Interpretationen wurden durch Rechnungen einer Bremer Gruppe (Prof. Tim O. Wehling, Prof. Th. Frauenheim) unterstützt. Die Moiré-Überstruktur, die Graphen auf Ir(111) aufgrund der Gitterfehlanpassung bildet, verursacht replizierte Phonondispersionszweige. Rechnungen in der Gruppe um Prof. Ludger Wirtz (Universität Luxemburg) konnten die experimentellen Ergebnisse reproduzieren. Diese beiden Arbeiten wurden lediglich zum Teil mit dem Großgerät durchgeführt. Rastertunnelmikroskopische Abbildungen des reinen Graphens und der adsorbierten Moleküle unterstützten in diesen Arbeiten die Interpretation von im Vordergrund stehenden schwingungsspektroskopischen Daten. Zusammen mit einer theoretisch arbeitenden Gruppe (Prof. Marie-Laure Bocquet, Frankreich) wurden chemische Modifikationen von einzelnen Phthalocyaninen auf Graphen analysiert. Es ist uns gelungen, einzelne H-Atome aus dem Zentrum der Moleküle durch lokale Elektroneninjektion aus der Spitze zu entfernen. Die elektronischen Eigenschaften der auf diese Weise chemisch modifizierten Moleküle unterscheiden sich stark von denen intakter Moleküle. Diese Änderungen wurden durch Rechnungen reproduziert und verstanden. Die vierte Arbeit stellt einen ersten Schritt zur Untersuchung von Supraleitung in Graphen dar, der im Rahmen eines DFG-Projekts gefördert wird. Hierzu wurde Lithium interkaliert und eine Strukturanalyse mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie durchgeführt. Gegenwärtig werden zwei Masterarbeiten am Gerät durchgeführt. Eine Arbeit beschäftigt sich mit der Etablierung der spinauflösenden Rastertunnelmikroskopie und –spektroskopie. In der zweiten Arbeit werden magnetische Moleküle auf ferromagnetischen Substraten untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Moiré-induced replica of graphene phonons on Ir(111)“. Ann. Phys. 526, 372 (2014)
M. Endlich, H. P. C. Miranda, A. Molina-Sánchez, L. Wirtz, J. Kröger
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„Phthalocyanine adsorption to graphene on Ir(111): Evidence for decoupling from vibrational spectroscopy“. J. Chem. Phys. 141, 184308 (2014)
M. Endlich, S. Gozdzik, N. Néel, A. L. da Rosa, T. Frauenheim, T. O. Wehling, J. Kröger
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„Depopulation of Single- Phthalocyanine Molecular Orbitals upon Pyrrolic-Hydrogen Abstraction on Graphene”. ACS Nano 10, 2010 (2016)
N. Néel, M. Lattelais, M.-L. Bocquet, J. Kröger
