Korrelation zwischen geometrischer und elektronischer Struktur an Oberflächen und Grenzflächen adsorbatbelegter Topologischer Isolatoren.

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Holger L. Meyerheim
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237598744

Das Vorhaben verfolgt das Ziel die elektronische Struktur von unbelegten und adsorbatbelegten Oberflächen Topologischer Isolatoren (TI) mit der atomaren Struktur zu korrelieren. Als Techniken kommen hierbei die oberflächensensitive Röntgenbeugung, die Absorptionsspektroskopie, Rastertunnelmikroskopie (Spektroskopie) und die winkel-und spinaufgelöste Photoemission zur Anwendung. In der vergangenen Antragsperiode konnten alle Ziele des Projekts nicht nur erreicht werden, sondern darüber hinaus durch zusätzliche Experimente weitergehende Erkenntnisse über die Struktur der reinen Bi2Se3 (0001) Oberfläche und die Bildung von Adsorbatstrukturen und deren Auswirkung auf den Topologischen Oberflächenzustand studiert werden. Zum Zeitpunkt dieser Antragstellung sind fünf Publikationen erschienen, weitere drei sind in Vorbereitung. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Adsorption von Cs, Fe, Cr, Au, Ag und atomarem Wasserstoff auf der gereinigten Bi2Se3(0001) Oberfläche auch bei Probentemperaturen im Bereich von 160 K zu starken Reaktionen führt, bei denen ein Austausch von Atomen des Adsorbats mit denen des Substrats erfolgt. Mittels ARPES wurde festgestellt, dass sich als Folge der adsorbatinduzierten strukturellen Änderungen auch signifikante Änderungen der elektronischen Struktur vollziehen (z.B. Bildung einer Bandlücke und Verschiebung der Position des Dirac Punktes). Ab-initio Berechnungen, die von unseren Partnern aus der Theorie durchgeführt wurden, haben diese Ergebnisse bestätigt. Unsere Arbeiten stehen in wichtigem Kontext mit potentiellen Anwendungen topologischer Isolatoren im Bereich neuartiger elektronischer Bauelemente. Ein Beispiel ist der Anomale Quanten Hall Effekt (QAHE), der verlustfreien Transport spinpolarisierter Ladungsträger ermöglicht. Entscheidend in diesem Zusammenhang ist die gezielte Bildung einer Bandlücke durch ein magnetisches Austauschfeld, das die Zeitumkehrinvarianz des Topologischen Zustandes aufhebt. Unsere bisherigen Ergebnisse haben gezeigt, dass dies durch Adsorption von Fremdatomen in unkontrollierter Weise durch eine Oberflächenreaktion erfolgt was mit vielen Nachteilen verbunden ist. Darauf aufbauend planen wir in der Fortsetzung des Projekts antiferromagnetiche bzw. ferromagnetische Isolatoren wie EuS, MnSe, oder MnBi zu adsorbieren um mittels des sogenannten >>Proximity Effekts>> ein magnetisches Austauschfeld zu induzieren gleichzeitig aber die Integrität der Grenzfläche zu erhalten. Ein zweiter Ansatz ist die Einführung einer ultra-dünnen Isolatorschicht (Bsp: Al2O3 oder CaF2, die auf die Oberfläche des TI deponiert wird, und als Diffusionsbarriere für den nachfolgend deponierten Fe Film dienen soll. Zuletzt ist es geplant, durch die Kombination des Rashba Systems (Te Bi I) mit dem Topologischen Isolator (Pb Sb2 Te4) den bisher nur theoretisch vorhergesagten spinpolarisierte Zustand an der Grenzfläche zu erzeugen, der ebenso für spinpolarisierten Transport geeignet ist.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1666: Topologische Isolatoren: Materialien - grundlegende Eigenschaften - Strukturen für Bauelemente
• Internationaler Bezug: Spanien
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Arthur Ernst; Dr. Gregor Mussler; Dr. Christian Tusche
• Kooperationspartner: Professor Dr. Evgueni Chulkov