Einschränkung der Ladungsträgermobilität in Graphen und was man dagegen tun kann --- Wechselwirkungen und Unordnung in epitaktischem Graphen auf Siliziumcarbid

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Christian Reinhard Ast; Professorin Dr. Isabella Gierz-Pehla
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242757287

Epitaktisches Graphen auf SiC(0001) ist die beste Realisierung von Graphen bezüglich eines großflächiges Wachstum mit genauer Schichtdickenkontrolle. Dank der vernachlässigbaren Wechselwirkung mit dem Substrat ist die konische Bandstruktur gut erhalten. Obwohl das Materialsystem prinzipiell für elektronische Anwendungen in Frage kommt --- das Anlegen einer Gatespannung und Dotierung wurden bereits erfolgreich implementiert --- scheint die reduzierte Ladungsträgermobilität ein unüberwindbares Hindernis darzustellen. Transport in elektronischen Hochgeschwindigkeitsbauteilen aus Graphen ist intrinsisch begrenzt durch die Streuung von Ladungsträgern an heißen optischen Phononen. Zusätzlich wird die Ladungsträgermobilität durch extrinsische Effekte beeinträchtigt, z. B. durch das Substrat, Defekte oder Verunreinigungen. Daher ist ein besseres Verständnis dieser Faktoren unbedingt notwendig. Wir wollen die Zerfallskanäle von heißen Ladungsträgern in Graphen mit Hilfe von zeit- und winkelaufgelöster Photoelektronenspektrosopie (PES) sowie die elektronische Struktur mit statischer hochaufgelöster PES untersuchen und mit einfachen Modellrechnungen ergänzen, um die Effekte von verschiedenen Substraten, Defekten und Verunreinigungen zu verstehen. Graphen auf SiC(0001) ist das ideale Materialsystem für derartige Untersuchungen, da man verschiedene Atome interkalieren oder adsorbieren und damit das Graphen dotieren kann. Außerdem lassen sich durch Argonionenbeschuss wohldefinierte Konzentrationen von Defekten herstellen. Auf den neuen Erkenntnissen aufbauend wollen wir ein Graphen/SiC-System mit optimierter Graphen-Substrat-Grenzfläche und optimiertem chemischen Potential entwickeln. Zu diesem Zweck werden wir das Zusammenspiel der Wechselwirkungen von Quasiteilchen untereinander mit der Abschirmung durch das Substrat, der chemischen Dotierung und gezielt herbeigeführten Defekten untersuchen. Ziel ist es eine Kombination zu finden, die die besten Bedingungen für die Ladungsträger in der Graphenlage bietet.Schließlich werden wir mit Hilfe von selektiver, kohärenter Phononenanregung durch Femtosekundenlaserpulse im Mittelinfrarotbereich versuchen das statische Gleichgewicht in der elektronischen Struktur zu stören und dadurch neue elektronische Eigenschaften induzieren, die unter Gleichgewichtsbedingungen nicht existieren. Die resonante Anregung des infrarot-aktiven A_2u Phonons führt zu einer von Null verschiedenen Kopplung zwischen den ansonsten unabhängigen Pi- und Sigma-Bändern. Diese Kopplung könnte einen Phasenübergang in eine Quanten-Spin-Hall Phase oder gar in einen supraleitenden Zustand auslösen. Insgesamt ist die Kombination von statischer und zeitaufgelöster PES wesentlich für ein besseres Verständnis von Wechselwirkungen und Unordnung, da man nur durch eine gute Zeit- und Energieauflösung letztendlich in der Lage sein wird die Feinheiten der besonderen elektronischen Struktur von Graphen zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1459: Graphene