Korrelationseffekte in zweidimensionalen Elektronensystemen auf Halbleiteroberflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Vorhaben beschäftigt sich mit niedrigdimensionalen Elektronensystemen, die durch Anlagerung von Adatomen auf Halbleiteroberflächen erzeugt werden. Im Vordergrund stehen die je nach atomarer Architektur steuerbaren Eigenschaften, in denen insbesondere auch elektronische Korrelationen und Spin-Wechselwirkungen eine Rolle spielen können. Die langreichweitig geordnete Rekonstruktion metallischer Adatome wird dabei durch Selbstorganisation der epitaktisch aufgebrachten Atome erzielt. Im vorliegenden Projekt wurde dies schwerpunktmäßig für die Dreiecksgitter-Rekonstruktionen auf (111)-Oberflächen von Silizium und Germanium untersucht. Diese erlauben ja nach Adatomwahl und der Bedeckung (bis zu einer Monolage) die Leitfähigkeit in weiten Grenzen einzustellen. Wir haben derartige Elektronengase mit winkelaufgelöster Photoemission und Rastertunnelmikroskopie bzw. -spektroskopie in weiten Temperaturbereichen analysiert. Einen wesentlichen Raum nahm dabei die Untersuchung von Systemen ein, die aus den Edelmetall-Adsorbaten Au und Pt gebildet werden, und deren Herstellung mit hoher Qualität gelang. Diese bilden leitfähige Zustände aus, und als Charakteristikum tritt eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung auf, die zu einer Spinaufspaltung der Elektronenbänder am Ferminiveau führt. Sowohl Photoemission als auch ergänzende Rechnungen aus Dichtefunktionaltheorie belegen diesen Effekt, der eine der Grundlagen für zukünftige Spinelektronik darstellt. Des weiteren wurde erfolgreich das Wachstum und die Bandstruktur des Sn-basierten Dreiecksgitters untersucht, bei dem aufgrund niedriger Bedeckung starke Korrelationseffekte auftreten. Ein interessantes Begleitresultat dieses Projektes sind die parallel dazu durchgeführten Studien an (001)-Oberflächen, wo das Wachstum von linearen Kettenstrukturen durch Goldatome gezeigt werden konnte. Dieser Befund aus der Atomstrahlepitaxie eröffnet erstmals die Möglichkeit, Elektronen in extrem eingesperrten eindimensionalen Szenarien zu betrachten. Die Quantentheorie macht hier die Vorhersage daß das Fermiflüssigkeitsbild zusammenbricht, und ungewöhnliche spektrale Eigenschaften zutage treten. Die jetzt gefundenen Goldketten, die nur noch eine Atom breit sind, eröffnen hier erstmals einen Zugang zu derartiger exotischer Physik auf Festkörperoberflächen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Atomic Nanowires on the Pt/Ge(001) Surface: Buried Pt-Ge Versus Top Pt-Pt Chains. Phys. Rev. Lett. 100, 196101 (2008)
A. A. Stekolnikov, F. Bechstedt, M. Wisniewski, J. Schäfer, and R. Claessen
- New Model System for a One-Dimensional Electron Liquid: Self-Organized Atomic Gold Chains on Ge(001). Phys. Rev. Lett. 101, 236802 (2008)
J. Schäfer, C. Blumenstein, S. Meyer, M. Wisniewski, and R. Claessen
- Self-organized atomic nanowires of noble metals on Ge(001): atomic structure and electronic properties. New Journal of Physics 11, 125011 (2009)
J. Schäfer, S. Meyer, C. Blumenstein, K. Roensch, R. Claessen, S. Mietke, M. Klinke, T. Podlich, R. Matzdorf, A. A. Stekolnikov, S. Sauer, F. Bechstedt
- Structural Components of the Pt/Si(111)-(√3 × √3) Surface from Scanning Tunneling Microscopy. Phys. Rev. B 82, 075431 (2010)
P. Höpfner, M. Wisniewski, F. Sandrock, J. Schäfer, and R. Claessen
- Electronic Band Structure of the Two-Dimensional Metallic Electron System Au/Ge(111). Phys. Rev. B 83, 235435 (2011)
P. Höpfner, J. Schäfer, A. Fleszar, S. Meyer, C. Blumenstein, T. Schramm, M. Heßmann, X. Cui, L. Patthey, W. Hanke, and R. Claessen
- Strictly One-Dimensional Electron System in Au Chains on Ge(001) Revealed By Photoelectron K-Space Mapping. Phys. Rev. B 83, Rapid Communication, 121411(R) (2011)
S. Meyer, J. Schäfer, C. Blumenstein, P. Höpfner, A. Bostwick, J.L. McChesney, E. Rotenberg and R. Claessen
