Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
Die Rastertunnelmikroskopie zeigt: Graphen wölbt sich über den Goldclustern und bildet ein regelmäßiges Muster, das an das Polster eines Chsterfield-Sofas erinnert. © HZB
Typisches Chesterfield-Polster. ( © mit freundlicher Genehmigung von Petr Kratochvil
Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.
Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen, wie eine Bienenwabe. Graphen ist strikt zweidimensional, also unendlich dünn, extrem leitfähig, perfekt lichtdurchlässig und sehr stark belastbar. Das „Wundermaterial“ besitzt außerdem weitere interessante Eigenschaften, die mit seinem Aufbau zusammenhängen.
So können die Spins (winzige magnetische Momente) der Leitungselektronen überraschenderweise sehr gut kontrolliert werden. Denn bringt man eine Lage Graphen auf ein Nickelsubstrat auf und schiebt Goldatome dazwischen, dann erhöht sich die so genannte „Spin-Bahn-Wechselwirkung“ dramatisch um den Faktor 10.000, sodass sich die Ausrichtung der Spins durch äußere Felder beeinflussen lässt.
Dass dies funktioniert hatten die Physiker um Dr. Andrei Varykhalov am HZB bereits mehrfach demonstriert. Allerdings war nicht klar, warum die Präsenz der Goldatome sich derartig stark auf das Verhalten der Spinaufspaltung im Graphen auswirkt.
„Wir wollten daher herausfinden, wie es dazu kommt, dass die hohe Spin-Bahn-Wechselwirkung, die für Gold charakteristisch ist, sich auf das Graphen überträgt“, sagt Varykhalov. In der jetzt veröffentlichten Arbeit zeigen die Physiker, dass sich die Goldatome in der Zwischenschicht nicht ganz gleichmäßig, sondern in kleinen Grüppchen oder Clustern auf dem Nickel-Substrat verteilen. Diese Gold-Cluster bilden wiederum ein regelmäßiges Muster unter dem Graphen. Dazwischen bleiben Nickelatome frei. Das Graphen bindet stark zum Nickel und wölbt sich so deutlich über den Gold-Clustern. „Es sieht fast so aus wie ein Polster eines Chesterfield-Sofas”, erklärt Varykhalov. „An den Punkten, an denen Gold und Kohlenstoff in enge Berührung kommen, entsteht die extrem hohe Spin-Bahn-Wechselwirkung, die wir beobachten. Dieses Ergebnis wird durch Rastertunnelmikroskopie und Dichtefunktionsanalysen gestützt“.
Zur Publikation:
2D Materials, Vol.4, Nr3 (2017): "Nanostructural origin of giant Rashba effect in intercalated graphene". M Krivenkov, E Golias, D Marchenko, J Sánchez-Barriga, G Bihlmayer, O Rader and A Varykhalov.
Doi: 10.1088/2053-1583/aa7ad8
- Neue Option, um Eigenschaften von Seltenerd-Elementen zu kontrollierenDie besonderen Eigenschaften von magnetischen Materialien aus der Gruppe der Seltenen Erden gehen auf Elektronen in der 4f-Schale zurück. Bislang galten die magnetischen Eigenschaften der 4f-Elektronen als kaum kontrollierbar. Nun hat ein Team von HZB, der Freien Universität Berlin und weiteren Einrichtungen erstmals gezeigt, dass durch Laserpulse 4f-Elektronen beeinflusst – und damit deren magnetische Eigenschaften verändert werden können. Die Entdeckung, die durch Experimente am EuXFEL und FLASH gelang, weist einen neuen Weg zu Datenspeichern mit Seltenen Erden.
- BESSY II zeigt, wie sich Feststoffbatterien zersetzenFeststoffbatterien können mehr Energie speichern und sind sicherer als Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Allerdings halten sie nicht so lange und ihre Kapazität nimmt mit jedem Ladezyklus ab. Doch das muss nicht so bleiben: Forscherinnen und Forscher sind den Ursachen bereits auf der Spur. In der Fachzeitschrift ACS Energy Letters stellt ein Team des HZB und der Justus-Liebig-Universität Gießen eine neue Methode vor, um elektrochemische Reaktionen während des Betriebs einer Feststoffbatterie mit Photoelektronenspektroskopie an BESSY II genau zu verfolgen. Die Ergebnisse helfen, Batteriematerialien und -design zu verbessern.
- HZB-Magazin lichtblick - die neue Ausgabe ist da!Auf der Suche nach dem perfekten Katalysator bekommt HZB-Forscher Robert Seidel nun Rückenwind – durch einen hochkarätigen ERC Consolidator Grant. In der Titelgeschichte stellen wir vor, warum die Röntgenquelle BESSY II für sein Vorhaben eine wichtige Rolle spielt.