AG Dähne: Experimentalphysik / Festkörper-Nanoskopie

Forschung der AG Dähne

Aktuelle Forschungsergebnisse

Forschungsthemen der Arbeitsgruppe Dähne sind das Wachstum und die atomare Struktur von zweidimensionalen Schichten, ein- und nulldimensionalen Nanostrukturen sowie organischen Molekülen auf Halbleiteroberflächen. Hier einige Beispiele für unsere kürzlich erzielten Ergebnisse:

Organische Moleküle auf Siliziumoberflächen

Organische Moleküle können auf Oberflächen geordnete Mono- und Multilagen bilden.

Ein Beispiel für Filme von sehr reaktiven Molekülen, den N-heterozyklischen Carbenen, auf einer mit Bor passivierten √3x√3-rekonstruierten Si(111)-Oberfläche ist in der Abbildung gezeigt. Die beiden STM-Bilder (a,b) zeigen große geordnete Domänen der Monolage des IPr-Moleküls, (c,d) das entsprechende Strukturmodell eines adsorbierten Moleküls in Seitenansicht und Aufsicht sowie (e) das in Zusammenarbeit mit der AG Esser gemessene PES-Spektrum der C-1s-Elektronen und (f) das Strukturmodell des IPr-Moleküls mit der farblichen Codierung der zum Spektrum beitragenden C-Atome. Aus Franz et al., Nat. Chem. 13, 828 (2021). Siehe auch Zielinski et al., J. Mater. Chem. C 11, 7377 (2023). Zu den strukturell sehr ähnlichen N-heterozyklischen Olefinen siehe Das et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202314663 (accepted).

Ein weiteres Beispiel sind Phthalocyanid-Moleküle auf Siliziumoberflächen. Diese kleeblattförmigen Moleküle wachsen z. B. auf der Bor passivierten Si(111)√3x√3-Oberfläche zunächst flach auf, während sie ab einer Monolage geordnete Lagen aus verkippten Molekülen bilden. Siehe hierzu Lindner et al., Phys. Rev. B 100, 245301 (2019), Kubicki et al., J. Vac. Sci. Technol. B 38, 042803 (2020), Aldahhak et al., Phys. Rev. B 103, 035303 (2021), Kubicki et al., Appl. Phys. Lett. 119, 133105 (2021) und M. Franz, Inorg. Chim. Acta 559, 121771 (2024).

Silizid-Nanostrukturen auf Siliziumoberflächen

Silizide der seltenen Erden bilden auf Siliziumoberflächen unterschiedliche Nanostrukturen, z. B. zweidimensionale Filme auf der Si(111)-Oberfläche oder eindimensionale Nanodrähte auf den Si(001)-, Si(hhk)- und Si(110)-Oberflächen.

Die Abbildung zeigt Ergebnisse für Nanodrähte auf der Si(001)-Oberfläche, (a) ein STM-Bild, (b) eine mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie in Zusammenarbeit mit der AG Lehmann gewonnene Querschnittsaufnahme und (c,d) das daraus hergeleitete Strukturmodell (c) mit Blick in Drahtrichtung sowie (d) in Seitenansicht. Mit Photoelektronenspektroskopie am Berliner Synchrotron BESSY II wurde herausgefunden, dass die Nanodrähte metallisch sind und durch eine weitgehend eindimensionale elektronische Struktur charakterisiert sind. Aus Dähne, eingereicht bei Surf. Sci. Rep. Siehe auch Holtgrewe et al., Phys. Rev. B 99, 214104 (2019)Appelfeller et al., Appl. Phys. Lett. 114, 093104 (2019) und Heggemann et al., Surf. Sci. 696, 121563 (2020).

Auch auf den vizinalen Si(hhk)-Oberflächen entstehen Nanodrähte, wobei ihre Breite durch die Vizinalität der Oberfläche eingestellt werden kann. Für schmalere Nanodrähte findet ein Übergang von einer zwei- zu einer eindimensionalen elektronischen Struktur statt. Siehe hierzu Appelfeller et al., Phys. Rev. Mat. 3, 126002 (2019) und Appelfeller et al., Phys. Rev. B 102, 115433 (2020).

GaP-Schichten auf Siliziumoberflächen

Schichten von III-V-Halbleitern auf Silizium können für die direkte Integration optoelektronischer Komponenten in Siliziumbauelemente genutzt werden, und GaP als Schichtmaterial ist hierfür sehr gut geeignet wegen seiner guten Gitteranpassung zum Siliziumsubtrat. Allerdings treten in den GaP-Schichten Antiphasengrenzen auf, die Ga-Ga- und P-P-Fehlbindungen enthalten und sich negativ auf die Funktionalität von Bauelementen auswirken. Abbildung (a) zeigt ein STM-Bild an einer Querschnittfläche im Bereich der GaP/Si-Grenzfläche, wobei der helle Kontrast die Antiphasengrenzen markiert. Im Inset von (a) wird die Methode STM an Querschnittflächen illustriert, bei der die Probe gespalten wird, um ihre Querschnittsfläche freizulegen, die dann mit STM untersucht wird. In Abbildung (b) sind die Antiphasengrenzen mit gelb gepunkteten Linien markiert, in der Vergrößerung (c) ist der Höhenversatz der P-Ketten auf beiden Seiten einer {110}- oder {123}-Antiphasengrenze markiert, und (d) zeigt das Strukturmodell des Querschnitts durch diese Antiphasengrenze. Aus Farin et al., J. Phys.: Condens. Matter 31, 144001 (2019). Siehe auch Lenz et al., J. Appl. Phys. 125, 045304 (2019), Farin et al., J. Appl. Phys. 129, 155301 (2021) und Farin et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 205302 (2021).

Experimentelle Methoden

Hier eine Übersicht über die von uns eingesetzten experimentellen Methoden:

Untersuchungen im Ultrahochvakuum

Um Kontaminationen der Oberflächen und Nanostrukturen zu vermeiden, werden die Proben direkt im Ultrahochvakuum (~ 10-10 mbar) präpariert und untersucht. Ein Foto einer unserer Apparaturen ist in der Abbildung gezeigt. In der Regel werden die Oberflächen durch Erhitzen gereinigt (z. B. bei Silizium) oder auch durch Spaltung präpariert (z. B. bei GaAs). Die Materialien zur Herstellung der Nanostrukturen oder die organischen Moleküle werden dann in einem Verdampfer erhitzt, so dass ein Atom- oder Molekularstrahl entsteht, der dann auf die Oberfläche gelangt. Die Schichtdicke wird kontrolliert, indem zunächst die Verdampfrate mit einem Schichtdickenmesser bestimmt wird und dann die Probe für eine bestimmte Zeit dem Verdampferstrahl ausgesetzt wird. Daraufhin werden die Proben z. B. mit Rastertunnelmikroskopie oder Photoelektronenspektroskopie untersucht.

Rastertunnelmikroskopie (STM)

Bei dieser Methode wird eine atomar feine metallische Spitze in Abständen unterhalb eines Nanometers über der Probenoberfläche positioniert und eine Spannung zwischen Spitze und Probe angelegt. Wie in der Abbildung in (a) gezeigt, lässt sich dann ein Tunnelstrom zwischen Spitze und Oberfläche messen, der stark vom Spitze-Probe-Abstand abhängt. Nun wird die Spitze Zeile für Zeile über die Probenoberfläche gerastert, wobei die Höhe der Spitze ständig so nachgeregelt wird, dass sich immer ein konstanter Tunnelstrom ergibt. Auf diese Weise hat die Spitze immer einen annähernd konstanten Abstand zur Probenoberfläche, und aus der Variation der Spitzenhöhe lässt sich ein Bild der Oberfläche erhalten – das Beispiel einer Si(111)7x7-Oberfläche ist in der Abbildung (b) gezeigt. Da der Tunnelstrom auch von den elektronischen Eigenschaften der Probe sowie der Tunnelspannung abhängt, lassen sich auch die lokalen elektronischen Eigenschaften der Probenregion direkt unterhalb der Tunnelspitze mit der Rastertunnelspektroskopie (STS) untersuchen.

Photoelektronenspektroskopie (PES)

Diese Methode erlaubt eine Untersuchung der elektronischen und chemischen Eigenschaften von Oberflächen und den Atomlagen darunter. Hierbei werden einfallende monochromatische Photonen absorbiert und deren Energie an Elektronen im Material übertragen, die es dann durch die Oberfläche verlassen können. Mit einem Elektronendetektor wird dann die Energie der Elektronen spektroskopiert, um daraus die Bindungsenergien der Elektronen im Material zu ermitteln. Bei der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie (ARPES) werden zusätzlich auch die Winkel bestimmt, woraus sich die Dispersion der Elektronenzustände ermitteln lässt. Die Abbildung zeigt (a) ein Spektrum der Si-2p-Elektronen der Bor-modifizierten Si(111)√3x√3-Oberfläche mit farbig markierten Subspektren, die in (b) den entsprechenden Gitterplätzen des Strukturmodells zugeordnet werden. Aus Aldahhak et al., Phys. Rev. B 103, 035303 (2021).

Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED)

Diese Methode erlaubt eine schnelle Bestimmung der Oberflächenperiodizität, indem ein Elektronenstrahl an der Probe gebeugt wird und auf einen Schirm projiziert wird, so dass sich prinzipiell ein Abbild des reziproken Gitters ergibt. Das Beispiel in der Abbildung zeigt das LEED-Muster der Bor-modifizierten Si(111)√3x√3-Oberfläche mit den Beugungsreflexen der √3x√3-Überstruktur sowie der intensiveren 1x1-Reflexe des darunterliegenden Substrats.