Elektronische Zustände einer periodisch gewellten Graphenschicht

Elektronische Zustände einer periodisch gewellten Graphenschichtzeigen nicht nur in den so genannten „Dirac Cones“, sondern auch im Zentrum der zwei-dimensionalen Brillouin-Zone erstaunliche Eigenschaften, die mit Hilfe der zeitaufgelösten Photolektronenspektroskopie experimentell zugänglich werden.

Graphen, eine nur eine Atomlage dünne Kohlenstoffschicht, hat in letzter Zeit eine immense Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Seine besonderen elektronischen Eigenschaften machen es interessant für Anwendungen in der Mikroelektronik. Hierfür spielen auch metallische Kontakte eine entscheidende Rolle. Eine besonders interessante Materialkombination für die Untersuchung der Wechselwirkung solcher Kohlenstoffschichten mit Metallen ist Graphen auf Ruthenium. Durch die starke Bindung an das Metall zeigt Graphen dort eine besonders ausgeprägte Welligkeit. Wie Nico Armbrust aus der Arbeitgruppe Oberflächenphysik im Rahmen seiner Doktorarbeit unter Leitung von Prof. Ulrich Höfer in Kooperation mit Prof. Peter Jakob entdeckte, hat die sich ausbildende periodische Abfolge von Hügeln und Tälern eine Reihe von überraschenden und ungewöhnlichen Eigenschaften der elektronischen Zustände des Systems zur Folge. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Physical Review Letters veröffentlicht.

Im Detail weist Graphen/Ru(0001) im Bereich der miteinander verbundenen Täler delokalisierte und im Bereich der Hügel stärker lokalisierte elektronische Zustände auf. Es konnten sowohl normalerweise unbesetzte Grenzflächenzustände zwischen der Graphenschicht und Ruthenium, als auch Bildpotentialzustände beobachtet werden, in denen die Elektronen ihre maximale Aufenthaltswahrscheinlichkeit oberhalb der Graphenschicht haben. Erstaunlicherweise sind dabei die Elektronen, die im Bereich der Hügel lokalisiert sind, stärker ans Metall gebunden und relaxieren schneller als die Elektronen in den Tälern.

Den experimentellen Zugang zu diesen Eigenschaften verschafft die zeitaufgelösten Zwei-Photonen Photoemission (2PPE). Bei dieser Spektroskopie werden Elektronen durch einen ultrakurzen Laserimpuls aus dem Metall in die zunächst unbesetzten elektronischen Zustände angeregt und zeitversetzt mit einem zweiten Laserimpuls über den Photoeffekt von der Oberfläche emittiert. Anschließend wird ihre kinetische Energie und ihr Impuls parallel zur Oberflächen mit einem Elektronenanalysator bestimmt. Die Zeitverzögerung zwischen Anregung und Auslesen ermöglicht dabei die direkte Untersuchung der zeitabhängigen Besetzung und somit der Relaxationsdynamik. Die winkelaufgelösten Messungen bilden zudem die Dispersion der Zustände ab, welche Aufschluss über die Lokalisierung der Elektronen und den Einfluss der Welligkeit der Graphenschicht geben.

Orginalveröffentlichung:
N. Armbrust, J. Güdde, P. Jakob, U. Höfer,
„Time-Resolved Two-Photon Photoemission of Unoccupied Electronic States of Periodically Rippled Graphene on Ru(0001) “
Physical Review Letters 108, 056801 (3. Februar 2012).
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.108.056801

Siehe auch:
Zwei-Photonen Photoemission http://www.physik.uni-marburg.de/of/dynamics/2ppe.html
Bildpotentialzustände http://www.physik.uni-marburg.de/of/dynamics/impot.html

Kontakt

Nico Armbrust
Fachbereich Physik
Philipps-Universität Marburg
Renthof 5
35032 Marburg
Tel.: +49 6421 / 28 24135
E-Mail