Topologischen Zuständen in Graphen auf der Spur

Wie Kohlenstoff-basierte Nanostrukturen eine neue Funktion durch Krümmungen erhalten können

20.04.2021 - Deutschland

Schon vor einigen Jahren konnte in der Wissenschaft gezeigt werden, dass sich durch Heizen eines nanostrukturierten Siliziumcarbid-Kristalls Graphen-Nanostrukturen auf dessen Oberflächen ausbilden. „Diese zweidimensionalen, räumlich stark eingeschränkten Kohlenstoffbänder weisen selbst bei Raumtemperatur einen verschwindend kleinen elektrischen Widerstand auf, sie sind also ballistisch“, erläutert Prof. Dr. Christoph Tegenkamp, Inhaber der Professur Analytik an Festkörperoberflächen der Technischen Universität Chemnitz.

Etwas Ähnliches gelinge beispielsweise mit einer ausgedehnten und perfekten zweidimensionalen Graphenschicht nicht. Physikern der TU Chemnitz ist es nun erstmals gemeinsam mit Forschern der Universität Eindhoven (Niederlande), des Max Planck Instituts in Stuttgart, und des MAX IV Laboratory in Lund (Schweden) gelungen, diesen Quanteneffekt besser zu verstehen. „Erst mit Hilfe eines ultrahochauflösenden Transmissionselektronenmikroskops konnten wir die genaue Struktur dieser sogenannten Nanoribbons nachweisen“, berichtet Doktorand Markus Gruschwitz von der Professur Analytik an Festkörperflächen. Thi Thuy Nhung Nguyen, die ebenfalls an dieser Professur promoviert, fügt hinzu: „Zusammen mit Messungen am Rastertunnelmikroskop ließ sich der besondere Quantenzustand dieses Systems nun lokalisieren und hochauflösend spektroskopieren.“

Wichtig für eine theoretische Beschreibung der elektronischen Struktur dabei ist, dass der Rand der Graphen-Nanostruktur eine Bindung zur Unterlage aufweist und die dadurch induzierte Biegung einen sogenannten Strain-Effekt hervorruft. Anhand dieses Modells ließ sich auch die Spin-Polarisation der wandernden Elektronen erklären. „Diese Verbiegung der Graphenstruktur hat einen ähnlichen Effekt, wie man ihn ansonsten nur in Materialien mit einer starken Spin-Bahn-Kopplung findet. Interessanterweise hat Graphen selbst eine verschwindend kleine Spin-Bahn-Wechselwirkung“, sagt Tegenkamp.

Die Forschungsergebnisse sind nun in der aktuellen Ausgabe von „Nano Letters“ erschienen. Die Autoren der Studie sind sich sicher, dass das Ausnutzen von definierten Krümmungen neue Funktionalitäten in vermeintlich trivialen Strukturen und Materialien hervorrufen und sich das Forschungsgebiet der Straintronics weiter etablieren wird.