Ein Forschungsteam der TU Chemnitz hat wichtige Fortschritte im Verständnis von Phasenübergängen in zweidimensionalen Bleischichten erzielt. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift „Small Structures“ veröffentlicht. Das Projekt ist Teil der DFG-Forschungsgruppe FOR 5242, die sich mit „Proximity-induzierten Korrelationseffekten in niedrigdimensionalen Strukturen“ beschäftigt.
Die Leitung der Experimentalphysik liegt bei Prof. Dr. Thomas Seyller, während die theoretische Physik von Sibylle Gemming geleitet wird. Dr. Philip Schädlich hat das Forschungsteam geleitet und die Erstautorin der Veröffentlichung, Franziska Schölzel, zeigt die Bedeutung der Forschung auf. Diese Studien konzentrieren sich insbesondere auf die Dynamik der Blei-Interkalation an der Grenzfläche zwischen Graphen und Siliziumkarbid.
Fokus der Forschung
Die gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu beitragen, die Synthese und die Qualität der Schichten zu verbessern sowie die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu erhöhen. Die Grundlagenforschung könnte zudem für Quantenmaterialien im Bereich des Quantencomputings von erheblichem Interesse sein.
Eine interessante Kombination von experimentellen Daten und Dichtefunktionaltheorie (DFT) wird zur Analyse verwendet. Dies ermöglicht eine tiefere Einsicht in die Ladungsneutralität des Graphens, welches durch das Substrat dotiert wird. Die Bleischicht ist in der Lage, Ladungen aufzunehmen und gewährleistet damit die Neutralität im Graphen.
Ein zentrales Ergebnis der Studie ist die Kontrolle über die Struktur der interkalierten Bleischicht. Diese ist besonders wichtig, da die Anzahl der Phasen mit steigender Prozesstemperatur zunimmt. Darüber hinaus konnte erfolgreich das untere Limit der zur Interkalation nötigen Temperatur ermittelt werden.
Phasenübergänge und Eigenschaften
Die Temperaturstudie zeigt spezifische Phasenübergänge sowie die Bildung von Domänengrenzen in der Bleischicht. Detaillierte strukturelle Daten ermöglichen darüber hinaus präzisere Vorhersagen der elektronischen Bandstruktur in den DFT-Rechnungen.
Das Forschungsprojekt FOR 5242 wird mit über vier Millionen Euro von der DFG gefördert und zielt darauf ab, gezielte Manipulationen von 2D-Materialien zur Erforschung exotischer Effekte wie Supraleitung und den Quanten-Halle-Effekt zu ermöglichen. Die Publikation mit dem Titel „Large-Area Lead Monolayers under Cover: Intercalation, Doping, and Phase Transformation“ erschien in der Zeitschrift Small Structures (2025).
Zusätzlich wird im Kontext der Materialien der Helmholtz-Zentrum Berlin die Entwicklung energieeffizienter Datenverarbeitungstechnologien untersucht. Hierbei spielen magnetische Momente (Spins) der Elektronen eine entscheidende Rolle. Die Technologie der Spintronik, bei der Elektronenbewegung nicht notwendig ist, senkt den Energiebedarf und minimiert die Wärmeentwicklung. Materialien wie Graphen werden in Verbindung mit Schwermetall-Dünnschichten und ferromagnetischen Monolagen als vielversprechend angesehen für die Realisierung spintronischer Bauelemente.
Die Erforschung quantenphysikalischer Effekte und die Kontrolle von Phasenübergängen sind essenziell für zukünftige Anwendungen. Dabei werden auch verschiedene moderne Materialien und ihre physischen Eigenschaften unter extremen Bedingungen analysiert, um neue Materialklassen und unkonventionelle Supraleiter zu identifizieren.
