Aktuelle Projekte

Bereits vor etwa 15 Jahren konnten wir in Kooperation mit der Gruppe von Prof. Dr. R. Claessen und PD Dr. J. Schäfer an selbstorganisierten, eindimensionalen Au-induzierten Nanodrähten auf Ge(001) charakteristische Eigenschaften einer Tomonaga-Luttingerflüssigkeit nachweisen.

Atomically controlled quantum chains hosting a Tomonaga-Luttinger liquid, 
C. Blumenstein, J. Schäfer, S. Mietke,  S. Meyer, A. Dollinger, M. Lochner, X. Y. Cui, L. Patthey, R. Matzdorf and R. Claessen
NATURE PHYSICS 7, 776, 2011

Dennoch ist das System weit davon entfernt verstanden zu sein und es gibt kontroverse Ansichten hinsichlich der Eindimensionalität der elektronischen Eigenschaften und der möglichen Lage der Luttingerkanäle. Auch die atomare Struktur der Nanodrähte ist noch nicht aufgeklärt. Einen Überblick über den gegenwärtigen Kenntnisstand gibt der Übersichtsartikel

One-dimensional quantum matter: gold-induced nanowires on semiconductor surfaces,
L. Dudy, J. Aulbach, T. Wagner, J. Schäfer and R. Claessen,
J. Phys.: Condens. Matter 29, 433001, 2017.

Hinsichtlich der Struktur der Nanodrähte konnten wir zeigen, dass sie nicht kontinuierlich entlang der Drähte aufgebaut sind, sondern das leichte Unterbrechungen zu einzelnen Abschnitten mit "magischen" Längen und charakteristischen internen Strukturen führen.

Structural analysis and stable length of Au induced nanowires on Ge(001)
J. Tonhäuser, E. Atiawotse, U. Kürpick, R. Matzdorf
SURFACE SCIENCE 720, 122053, 2022

Das System ist weiterhin Gegenstand unserer Forschung.

STM-Bild von Au-induzierten Nanodrähten auf Ge(001).

Kleinster Abschnitt in den Au-induzierten Nanodrähten auf (Ge001), gemessen mit positiver (a) bzw. negativer (b) Tunnelspannung.

Aufdampfen von Co auf eine Ge(001) Oberfläche im submonolagen Bereich führt zu selbstorganisierten Nanostukturen. STM Messungen zeigen, dass sich die länglichen Strukturen aus zwei Blöcken (A und B) zusammensetzen, die überwiegend abwechselnd aneinander gereiht sind. Das Erscheinungsbild in STM Topographien hängt von der gewählten Tunnelspannung ab. Die Länge und die Struktur der Ketten kann durch zusätzliches Aufdampfen von geringen Mengen von Au beeinflusst werden. Unterstützt durch Monte Carlo Simulationen können die signifikant längeren Co induzierten Ketten nach dem zusätzlichen Aufdampfen von Gold durch die Reduktion von Spannungen in der Ge Oberfläche erklärt werden.

Examination and modification of Co structures on Ge(001)
Johann Tonhäuser, Nico Kubetschek, Ulrike Kürpick, René Matzdorf
PHYSICAL REVIEW B 106, 115404, 2022

STM Topographie einer ABA-Struktur, gemessen bei positiver (oben) bzw. negativer (unten) Tunnelspannung.

Nach dem Aufdampfen von bis zu einer Monolage Au auf eine Co/Ge(001) Oberfläche bilden sich außer den schon bekannten Au-Nanodrähten andersartige, eindimensionale, nahezu defektfreie Nanostrukturen aus. Abhängig von den experimentellen Bedingungen können diese Au und Co induzierten Nanostäbe Längen von mehr als 100 nm erreichen und treten einzeln oder paarweise in unterschiedlichen Abständen auf. Die Nanostäbe besitzen sehr interessante Eigenschaften. Bei einigen Tunnelspannungen zeigt sich eine Periodizität von 1,1 nm auf den Nanostäben, die signifikant von Vielfachen der Gitterkonstante der Ge(001) Oberfläche von 0,4 nm und damit auch von allen bekannten Periodizitäten der Au/Ge bzw. Co/Ge Systeme abweicht. Zudem zeigt sich in Rastertunnelspektren, die lokal auf den Nanostäben gemessen wurden, im Bereich der Fermienergie eine sogenannte „zero-bias anomaly“. Dies kann ein Hinweis auf korreliertes Verhalten der Elektronen sein. In Frage kommende Modelle (Coulomb Blockade, Supraleitung, Luttinger Flüssigkeit, Kondo Effekt) wurden durch die sorgfältige Analyse einer großen Zahl an Spektren untersucht, es konnte aber kein Modell eindeutig als das am besten passende identifiziert werden. Die physikalische Ursache der „zero-bias anomaly“ ist noch eine offene Frage.

Zero-bias anomaly in self-organized nanostructures in the ternary system Au / Co / Ge(001)
Marcel Schlesag, Till-Jakob Stehling, Nico Kubetschek, Ulrike Kürpick, René Matzdorf
PHYSICAL REVIEW B 110, 195412, 2024

STM-Bild eines einzelnen Nanostabs, der von Au induzierten Nanodrähten umgeben ist.

Rastertunnelspektrum, gemessen bei einer Probentemperatur von 5K. Im Bereich um die Fermienergie (0V) zeigt sich eine "zero-bias anomaly".

Aufbringen von Dysprosium auf Ge(001) führt zu einer Vielzahl unterschiedlicher Nanostrukturen, wie eindimensionalen Drähten unterschiedlicher Breite, Ketten von Fehlstellen in der Germanium Oberfläche und kompakteren Inseln unterschiedlicher Breite und Höhe. STM Topographien der schmalsten Drähte zeigen unterschiedliche Periodizitäten entlang der Drähte für positive und negative Tunnelspannungen. In dI/dV Messungen lässt sich eine kastenförmige Struktur in der Zustandsdichte der Drähte erkennen. Eine mit den Messungen konsistente Erklärung könnte sein, dass die Drähte aus Ge und Dy Atomen bestehen, wobei Dy Atome von Ge Atomen umgeben sind und diese Zellen hintereinander gereiht die schmalsten Drähte bilden

Dysprosium-induced nanowires on Ge(001)
M. Lochner, R. Bienert, U. Kürpick and R. Matzdorf
SURFACE SCIENCE 637, 42, 2015

Auch bei diesem System gibt es noch offene Fragen.

STM-Bild einer Ge(001) Oberfläche mit Dy induzierten Nanostrukturen. Die Nanostrukturen verlaufen senkrecht zu den Ge-Dimerreihen (grün dargestellt).