Promotionsvortrag von Julian Andreas Hochhaus

Die Entdeckung von Graphen im Jahr 2004 hat großes Forschungsinteresse an weiteren zweidimensionalen Materialien geweckt. Im Besonderen die sogenannten Xene, monoelementare 2D-Gitter aus den schwereren Elementen der Kohlenstoffgruppe, und ihre außergewöhnlichen Eigenschaften sind dabei in den Fokus geraten. Unter diesen gilt Stanen (2D-Zinn) aufgrund seiner starken Spin-Bahn-Kopplung und der vorhergesagten topologischen Eigenschaften, wie etwa des Quanten-Spin-Hall-Effekts, als besonders vielversprechender Kandidat für die Nanoelektronik und Spintronik der nächsten Generation. Die Synthese von hochgeordnetem Stanen bleibt jedoch eine Herausforderung, da die strukturelle Anordnung von Zinn (Sn) äußerst empfindlich gegenüber Substrat und Präparationsparametern ist. Das System Sn/Au(111) ist hierbei als besonders vielversprechend identifiziert worden.

Diese Arbeit präsentiert eine umfassende strukturelle und chemische Analyse des Wachstums von Sn auf Au(111) für Submonolagen-Bedeckungen. Unter Verwendung von Rastertunnelmikroskopie (STM), niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Röntgenphotoelektronenbeugung (XPD) wird eine detaillierte strukturelle und chemische Charakterisierung des Sn/Au(111) Probensystems durchgeführt und insbesondere das komplexe Zusammenspiel zwischen Oberflächenordnung und Grenzflächenstrukturen entschlüsselt. Bei Bedeckungen unterhalb von 0.33 ML zeigt sich eine Entwicklung von chemisch schwach gebundener Sn-Struktur, hin zu einer Au2Sn-Legierung in der obersten Probenlage. Bei einer Bedeckung von 0.28 ML wird eine chemisch entkoppelte (2x2)-Phase beobachtet, welche bisher unbekannt war. Diese wird identifiziert als Vorläufer für das Wachstum einer alpha-Stanen Anordnung, welche der Honigwabenanordnung der Atome im Graphene gleicht. Eine Erhöhung der Bedeckung führt zur Bildung einer langreichweitig geordneten Au2Sn-Oberflächenlegierung. Mithilfe von XPD in Kombination mit einem genetischen Optimierungsalgorithmus wird diese Phase eindeutig als Substitutionslegierung mit einer Rec(26xsqrt(3))-Einheitszelle identifiziert, wodurch bestehende Diskrepanzen in der Literatur bezüglich ihrer atomaren Struktur eindeutig geklärt werden. Bei höheren Bedeckungen bis zu 0.66 ML wird das Wachstum durch das Zusammenspiel zwischen der Grenzflächenlegierung und der Sn-Adlage bestimmt. Für die sogenannte X-Phase, die zuvor in der Literatur sowohl als Honeycomb-Stanen, als auch als AuSn-Legierung interpretiert wurde, liefert diese Arbeit ein völlig neues Strukturmodell. Atomar aufgelöste STM-Messungen zeigen, dass es sich bei der X-Phase tatsächlich um eine die Substratsymmetrie brechende, quadratische Sn-Anordnung handelt, die auf der Au2Sn-Legierung wächst und als Beginn eines beta-Sn(001)-artigen Wachstums interpretiert werden kann. Darüber hinaus wurde eine neue Striped Phase entdeckt, die aus alternierenden Streifen von ultraflachem Honeycomb-Stanen und der quadratischen Sn-Anordnung besteht. Diese Nanoribbon-artigen Strukturen stellen sowohl den ersten experimentellen Nachweis von ultraflachem Stanen auf Au(111) als auch den ersten experimentellen Beleg für Stanen-Nanoribbons dar. Insgesamt liefern die präsentierten Ergebnisse die erste umfassende Übersicht über strukturelle Sn auf Au(111) im Submonolagenbereich. Im Besonderen kann die strukturelle Vielseitigkeit des 2D-Zinns genutzt werden zum Design komplexer zweidimensionaler Strukturen und möglicher zukünftiger topologischer Anwendungen.