Eine neue Studie der TU Chemnitz hat bedeutende Fortschritte im Verständnis der Phasenübergänge in zweidimensionalen Schichten von Blei erzielt. Das Forschungsteam, geleitet von Dr. Philip Schädlich und unterstützt von Prof. Dr. Thomas Seyller sowie Sibylle Gemming, hat seine Erkenntnisse in der Fachzeitschrift „Small Structures“ veröffentlicht. Diese Forschung findet im Rahmen der DFG-Forschungsgruppe FOR 5242 statt, die sich mit den Korrelationseffekten in niedrigdimensionalen Strukturen befasst.

Das Hauptaugenmerk liegt auf der Dynamik der Blei-Interkalation an der Grenzfläche zwischen Graphen und Siliziumkarbid. Die Ergebnisse dieser Studie sollen nicht nur die Synthese und die Qualität der Schichten verbessern, sondern auch die Reproduzierbarkeit der Materialien erhöhen, die für die Grundlagenforschung von Quantenmaterialien im Quantencomputing von entscheidender Bedeutung sind.

Forschungsschwerpunkte

Die Forscher kombinieren experimentelle Daten mit Dichtefunktionaltheorie (DFT) zur Analyse der Materialien. Ein wichtiges Ergebnis der Untersuchung ist die Erkenntnis, dass die Bleischicht Ladungen aufnehmen kann, was eine Ladungsneutralität im Graphen gewährleistet. Die Kontrolle über die Struktur der interkalierten Bleischicht erweist sich als entscheidend, da die Anzahl der Phasen mit zunehmender Prozesstemperatur wächst. Eine erfolgreiche Temperaturschlüsselstudie zeigt die Phasenübergänge und die Bildung von Domänengrenzen in der Bleischicht.

Zusätzlich stellt die Forschung detaillierte strukturelle Daten zur Verfügung, die Vorhersagen über die elektronische Bandstruktur in DFT-Rechnungen ermöglichen. Diese Erkenntnisse könnten neue Wege zur gezielten Manipulation von 2D-Materialien eröffnen, um exotische Effekte wie Supraleitung und den Quanten-Halleffekt zu erforschen.

Langfristige Ziele und Bedeutung der Forschung

Die DFG-Forschungsgruppe FOR 5242 hat über vier Millionen Euro an Fördermitteln erhalten, um die oben genannten Ziele weiter zu verfolgen. Die entdeckten Mechanismen sind auch für die aktuellen Entwicklungen in der Spintronik von Bedeutung. Die Spintronik befasst sich mit der Nutzung der magnetischen Momente der Elektronen zur Entwicklung energieeffizienter Datenverarbeitungstechnologien, was angesichts des steigenden Energieverbrauchs moderner IT- und Kommunikationssysteme immer relevanter wird Helmholtz-Berlin.

Die Technologien in der Spintronik, die auf den Eigenschaften von Materialien wie Graphen in Kombination mit Schwermetall-Dünnschichten und ferromagnetischen Monolagen basieren, könnten ein Durchbruch für spintronische Bauelemente darstellen. Elektronenbewegung wird hierbei nicht benötigt, was den Energiebedarf senkt und die Wärmeentwicklung minimiert. Ein langfristiges Ziel dieser Forschung besteht darin, Phasenübergänge und Ordnungszustände zu kontrollieren, die für zukünftige Anwendungen in der schnellen und effizienten Datenverarbeitung entscheidend sein könnten.

Die Publikation „Large-Area Lead Monolayers under Cover: Intercalation, Doping, and Phase Transformation“ beschreibt diese bedeutenden Fortschritte und kann unter DOI: 10.1002/sstr.202400338 eingesehen werden.