Nowa metoda syntezy germanenu

Opis projektu

Germanen to dwuwymiarowy materiał o strukturze krystalograficznej podobnej do grafenu. Posiada on pasma elektronowe o liniowej dyspersji co jest dowodem na obecność fermionów Diraca [1]. Ze względu na hybrydyzację typu sp3 występującą w germanenie, materiał ten tworzy strukturę typu plastra miodu, w której dwie heksagonalne podsieci są względem siebie przesunięte w kierunku prostopadłym do jego powierzchni. Ta cecha pozwala na łatwe otwieranie przerwy energetycznej poprzez przyłożenie zewnętrznego pola elektrycznego, co nie jest możliwe w przypadku grafenu. Daje to potencjalne możliwości wytworzenia nowej klasy szybkich urządzeń elektronicznych.

W ostatnim czasie dowiedziono, że germanen można utworzyć nanosząc atomy Ge na powierzchnię monokryształu Au(111) [1]. Co więcej, na podłożu wykonanym z Au(111) materiał ten zachowuje swoją najważniejszą cechę jaką jest występowanie pasm o liniowej dyspersji w strukturze elektronowej [1, 2]. Procesowi wzrostu germanenu na Au(111) towarzyszy silna dyfuzja atomów Ge wgłąb monokryształu złota [3]. Atomy te mogą następnie segregować na powierzchnię monokryształu Au po jego podgrzaniu [3]. Można jednak pomyśleć o takiej modyfikacji procedury wytwarzania germanenu, aby procesy dyfuzji stały się czynnikiem sprzyjającym – co było inspiracją do przygotowania niniejszego wniosku.

Zasadnicza idea dotycząca nowej metody syntezy germanenu polega na wykorzystaniu procesu segregacji Ge w złocie. Jednak w przeciwieństwie do badań prowadzonych przez Davila i współpracowników [1], materiał ten byłby wytwarzany na powierzchni warstwy Au o grubości rzędu 10 warstw atomowych osadzonej na powierzchni Ge(111). W takim układzie procesy segregacji Ge zachodzące w podwyższonej temperaturze mogą doprowadzić do utworzenia germanenu bez konieczności bezpośredniego nanoszenia Ge na powierzchnię próbki. Podobne zjawisko zostało zaobserwowane wcześniej w przypadku ultracienkich warstw złota osadzanych na podłożu Si(111), gdzie w odpowiednich warunkach możliwe jest utworzenie silicenu [4].

Celem projektu jest wykonanie badań nad układem Au/Ge(111) w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS przy linii PEEM/XAS. Badania będą prowadzone przy pomocy techniki PEEM w ramach czasu badawczego, którym dysponuje zespół prof. Józefa Koreckiego dzięki nawiązanej uprzednio współpracy. Plan badawczy obejmuje wykonanie pomiarów PEEM w zakresie energii fotoelektronów odpowiadającej stanom elektronowym atomów Ge. Takie obrazo wanie próbki w postaci warstw złota osadzonych na powierzchni Ge(111) pozwoli na zlokalizowanie obszarów, w których gromadzą się atomy germanu. Ponieważ technika PEEM pozwala na obserwację powierzchni w czasie rzeczywistym, możliwa jest rejestracja dynamicznych procesów zachodzących podczas wygrzewania podłoża.

Badania te mają na celu lepsze zrozumienie procesów odpowiadających za dyfuzję atomów Ge w warstwie Au. Wyniki, które można uzyskać przy wykorzystaniu stacji badawczej PEEM pozwolą na zaplanowanie dalszych badań nad układem Germanen/Au/Ge(111). Kolejnym etapem może być określenie struktury krystalograficznej oraz elektronowej przy pomocy skaningowej mikroskopii tunelowej (STM) oraz kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoelektronów (ARPES). Badania takie mogą być w przyszłości realizowane w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej, będzie to jednak wymagało modyfikacji posiadanej obecnie aparatury. Z tego powodu planowane jest dalsze ubieganie się o środki Narodowego Centrum Nauki w ramach kolejnych konkursów granatowych.

Literatura

[1] M. E. Dávila, G. Le Lay, Few layer epitaxial germanene: a novel two-dimensional Dirac material, Sci. Rep. 6, 20714 (2016).

[2] N. B. M. Schröter, M. D. Watson, L. B. Duffy, M. Hoesch, Y. Chen, T. Hesjedal, T. K. Kim, Emergence of Dirac-like bands in the monolayer limit of epitaxial Ge films on Au(111), 2D Mater. 4, 031005 (2017).

[3] E. D. Cantero, L. M. Solis, Y. Tong, J. D. Fuhr, M. L. Martiarena, O. Grizzi, E. A. Sánchez, Growth of germanium on Au(111): Formation of germanene or intermixing of Au and Ge atoms?, Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 18580 (2017).

[4] M. Kopciuszyński, Struktura elektronowa ultacienkich warstw Au na powierzchni Si, Rozprawa doktorska (2015).