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Blei-Inseln unterm Mikroskop – Potsdamer Wissenschaftlerin forscht zu quantenmechanischen Eigenschaften von Elektronen

Prof. Dr. Regina Hoffmann-Vogel. Foto: Kirsten Sachse.

Prof. Dr. Regina Hoffmann-Vogel. Foto: Kirsten Sachse.

Potsdamer Physiker beschäftigen sich mit verschiedenen Oberflächen, wie zum Beispiel von Halbleitern. Von besonderem Interesse ist für sie dabei, wie ein Material die Oberfläche eines anderen bedeckt. Wenn Blei-Inseln auf Silizium-Oberflächen so präpariert werden, dass sie nur wenige Atomlagen dick sind, dann sind die Elektronen darin auf sehr kleinem Raum eingeschlossen. Ihre Energie variiert daher nicht mehr kontinuierlich wie in dickeren Inseln. Sie bilden quantenmechanische stehende Wellen. Die quantenmechanischen Energiezustände der Elektronen im Blei entsprechen denen in einem eindimensionalen „Kasten“. Bei Erhöhung der Schichtdicke kommt es zu Energieoszillationen. Bisher konnten Wissenschaftler die genaue Schichtdicke der Blei-Inseln nur auf eine atomare Lage genau bestimmen. Daher war unklar, ob hohe Elektronenenergie zu einer geraden oder ungeraden Anzahl atomarer Lagen gehört. Durch Messungen von elektrostatischen Kräften an der Oberfläche der Blei-Inseln mit der Rasterkraftmikroskopie konnten Forscherinnen und Forscher, unter ihnen Prof. Dr. Regina Hoffmann-Vogel von der Universität Potsdam, nun zeigen, dass die Inseln eine atomare Lage dünner sind als bisher vermutet. Diese neuesten Forschungsergebnisse wurden jetzt im Fachmagazin „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Die neuen Erkenntnisse ermöglichen es, eine weitere Besonderheit der Blei-Inseln auf Silizium besser zu verstehen. Wird Blei auf Silizium aufgedampft, bildet sich zunächst eine gemischte Schicht aus Blei und Silizium, die mehr Blei als reines Blei enthält. Bei weiterem Aufdampfen bilden sich, viel schneller als erwartet, explosionsartig Inseln. Dieses Inselwachstum wird maßgeblich durch die Elektronen bestimmt. Es deutet auf flüssigkeitsartige Diffusion des Bleis hin, selbst bei tiefen Temperaturen, bei denen das Blei längst fest sein sollte. Wissenschaftler diskutieren deshalb die Frage, ob in diesem Fall eine kollektive Diffusion stattfindet. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass ein Teil des Bleis in den Inseln aus dem Silizium-Substrat stammt. Die Gesamtmenge des diffundierten Bleis ist dadurch kleiner als bisher angenommen. Doch selbst unter diesen Umständen legt das Blei bei der explosionsartigen Bildung von Inseln makroskopische Distanzen zurück. „Bei zukünftigen Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop wollen wir herausfinden, ob die lokalen Variationen in der gemischten Schicht zu flüssigkeitsartiger Diffusion des Bleis passen“, sagt Regina Hoffmann-Vogel.

URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.016101
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.016101

Kontakt: Prof. Dr. Regina Hoffmann-Vogel, Institut für Physik und Astronomie
Telefon: 0331 977-5119, E-Mail: hoffmannvogel@uni-potsdam.de
Foto: Prof. Dr. Regina Hoffmann-Vogel (Foto: Kirsten Sachse)

Medieninformation 14-01-2020 / Nr. 005
Prof. Dr. Regina Hoffmann-Vogel, Dr. Barbara Eckardt

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