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Münster (upm/ch).
Die Abbildung zeigt den magnetischen Zustand vor der Oberfläche mittels seiner schematisch skizzierten Wellenfunktion (grüne Schlangenlinie), die unter das Graphen (dunkelgraue kleine Kugeln) bis zum magnetischen Eisen (blaue Kugeln) eindringt. Aus der magnetischen Rastertunnel-Spitze „tunneln“ Elektronen (gelbe kleine Kugeln) in diesen Zustand. Die grünen Pfeile deuten den Elektronenspin an, eine quantenmechanische Eigenschaft der Elektronen, die mit den magnetischen Eigenschaften zusammenhängt.<address>© ACS – AG Schlenhoff</address>
Die Abbildung zeigt den magnetischen Zustand vor der Oberfläche mittels seiner schematisch skizzierten Wellenfunktion (grüne Schlangenlinie), die unter das Graphen (dunkelgraue kleine Kugeln) bis zum magnetischen Eisen (blaue Kugeln) eindringt. Aus der magnetischen Rastertunnel-Spitze „tunneln“ Elektronen (gelbe kleine Kugeln) in diesen Zustand. Die grünen Pfeile deuten den Elektronenspin an, eine quantenmechanische Eigenschaft der Elektronen, die mit den magnetischen Eigenschaften zusammenhängt.
© ACS – AG Schlenhoff

Neue Möglichkeiten für die Rastertunnelmikroskopie

Ein Blick unter die Oberfläche: Forschungsteam der Universität Münster macht verborgene strukturelle und magnetische Eigenschaften sichtbar

Um zu verstehen, wie die elektronischen oder magnetischen Eigenschaften eines Materials mit der atomaren Struktur zusammenhängen, nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Rastertunnelmikroskopie. In der Regel sind sie damit auf die Untersuchung der obersten Atomlage eines Festkörpers beschränkt. Prof. Dr. Anika Schlenhoff und Postdoktorand Dr. Maciej Bazarnik vom Physikalischen Institut der Universität Münster ist es nun jedoch erstmals gelungen, mit einem veränderten Messverfahren strukturelle und magnetische Eigenschaften abzubilden, die unter der Oberfläche liegen. Das Team untersuchte eine ultra-dünne Schicht aus einem magnetischen Material (Eisen) unter einer zweidimensionalen Graphen-Schicht.

Bei der konventionellen Rastertunnelmikroskopie werden für das Messsignal (den „Tunnelstrom“, der zwischen Messspitze und Probe fließt) sogenannte elektronische Zustände auf der Probenoberfläche genutzt. Bei der resonanten Messvariante dagegen, die das Team einsetzte, werden Zustände untersucht, die sich vor der Oberfläche befinden. Scheinbar widersprüchlich, aber schon länger bekannt: Diese besonderen Zustände können genutzt werden, um einen elektronischen Ladungstransfer an verborgenen Grenzflächen im Inneren der Probe zu untersuchen. Wie sich jetzt zeigte, können sie auch helfen, die lokalen magnetischen Eigenschaften eines von Graphen bedeckten Eisenfilms zu detektieren. Der physikalische Grund hierfür ist, dass die vor der Oberfläche liegenden elektronischen Zustände unter das Graphen in die Probe bis zur magnetischen Eisenschicht eindringen und durch die Wechselwirkung mit dem Eisen selbst magnetisch werden.

Neben der Abbildung der Probenoberfläche sieht man zwei Mikroskopbilder. Die obere Abbildung zeigt einen Kontrast zwischen Probenpositionen mit verschiedenen Stapelfolgen, die untere zeigt eine Karte der lokalen Spin-Polarisation, die auf die Spin-Dichte an der verborgenen Grenzschicht zurückzuführen ist.<address>© ACS – AG Schlenhoff</address>
Neben der Abbildung der Probenoberfläche sieht man zwei Mikroskopbilder. Oben: Kontrast zwischen Probenpositionen mit verschiedenen Stapelfolgen; unten: eine Karte der lokalen Spin-Polarisation, die auf die Spin-Dichte an der verborgenen Grenzschicht zurückzuführen ist.
© ACS – AG Schlenhoff
„Damit eröffnen sich neue Untersuchungsmöglichkeiten“, erläutert Anika Schlenhoff. „Wir können nun mit demselben Rastertunnelmikroskop die oberste Lage eines geschichteten Systems und eine darunterliegende verborgene Grenzschicht im Hinblick auf ihre strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften untersuchen. Beide Lagen können wir mit einer einzigartig hohen Ortsauflösung analysieren, die bis in den Bereich der atomaren Abstände reicht.“

Das Team zeigte auch, dass sich mit seiner Methode Informationen zur lokalen Lage der Schichten zueinander erhalten lassen. So variiert die Position der Kohlenstoffatome des Graphen zu den darunterliegenden Eisenatomen lokal – es gibt unterschiedliche Stapelfolgen. „Die Unterschiede in der vertikalen Stapelfolge konnten für dieses Materialsystem mit der konventionellen Rastertunnelmikroskopie bislang nicht aufgelöst werden“, betont Maciej Bazarnik. Wie sich nun herausstellte, hängen die Zustände vor der Oberfläche, die in der resonanten Rastertunnelmikroskopie genutzt werden, empfindlich von der Stapelfolge ab und erlauben so, diese Unterschiede sichtbar zu machen.

 

Originalveröffentlichung

Maciej Bazarnik, Anika Schlenhoff (2025): Image-Potential States on a 2D Gr–Ferromagnet Hybrid: Enhancing Spin and Stacking Sensing; ACS Nano (online first); DOI: 10.1021/acsnano.5c04475

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