Neue Möglichkeiten für die Rastertunnelmikroskopie

Rastertunnelmikroskopie gibt Aufschluss darüber, wie die elektronischen oder magnetischen Eigenschaften eines Materials mit der atomaren Struktur zusammenhängen. In der Regel ist sie jedoch auf die Untersuchung der obersten Atomlage eines Festkörpers beschränkt. Anika Schlenhoff und 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 ultradünne Schicht aus einem magnetischen Material (Eisen) unter einer Graphen-Schicht.

Bei der konventionellen Rastertunnelmikroskopie werden für das Messsignal – den „Tunnelstrom“, der zwischen Messspitze und Probe fließt – 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.

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„Damit eröffnen sich neue Untersuchungsmöglichkeiten“, erläutert 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.“

Wie das Team der Professorin auch zeigte, lassen sich sich mit dieser Methode Informationen zur lokalen Lage der Schichten zueinander erhalten. 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. [U Münster / dre]