Graphen auf Titancarbid erzeugt neuartigen Phasenübergang
Graphen-induzierter Lifshitz-Übergang von einer blütenblattförmigen Fermi-Fläche zu einer zahnradförmigen Loch-Fermi-Fläche durch vergleichende vollständige Photoemissionskartierung der Bandstrukturen von blankem TiC(111) und Graphen/TiC(111). © HZB
An der Röntgenquelle BESSY II hat ein Team einen Lifshitz-Übergang in TiC entdeckt, der durch eine Beschichtung mit Graphen hervorgerufen wird. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial von 2D-Materialien wie Graphen und die Auswirkungen, die sie durch Wechselwirkungen im Nahfeld auf benachbarte Materialien haben.
Das Stapeln von 2D-Materialien bietet Optionen, um Materialeigenschaften auf eine kontrollierbare Weise zu verändern. Allerdings ist der Einfluss von 2D-Materialien auf die Eigenschaften benachbarter Materialien durch Proximity-Effekte noch nicht vollständig geklärt. Insbesondere zeigt sich, dass dies Eigenschaften wie Bandlücken in Halbleitern und exzitonischen Eigenschaften beeinflussen kann. Die Fermi-Flächen von Metallen gehören bisher nicht zu den Eigenschaften, die auf einen Annäherungseffekt reagieren.
Die Fermi-Fläche eines Metalls ist ein mathematisches Konzept, das die Elektronen mit der höchsten Energie im Material abbildet. Nur diese Elektronen sind an Eigenschaften wie der elektrischen Leitfähigkeit beteiligt. Ein wichtiger Aspekt der Fermi-Fläche ist, dass sie die Elektronen in Bezug auf die Richtung ihrer Bewegung darstellt.
Die neue Studie von Andrei Varykhalov und seinen Kollegen bei BESSY II zeigt, dass eine Graphenschicht einen Lifshitz-Übergang im oberflächennahen Bereich eines darunter liegenden Metalls, TiC, hervorrufen kann: Die Fermi-Fläche wandelt sich von einer lochartigen zu einer elektronenartigen Fermi-Fläche. Die Änderung der Fermi-Fläche ist besonders relevant, da dies auch die Richtung der Elektronenbewegung und im Magnetfeld auch die Richtung des makroskopischen elektrischen Stroms ändert.
Die Entdeckung eröffnet einen neuen Weg zur Kontrolle und Manipulation der elektronischen Eigenschaften von Materialien. Dies könnte für eine Reihe von technologischen Anwendungen spannend sein, zum Beispiel für die Entwicklung von Materialien mit Quanteneigenschaften wie Hochtemperatur-Supraleitfähigkeit.
- Wie sich Nanokatalysatoren während der Katalyse verändernMit der Kombination aus Spektromikroskopie an BESSY II und mikroskopischen Analysen am NanoLab von DESY gelang es einem Team, neue Einblicke in das chemische Verhalten von Nanokatalysatoren während der Katalyse zu gewinnen. Die Nanopartikel bestanden aus einem Platin-Kern mit einer Rhodium-Schale. Diese Konfiguration ermöglicht es, strukturelle Änderungen beispielsweise in Rhodium-Platin-Katalysatoren für die Emissionskontrolle besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass Rhodium in der Schale unter typischen katalytischen Bedingungen teilweise ins Innere der Nanopartikel diffundieren kann. Dabei verbleibt jedoch der größte Teil an der Oberfläche und oxidiert. Dieser Prozess ist stark von der Oberflächenorientierung der Nanopartikelfacetten abhängig.
- Metalloxide: Wie Lichtpulse Elektronen in Bewegung setzenMetalloxide kommen in der Natur reichlich vor und spielen eine zentrale Rolle in Technologien wie der Photokatalyse und der Photovoltaik. In den meisten Metalloxiden ist jedoch aufgrund der starken Abstoßung zwischen Elektronen benachbarter Metallatome die elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Ein Team am HZB hat nun zusammen mit Partnerinstitutionen gezeigt, dass Lichtimpulse diese Abstoßungskräfte vorübergehend schwächen können. Dadurch sinkt die Energie, die für die Elektronenbeweglichkeit erforderlich ist, so dass ein metallähnliches Verhalten entsteht. Diese Entdeckung bietet eine neue Möglichkeit, Materialeigenschaften mit Licht zu manipulieren, und birgt ein hohes Potenzial für effizientere lichtbasierte Bauelemente.
- Schlüsseltechnologie für eine Zukunft ohne fossile EnergieträgerIm Juni und Juli 2025 verbrachte der Katalyseforscher Nico Fischer Zeit am HZB. Es war sein „Sabbatical“, für einige Monate war er von seinen Pflichten als Direktor des Katalyse-Instituts in Cape Town entbunden und konnte sich nur der Forschung widmen. Mit dem HZB arbeitet sein Institut an zwei Projekten, die mit Hilfe von neuartigen Katalysatortechnologien umweltfreundliche Alternativen erschließen sollen. Mit ihm sprach Antonia Rötger.