Graphen auf Titancarbid erzeugt neuartigen Phasenübergang

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.