Die Forschenden untersuchten dafür ein hybrides System aus einer ultradünnen magnetischen Eisenschicht, die von einer zweidimensionalen Graphen-Schicht bedeckt war.

Resonante Messvariante liefert neue Informationen

Bei der klassischen Rastertunnelmikroskopie wird der sogenannte Tunnelstrom, das elektrische Signal zwischen Messspitze und Probe, über elektronische Zustände auf der Oberfläche der Probe erzeugt.

Anders bei der resonanten Variante, die das Team aus Münster einsetzte: Hier werden Zustände analysiert, die sich vor der Oberfläche befinden.

Was zunächst widersprüchlich erscheint, ist physikalisch fundiert und bereits länger bekannt: Diese voroberflächlichen Zustände erlauben es, elektronischen Ladungstransfer an Grenzflächen im Inneren der Probe zu untersuchen.

Neu ist nun der Nachweis, dass sich mit diesen Zuständen auch die lokalen magnetischen Eigenschaften einer von Graphen bedeckten Eisenschicht sichtbar machen lassen.

Der Grund: Die elektronischen Zustände reichen unter das Graphen in die Probe hinein, dringen bis zur magnetischen Schicht vor und werden durch die Wechselwirkung mit dem Eisen selbst magnetisch.

Hohe Auflösung bis in atomare Bereiche

„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.“

Einblicke in lokale Stapelfolgen

Darüber hinaus zeigte das Team, dass sich mit der neuen Methode Informationen zur lokalen Lage der Schichten zueinander gewinnen lassen. So variiert die Position der Kohlenstoffatome des Graphens im Verhältnis zu den Eisenatomen darunter – es treten unterschiedliche Stapelfolgen auf.

„Die Unterschiede in der vertikalen Stapelfolge konnten für dieses Materialsystem mit der konventionellen Rastertunnelmikroskopie bislang nicht aufgelöst werden“, betont Maciej Bazarnik. Nun zeigte sich: Die elektronischen Zustände vor der Oberfläche, die in der resonanten RTM genutzt werden, reagieren sehr empfindlich auf diese Stapelfolgen und machen sie dadurch sichtbar.

Originalpublikation:
Bazarnik, M., & Schlenhoff, A. (2025). Image-potential states on a 2D Gr–ferromagnet hybrid: Enhancing spin and stacking sensing. ACS Nano. Advance online publication. DOI: 10.1021/acsnano.5c04475

Quelle: Universität Münster