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Neuer Preprint über Unsupervised Machine Learning auf diversen Messdaten

Bereits seit einigen Jahren beschäftigen wir uns in unserer Forschungsgruppe mit Ansätzen, um experimentelle Daten automatisiert und vor allem unvoreingenommen auswerten zu können. In der Vergangenheit waren Anton Vladyka und Maria El Abbassi hier treibende Kräfte.

Mein Kollege Mickael Perrin hat diese Bemühungen zum Anlass genommen einen generalisierten Ansatz für verschiedenste Typen von Messdaten zu entwickeln und einen umfangreichen Benchmark verschiedener Algorithmen vorzunehmen. Gemeinsam haben wir diesen insbesondere auch auf Datensätze aus der Ramanspektroskopie angewendet.

Unsere Diskussion der verschiedenen Methoden zur Dimensionalitätsreduktion, zum Clustern und Validieren können im folgenden Preprint nachgelesen werden: https://arxiv.org/abs/2004.14271
Wir freuen uns über feedback!

Wie die Geometrie Materialeigenschaften bestimmt

Für Manche mag es eine triviale Erkenntnis sein, dass nicht allein die (atomaren) Bausteine der Materie ihre Eigenschaften bestimmen; Wichtig ist zudem die Anordnung und Bindung zwischen diesen Bausteinen, um zu verstehen was die Welt… – Beispiel Kohlenstoff: Ordnet man diesen mit vier Nachbarn (ebenfalls Kohlenstoff) in dessen sp3-hybridisierter Form an, erhält man Diamat, bei nur drei Nachbarn (man spricht von sp2-hybridisierung) in einem Bienenwabenmuster, erhält man Graphit (mehrere Schichten, man kennt dies aus der Bleistiftmine) oder Graphen – genau eine Lage Kohlenstoff in sechseckiger Anordnung.

Graphen Nanobändchen (GNRs) sind nun Streifen solch hexagonal angeordneter Kohlenstoffatome, an deren Rändern sich typischerweise noch einige Wasserstoffatome als Endgruppen befinden.
Das Interesse an diesen immer noch vermeintlich simplen Strukturen beruht auf der Vielzahl an Varianten und vor allem den daraus resultierenden Materialeigenschaften, die sich innerhalb dieses Spielraums (sp2-Kohlenstoff mit Wasserstoff am Rand) ergeben.

In einer kürzlich unter Führung meines Kollegen Qiang Sun veröffentlichten Arbeit beschreiben wir die faszinierenden Eigenschaften von GNRs aus aneinandergereihten Pyren-Einheiten. Diese besitzen eine überraschend kleine elektrische Bandlücke und verhalten sich damit fast wie Metalle. Wir konnten nachweisen, das die Struktur dieser GNRs auch bei deren Einbau in Nanotransistoren weitgehend intakt bleibt. Elektrische Messungen bei sehr niedrigen Temperaturen (ca. -260°C) erlauben es dann die verbleibende Bandlücke zu beobachten, womit dieses Material besser in die Kategorie Halbleiter als Metall einzuordnen ist.

Sun, Q., Gröning, O., Overbeck, J., Braun, O., Perrin, M. L., Borin, G., El, M., Eimre, K., Ditler, E., Daniels, C., Meunier, V., Pignedoli, C. A., Calame, M., Fasel, R., Ruffieux, P., Massive Dirac Fermion Behavior in a Low Bandgap Graphene Nanoribbon Near a Topological Phase Boundary. Adv. Mater. 2020, 32, 1906054. https://doi.org/10.1002/adma.201906054

Ramanspektroskopie bestätigt Ordnung auf der Nanoskala

Nanoribbons (GNRs) sind eine neue Klasse von quasi-eindimensionalen Leitern, die nur ein Atom dick, wenige Atome breit (ca. 1 nm) und (aktuell) einige 10 nm lang sind. Nach der Synthese auf Goldsubstraten im Ultrahochvakuum erhält man Filme von einigen Quadratmillimetern Größe. Je nach Oberflächenstruktur dieser Substrate können dabei die einzelnen GNRs im Film zufällig angeordnet oder parallel ausgrichtet sein.
Im letzteren Fall, lassens sich polarisationsabhängige optische Messmethoden entwickeln, um die Eigenschaften dieser GNR-Filme großflächig zu untersuchen.
Ramanspektroskopie ist eine relativ gut etablierte Technik mit der sich – ebenfalls über die Polarisation des Anregungslasers – die Richtung und der Grad der parallelen Ausrichtung von GNRs und anderen länglichen Nanostrukturen bestimmen lässt, und dies noch auf einer Vielzahl unterschiedlicher Untergründe.
Daher haben wir diese Methode gewählt um Proben von 7 Atome breiten GNRs auf ihrem Goldsubstrat und nach einem Transfer auf einen Glaßuntergrund zu charakterisieren. Danach konnten unsere Kooperationspartner von der University of Berkeley zeigen, dass sie mittels polarisationsabhängiger Absorptionsspektroskopie an dieser Monolage GNRs deren optische Bandlücke überprüfen können. Glückwunsch Sihan!

Sihan Zhao, Gabriela Borin Barin, Ting Cao, Jan Overbeck, Rimah Darawish, Tairu Lyu, Steve Drapcho, Sheng Wang, Tim Dumslaff, Akimitsu Narita, Michel Calame, Klaus Müllen, Steven G. Louie, Pascal Ruffieux, Roman Fasel, and Feng Wang. Optical Imaging and Spectroscopy of Atomically Precise Armchair Graphene Nanoribbons. Nano Letters 2020, 20 (2), 1124-1130 DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04497

Optimiertes Chipdesign für Ramanspektroskopie von Graphen Nanobändern

Graphen Nanobänder (englisch: nanoribbons, GNRs) sind der momentane Fokus meiner Arbeit, wobei insbesondere die Ramanspektroskopie eine große Rolle bei der Charakterisierung der Materialeigenschaften und -qualität spielt.

Die GNRs werden im ultrahochvakuum aus Vorläufermolekülen synthetisiert und müssen danach zur elektrischen Charakterisierung auf einen Siliziumchip mit nanostrukturierten Kontaktelektroden transferiert werden. Da die Herstellung dieser Chips recht aufwändig ist, möchten wir routinemäßig sicherstellen, dass die darauf aufgebrachten GNRs die gewünschte Qualität haben und dass wir dies nach dem Transfer unabhängig von den elektrischen Eigenschaften überprüfen können. Hierfür verwenden wir Ramanspektroskopie, womit wir anhand des spektroskopischen Fingerabdrucks präzise Informationen über die Struktur der GNRs bekommen können – insbesondere auch auf isolierenden untergründen und ohne Vakuum.

Um diese Technik routinemäßig auf allen Chips anwenden zu können, verwenden wir eine für konstruktive Interferenz optimierte Schichtfolge von Materialien zur maximierung des Raman-Signals. Diese verbindet zudem die technologischen Vorteile von weit verbreiteten Siliziumchips ohne deren störendes Hintergrundsignal, was es erlaubt sonst überlagerte aber besonders aussagekräftige Raman-Moden zu betrachten.

Eine detaillierte Beschreibung dieses Ansatzes sowie optimierter Messroutinen haben wir kürzlich veröffentlicht:

Overbeck, J., Borin Barin, G., Daniels, C., Perrin, M.L., Liang, L., Braun, O., Darawish, R., Burkhardt, B., Dumslaff, T., Wang, X., Narita, A., Müllen, K., Meunier, V., Fasel, R., Calame, M. and Ruffieux, P. (2019), Optimized Substrates and Measurement Approaches for Raman Spectroscopy of Graphene Nanoribbons. Phys. Status Solidi B, 256: 1900343. doi:10.1002/pssb.201900343
Der Preprint findet sich auf arXiv: https://arxiv.org/abs/1907.01797

Längenabhängige Mode in Graphene Nanoribbons

Graphen Nanobändchen (GNR) sind quasi-eindimensionale Kohlenstoff-basierte Materialien, die im Ultrahochvakuum aus Molekülen synthetisiert werden können. Dank dieser Strategie erhält man GNRs mit einer präzisie bis auf das letzte Atom definierten Breite und Randstruktur. Die Länge dieser GNRs ist statistisch verteilt und wird von den Syntheseparametern beeinflusst und ist von größter Relevanz dafür, dass ihre neuartigen elektronischen Eigenschaften in funktionierenden Schaltkreisen erforscht werden können. In dieser Veröffentlichung beschreiben wir, wie Raman Spektroskopie dazu benutzt werden kann, Informationen über die Länge von GNRs zu bekommen sowie deren Interaktion mit der Umgebung zu erforschen.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b05817

Kontrolliertes Dehnen von 2D-Heterostrukturen

Graphen ist in vielerlei Hinsicht ein faszinierendes Material: 1-Atom-dick, gut leitend, fast durchsichtig. Es ist außerdem, solange es wenig Defekte aufweist, sehr stabil – zumindest, auf sein Volumen und Masse bezogen, was schon zu spannenden Vergleichen geführt hat.

Eine eingefärbte Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer frei hängenden Graphen-Membran (hellblau) zwischen zwei Platin-Elektroden (grau). Die Elektroden werden durch eine 700 nm dicke, isolierende Polymerschicht von der darunter liegenden, goldenen Gate-Elektrode getrennt. J.O. 2016.

Um die puren mechanischen Eigenschaften von Graphen zu untersuchen, sind Messungen in frei hängender Geometrie (siehe oben) von Vorteil, da so Unsicherheiten durch evtl. ungleichmäßige Haftreibung am Substrat vermieden werden können.
Zur Erforschung der elektrischen Eigenschaften als Funktion der Dehnung ist es hingegen von Vorteil, das Graphen zwischen zwei Lagen isolierendem Bornitrid einzubetten, wie wir in einer kürzlich publizierten Arbeit beschreiben. Herzlichen Glückwunsch, Lujun!

Wang, L.; Zihlmann, S.; Baumgartner, A.; Overbeck, J.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Makk, P.; Schönenberger, C. (2019): In Situ Strain Tuning in hBN-Encapsulated Graphene Electronic Devices. Nano letters 19, 4097–4102; doi: 10.1021/acs.nanolett.9b01491.

Kleines Rhetorikseminar

Ich habe mal wieder eine Entdeckung im Frühstücks-Radio gemacht: Eine Besprechung der Reden Barack Obamas’ im Verlauf seiner Präsidentschaft. Insbesondere die Analyse, wie sich die Form der Reden zum Thema Waffengesetze mit fortschreitender Resignation im Laufe seiner Präsidentschaft verändert hat, finde ich sehr spannend; subjektiv war mir der veränderte Ton der Reden aufgefallen, dass sich dies auch objektivieren lässt ist zwar nicht wirklich überraschend, aber dennoch interessant.

Große Reden, große Redner? (2/3) – Obamas Reden: Politik als Storytelling

Resultate meiner Diplomarbeit bei ACS Nano

Im April 2013 habe ich meine Diplomarbeit in Physik in der Arbeitsgruppe von Prof. Alexander Holleitner beendet. Die Resultate haben wir im September 2015 im Journal ACS Nano publiziert:
Photocurrents in a Single InAs Nanowire/Silicon Heterojunction

Andreas Brenneis, Jan Overbeck, Julian Treu, Simon Hertenberger, Stefanie Morkötter, Markus Döblinger, Jonathan J. Finley, Gerhard Abstreiter, Gregor Koblmüller, and Alexander W. Holleitner ACS Nano 20159 (10), 9849-9858, doi: 10.1021/acsnano.5b03017

Hierbei ging es um die Untersuchung von elektrischen Strömen, die – ähnlich wie in einer Solarzelle – durch beleuchten eines Halbleiters mit Laserlicht erzeugt werden. Bei dem Halbleiter handelt es sich um einen einzelnen Nanodraht aus dem III-V Halbleiter Indiumarsenid, der auf einem kommerziellen Siliziumsubstrat integriert wurde. Dieser Typ Halbleiter hat eine sogenannte direkte Bandlücke, welche darüber hinaus besonders klein ist. Diese Eigenschaft macht ihn nicht nur als Bestandteil zukünftiger elektronischer Bauteile interessant, sondern lässt dieses Materialsystem auch als Kandidaten für Komponenten in zukünftigen opto-elektronischen Schaltkreisen erscheinen. In diesem Zusammenhang habe ich in meiner Arbeit untersucht, wie Photoströme am Übergang von Siliziumwafer zu Nanodraht entstehen bzw. von diesem beeinflusst werden.