A tin story on gold

Abstract

The rise of two-dimensional materials, triggered by the discovery of graphene, has sparked intense interest in Xenes, monoelemental 2D lattices composed of heavier group-IV elements. Among these, stanene (2D tin) is a particularly promising candidate for next-generation nanoelectronics and spintronics due to its strong spin-orbit coupling and predicted topological properties, such as the quantum spin Hall effect. However, the synthesis of high-quality stanene remains challenging, as the structural evolution of tin (Sn) is highly sensitive to the substrate and growth conditions. The Sn/Au(111) system, while promising, has been the subject of conflicting reports in the literature, with disputed structural models for the observed submonolayer Sn arrangements. This thesis presents a comprehensive structural and chemical analysis of submonolayer Sn growth on Au(111), combining Scanning Tunneling Microscopy (STM), Low-Energy Electron Diffraction (LEED), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and X-ray Photoelectron Diffraction (XPD). By correlating chemical state analysis with detailed structural characterization, the complex interplay between surface ordering and interface alloying is resolved. The structural evolution is categorized into two distinct regimes. At coverages below 0.33 ML, Sn adsorption is characterized by weak substrate interactions. A previously unreported, chemically freestanding (2x2) phase is identified at a coverage of 0.28 ML, representing a precursor state for buckled alpha-stanene. Increasing the coverage leads to the formation of a long-range-ordered Au2Sn surface alloy. Using XPD combined with genetic algorithm optimization, this phase is definitively identified as a substitutional alloy with a Rec(26xsqrt(3)) unit cell, resolving long-standing discrepancies in its atomic structure. At higher coverages (up to 0.66 ML), the growth is driven by the interplay between the interface alloy and the Sn adlayer. This work clarifies the nature of the X-phase, previously interpreted as honeycomb stanene or AuSn alloy. Atomically resolved STM reveals that the X-phase is, in fact, a substrate-symmetry-breaking, square-like Sn arrangement growing atop the Au2Sn alloy, interpreted as the onset of beta-Sn (001)-like growth. Furthermore, a novel striped phase was discovered, featuring alternating stripes of ultraflat honeycomb stanene and the square-like Sn arrangement. These nanoribbon-like structures represent the first experimental realization of ultraflat stanene on Au(111) and the first experimental evidence of nanoribbon-like stanene structures. Collectively, these findings provide a comprehensive framework for the submonolayer Sn/Au(111) system, demonstrating its versatility as a platform for realizing diverse low-dimensional structures and laying the groundwork for future topological investigations.

Die Entdeckung von Graphen im Jahr 2004 hat großes Forschungsinteresse an weiteren zweidimensionalen Materialien geweckt. Im Besonderen die sogenannten Xene, monoelementare 2D-Gitter aus den schwereren Elementen der Kohlenstoffgruppe, und ihre außergewöhnlichen Eigenschaften sind dabei in den Fokus geraten. Unter diesen gilt Stanen (2D-Zinn) aufgrund seiner starken Spin-Bahn-Kopplung und der vorhergesagten topologischen Eigenschaften, wie etwa des Quanten-Spin-Hall-Effekts, als besonders vielversprechender Kandidat für die Nanoelektronik und Spintronik der nächsten Generation. Die Synthese von hochgeordnetem Stanen bleibt jedoch eine Herausforderung, da die strukturelle Anordnung von Zinn (Sn) äußerst empfindlich gegenüber Substrat und Präparationsparametern ist. Das System Sn/Au(111) ist hierbei als besonders vielversprechend identifiziert worden. Diese Arbeit präsentiert eine umfassende strukturelle und chemische Analyse des Wachstums von Sn auf Au(111) für Submonolagen-Bedeckungen. Unter Verwendung von Rastertunnelmikroskopie (STM), niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Röntgenphotoelektronenbeugung (XPD) wird eine detaillierte strukturelle und chemische Charakterisierung des Sn/Au(111) Probensystems durchgeführt und insbesondere das komplexe Zusammenspiel zwischen Oberflächenordnung und Grenzflächenstrukturen entschlüsselt. Bei Bedeckungen unterhalb von 0.33 ML zeigt sich eine Entwicklung von chemisch schwach gebundener Sn-Struktur, hin zu einer Au2Sn-Legierung in der obersten Probenlage. Bei einer Bedeckung von 0.28 ML wird eine chemisch entkoppelte (2x2)-Phase beobachtet, welche bisher unbekannt war. Diese wird identifiziert als Vorläufer für das Wachstum einer alpha-Stanen Anordnung, welche der Honigwabenanordnung der Atome im Graphene gleicht. Eine Erhöhung der Bedeckung führt zur Bildung einer langreichweitig geordneten Au2Sn-Oberflächenlegierung. Mithilfe von XPD in Kombination mit einem genetischen Optimierungsalgorithmus wird diese Phase eindeutig als Substitutionslegierung mit einer Rec(26xsqrt(3))-Einheitszelle identifiziert, wodurch bestehende Diskrepanzen in der Literatur bezüglich ihrer atomaren Struktur eindeutig geklärt werden. Bei höheren Bedeckungen bis zu 0.66 ML wird das Wachstum durch das Zusammenspiel zwischen der Grenzflächenlegierung und der Sn-Adlage bestimmt. Für die sogenannte X-Phase, die zuvor in der Literatur sowohl als Honeycomb-Stanen, als auch als AuSn-Legierung interpretiert wurde, liefert diese Arbeit ein völlig neues Strukturmodell. Atomar aufgelöste STM-Messungen zeigen, dass es sich bei der X-Phase tatsächlich um eine die Substratsymmetrie brechende, quadratische Sn-Anordnung handelt, die auf der Au2Sn-Legierung wächst und als Beginn eines beta-Sn(001)-artigen Wachstums interpretiert werden kann. Darüber hinaus wurde eine neue Striped Phase entdeckt, die aus alternierenden Streifen von ultraflachem Honeycomb-Stanen und der quadratischen Sn-Anordnung besteht. Diese Nanoribbon-artigen Strukturen stellen sowohl den ersten experimentellen Nachweis von ultraflachem Stanen auf Au(111) als auch den ersten experimentellen Beleg für Stanen-Nanoribbons dar. Insgesamt liefern die präsentierten Ergebnisse die erste umfassende Übersicht über strukturelle Sn auf Au(111) im Submonolagenbereich. Im Besonderen kann die strukturelle Vielseitigkeit des 2D-Zinns genutzt werden zum Design komplexer zweidimensionaler Strukturen und möglicher zukünftiger topologischer Anwendungen.