Tim Matthias Wagner

• Two-dimensional lattices are in the focus of research in modern solid state physics due to their novel and exotic electronic properties with tremendous potential for seminal future applications. Of particular interest within this research field are quantum spin Hall insulators which are characterized by an insulating bulk with symmetry-protected metallic edge states. For electrons within these one-dimensional conducting channels, spin-momentum locking enables dissipationless transport - a property which promises nothing short of a revolutionTwo-dimensional lattices are in the focus of research in modern solid state physics due to their novel and exotic electronic properties with tremendous potential for seminal future applications. Of particular interest within this research field are quantum spin Hall insulators which are characterized by an insulating bulk with symmetry-protected metallic edge states. For electrons within these one-dimensional conducting channels, spin-momentum locking enables dissipationless transport - a property which promises nothing short of a revolution for electronic devices. So far, however, quantum spin Hall materials require enormous efforts to be realized such as cryogenic temperatures or ultra-high vacuum. A potential candidate to overcome these shortcomings are two-dimensional lattices of the topological semi-metal antimony due to their potential to host the quantum spin Hall effect while offering improved resilience against oxidation. In this work, two-dimensional lattices of antimony on different substrates, namely Ag(111), InSb(111) and SiC(0001), are investigated regarding their atomic structure and electronic properties with complimentary surface sensitive techniques. In addition, a systematic oxidation study compares the stability of Sb-SiC(0001) with that of the two-dimensional topological insulators bismuthene-SiC(0001) and indenene-SiC(0001). A comprehensive experimental analysis of the \((\sqrt{3}\times\sqrt{3})R30^\circ\) Sb-Ag(111) surface, including X-ray standing wave measurements, disproves the proclaimed formation of a buckled antimonene lattice in literature. The surface lattice can instead be identified as a metallic Ag\(_2\)Sb surface alloy. Antimony on InSb(111) shows an unstrained Volmer-Weber island growth due to its large lattice mismatch to the substrate. The concomitant moir\'{e} situation at the interface imprints mainly in a periodic height corrugation of the antimony islands which as observed with scanning tunneling microscopy. On islands with various thicknesses, quasiparticle interference patterns allow to trace the topological surface state of antimony down to the few-layer limit. On SiC(0001), two different two-dimensional antimony surface reconstructions are identified. Firstly, a metallic triangular $1\times1$ lattice which constitutes the antimony analogue to the topological insulator indenene. Secondly, an insulating asymmetric kagome lattice which represents the very first realized atomic surface kagome lattice. A comparative, systematic oxidation study of elemental (sub-)monolayer materials on SiC(0001) reveals a high sensitivity of indenene and bismuthene to small dosages of oxygen. An improved resilience is found for Sb-SiC(0001) which, however, oxidizes nevertheless if exposed to oxygen. These surface lattices are therefore not suitable for future applications without additional protective measures.…
• Zweidimensionale Kristallgitter sind aufgrund ihrer neuartigen, exotischen elektronischen Eigenschaften ein hochaktuelles Thema der modernen Festkörperphysik mit enormen Potential für bahnbrechende zukünftige Anwendungen. Die Klasse der Quanten-Spin-Hall-Isolatoren erfährt in diesem Zusammenhang besondere Aufmerksamkeit in der aktuellen Forschung aufgrund ihrer durch Symmetrie geschützten, metallischen Randkanäle. In diesen ermöglicht das sogenannte "spin-momentum locking" der Elektronen einen verlustfreien Ladungstransport - eine Eigenschaft,Zweidimensionale Kristallgitter sind aufgrund ihrer neuartigen, exotischen elektronischen Eigenschaften ein hochaktuelles Thema der modernen Festkörperphysik mit enormen Potential für bahnbrechende zukünftige Anwendungen. Die Klasse der Quanten-Spin-Hall-Isolatoren erfährt in diesem Zusammenhang besondere Aufmerksamkeit in der aktuellen Forschung aufgrund ihrer durch Symmetrie geschützten, metallischen Randkanäle. In diesen ermöglicht das sogenannte "spin-momentum locking" der Elektronen einen verlustfreien Ladungstransport - eine Eigenschaft, die nichts weniger als eine Revolution auf dem Gebiet der Elektronik verspricht. Bisher konnten Quanten-Spin-Hall-Isolatoren allerdings nur unter enormem Aufwand bei kryogenen Temperaturen oder im Ultrahochvakuum realisiert werden. Eine Materialkandidat welcher es ermöglichen könnte diese Unzulänglichkeit-en zu überwinden, sind zweidimensionale Gitter des topologischen Halbmetalls Antimon. Diese zeigen zum einen eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation und gelten zum anderen als potentielle Kandidaten für die Realisierung eben jenes Quanten-Spin-Hall-Effekts. Im Rahmen dieser Arbeit werden zweidimensionale Antimongitter auf unterschiedlichen Substraten, nämlich Ag(111), InSb(111) und SiC(0001), mit komplementären oberflächensensitiven Messmethoden hinsichtlich ihrer atomaren Struktur und elektronischen Eigenschaften untersucht. Zusätzlich wird mittels einer systematischen Oxydationsstudie die Stabilität von Sb-SiC(0001) mit derjenigen der topologischen Isolatoren Bismuthene-SiC(0001) und Indenene-SiC(0001) verglichen. Eine umfängliche experimentelle Analyse der \((\sqrt{3}\times\sqrt{3})R30^\circ\) Sb-Ag(111) Oberfläche, inklusive stehenden Röntgenwellenfeldern, widerlegt die in der Literatur beschriebene Ausbildung eines gefalteten Antimonene-Gitters. Die Oberflächenstruktur kann stattdessen als metallische Ag\(_2\)Sb Oberflächenlegierung identifiziert werden. Auf InSb(111) zeigt Antimon, bedingt durch den großen Unterschied in der Gitterkonstante, ein unverzerrtes Volmer-Weber Inselwachstum. Die damit einhergehende Moir\'{e} Situation an der Grenzfläche spiegelt sich dabei in einer periodischen Wellung der Oberfläche wieder. Auf Antimon-Inseln unterschiedlicher Dicke kann der topologische Oberflächenzustand mittels Quasi-Teilchen-Interferenzmustern bis hinab auf Schichtdicken von wenigen Atomlagen beobachtet werden. Auf SiC(0001) können zwei unterschiedliche zweidimensionale Oberflächenrekonstruktionen von Antimon identifiziert werden. Zum einen ein metallisches $1\times1$ Dreiecksgitter, dem Antimon-Analogon zum topologischen Isolator Indenene. Zum anderen ein isolierendes asymme-trisches Antimon Kagomegitter - das Erste jemals hergestellte atomare Oberflächengitter mit Kagome-Struktur. Eine vergleichende systematische Oxydationsstudie von elementaren (Sub-)Monolagen-materialien auf SiC(0001) zeigt eine hohe Anfälligkeit von Indenene und Bismuthene gegen-über selbst kleinen Dosen an Sauerstoff. Sb-SiC(0001) zeigt eine deutlich stärkere Oxidationsresistenz, oxidiert aber ebenfalls in Kontakt mit Sauerstoff. Die untersuchten Oberflächengitter sind somit ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen nicht für zukünftige Anwendungen nutzbar.…