Investigation of 2D materials using low energy electron microscopy (LEEM)

Yin, Hao; Kumpf, Christian; Mayer, Joachim

doi:10.18154/RWTH-2025-07835

Investigation of 2D materials using low energy electron microscopy (LEEM)

Yin, Hao^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeHao Yin

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-95806-848-3

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Information = Information ; 115

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Druckausgabe: 2025. - Onlineausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kumpf, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Mayer, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-07835
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1018412/files/1018412.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
hydrogene intercalation (frei) ; low energy electron microscopy (LEEM) (frei) ; twisted bilayer graphene (TBG) (frei) ; unconventionally oriented epitaxial graphene (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die niederenergetische Elektronenmikroskopie (LEEM), die Elektronen mit kinetischen Energien unter einigen hundert Elektronenvolt, oft sogar unter 10 eV, verwendet, ist ein vielseitiges und leistungsfähiges Werkzeug der Oberflächenwissenschaft für Bildgebung, Strukturanalyse und das Studium dynamischer Oberflächenprozesse wie dem Wachstum von Molekülinseln, dünnen Filmen und Oberflächenrekonstruktionen. In dieser Arbeit dient LEEM als Hauptmethode für unsere Forschungsbemühungen zur Herstellung von 30◦-verdrehtem zweilagigem Graphen (TBG) sowie zur Untersuchung des Adsorptions- und Desorptionsverhaltens eines zyklischen, reifenförmigen Moleküls auf einem Metallkristall. Die ersten beiden Themen dieser Arbeit bauen auf früheren Arbeiten unserer Gruppe auf, die das epitaktische Wachstum von unkonventionell orientiertem Monolagen-Graphen auf einem 6H-SiC(0001)-Substrat demonstrieren. Im ersten Thema wurden LEEM und andere Untersuchungsmethoden eingesetzt, um die Morphologie und die elektronischen Eigenschaften dieses unkonventionell orientierten Monolagen-Graphens zu charakterisieren, wobei der Einfluss der Herstellungstemperatur auf die resultierende Graphenprobe hervorgehoben wird. Im zweiten Thema haben wir die Herstellung von zweilagigem Graphen durch Wasserstoffinterkalation unter der Kohlenstoffpufferschicht, einer intrinsischen Komponente zwischen dem epitaktischen Graphen und dem SiC-Substrat, erreicht und untersucht. Wasserstoffatome wurden erfolgreich interkaliert, um die Pufferschicht vom Substrat zu entkoppeln und sie in eine echte Graphenschicht mit charakteristischen π-Band-Eigenschaften zu verwandeln, was zusammen mit der darüber liegenden ersten Graphen Lage zu einem (verdrehten) Bilagensystem führt. Dieser Interkalationsprozess wurde schrittweise durchgeführt, wobei jede Stufe mit LEEM untersucht wurde. Der Deinterkalationsprozess wurde ebenfalls in Echtzeit überwacht, was tiefere Einblicke in die Mechanismen der Wasserstoff-Interkalation und -Deinterkalation ermöglichte. Zusätzlich zu reinen zweidimensionalen Graphenschichten untersucht das dritte Thema der Dissertation das Ablagerungsverhalten eines kohlenstoffbasierten, zyklischen, aromatischen Moleküls, [6]-Cycloparaphenylene, unter Verwendung von LEEM. Interessanterweise widersprachen unsere Beobachtungen früheren Ergebnissen, die mit der Rastertunnelmikroskopie gewonnen wurden, und lieferten neue Einblicke in das Ablagerungsverhalten von Molekülen auf Oberflächen.

Low-energy electron microscopy (LEEM) is a versatile and powerful surface science tool for imaging, structural analysis and the study of kinetic surface processes such as molecular island growth, thin film growth and surface reconstruction. It uses electrons with kinetic energies below a few hundred electronvolts, often below 10 eV. In this thesis, LEEM serves as the main technique to support our research efforts in fabricating 30◦-twisted bilayer graphene (TBG) and in studying the deposition and degradation behavior of a cyclic, tire-shaped molecules on a metal crystal. The first two topics of this thesis build on previous work from our group that demonstrated the epitaxial growth of unconventionally oriented monolayer graphene on a 6H-SiC(0001) substrate. In the first topic, LEEM and other investigation methods were used to characterize the morphology and electronic properties of such unconventionally oriented monolayer graphene. The effect of the preparation temperature on the resulting graphene sample was highlighted. In the second topic, we achieved and studied bilayer stacking and twist configurations of graphene by hydrogen intercalation of the carbon buffer layer, an intrinsic component between the epitaxial graphene and the SiC substrate. Hydrogen atoms were successfully introduced to decouple the buffer layer from the substrate. The buffer layer was transformed into a true graphene layer with distinct π-band properties. This intercalation process was carried out in a stepwise manner, with LEEM being used to study each step. The deintercalation process was monitored in situ and in real time. This provided deeper insights into the mechanisms of hydrogen intercalation and deintercalation. In the third topic of the thesis, the deposition behavior of a carbon-based cyclic aromatic molecule, [6]-cycloparaphenylenes, is investigated using LEEM in addition to pristine 2D graphene layers. Interestingly, our observations contradict previous results obtained by scanning tunneling microscopy. This provides new insights into the deposition behavior of this type of molecules on surfaces.

OpenAccess:
PDF
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