Towards high-quality decoupled graphene heterostructures

Hutter, Mark; Tautz, Stefan; Gottfried, J. Michael

doi:urn:nbn:de:hbz:5:2-1603476

Towards high-quality decoupled graphene heterostructures

Hutter, Mark^RWTH*

2026

VerantwortlichkeitsangabeMark Hutter

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2026

Umfang1 Online-Ressource (VIII, 149 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-913-8

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Information ; 127

Dissertation, RWTH Aachen University, 2026

Druckausgabe: 2026. - Onlineausgabe: 2026. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen Universität

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Tautz, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Gottfried, J. Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-03-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-04651
URN: urn:nbn:de:hbz:5:2-1603476
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1034356/files/1034356.pdf

Einrichtungen

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Arbeit befasst sich mit dem 2D-Material Graphen, das in den letzten Jahren aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften intensiv erforscht wurde. Der Schwerpunkt liegt auf einigen verschiedenen Möglichkeiten, die Eigenschaften von Graphen zu optimieren. Es werden mehrere Ansätze zur Modifizierung der Eigenschaften von Graphen untersucht, wobei der Schwerpunkt auf Interkalation und Twisted-Bilayer-Graphen liegt. Die Interkalation mit Bi und Se wird mithilfe der NIXSW-Technik (Normal Incidence X-ray Standing Wave) untersucht, womit die vertikale Struktur dieser Systeme bestimmt werden kann. Aus dieser vertikalen Struktur lassen sich Ruckschlüsse auf einige elektronische Eigenschaften ableiten. Zwei Proben, die mit Bi interkaliert wurden, werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Phasen (α und β) diskutiert. Die Ergebnisse zeigen für alle Proben eine erfolgreiche Entkopplung des Graphens vom Substrat (SiC(0001)), wobei van-der-Waals-Bindungsabstande von Bi und Se zu Graphen und kovalente Bindungsabstande zum Substrat bestimmt wurden. Epitaktisch gewachsene Proben werden auch für Twisted-Bilayer-Graphen diskutiert. Zwei 30° Twisted-Bilayer-Graphen Proben wurden unter Verwendung der von Bocquet [1] vorgestellten ”surfactant”-vermittelten Wachstumstechnik gezüchtet und im Hinblick auf die unterschiedlichen Glühtemperaturen während des Wachstums untersucht. Ein Temperaturunterschied von nur 50 K führt zu sehr unterschiedlichen Strukturen und Dicken der Graphenschichten. Neben dem epitaktischen Wachstum wird Twisted-Bilayer-Graphen auch durch Exfolieren und Stapeln hergestellt, um Untersuchungen mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) durchzufuhren. Eine Probe mit einem Twist-Winkel von 1,2° zeigte im STM die Verschiebung der van-Hove-Singularitäten. Außerdem war es möglich, die Probe durch die STM-Spitze zu dotieren. Für TEM wurden verschiedene Transfermethoden getestet, darunter die Verwendung verschiedener Polymerstempel und verschiedener TEM-Gitter (Cu-Gitter, Saphirglas und SiN-Wafer). Trotz der Fortschritte bei der Probenvorbereitung sind weitere Studien erforderlich, um eine geeignete Transfermethode zu finden und Twisted-Bilayer-Graphen im TEM zu untersuchen.

This thesis deals with the 2D material graphene, which has been the subject of intense research in recent years due to its unique properties. The main focus is on different ways to tune the properties of graphene. Several approaches to modify the properties of graphene are investigated, focusing on intercalation and twisted bilayer structures. The intercalation with Bi and Se is studied using the Normal Incidence X-ray Standing Wave (NIXSW) technique, which reveals the vertical structure of these systems, from which some electronic properties can be deduced. For the intercalation with Bi, the two phases (α and β) are discussed. For all samples, the results show a successful decoupling of the graphene from the substrate (SiC(0001)), with van-der-Waals bond distances of Bi and Se to graphene and covalent bond distances to the substrate. Epitaxially grown samples are also discussed for twisted bilayer graphene. Two 30° twisted bilayer graphene samples are grown using the surfactant-mediated growth technique presented by Bocquet [1] and are investigated with respect to the different annealing temperatures during the growth. A temperature difference of only 50 K results in a very different structure and thickness of the graphene layers. Besides the epitaxial growth, twisted bilayer graphene is also prepared by exfoliation and stacking for scanning tunneling microscopy (STM) and transmission electron microscopy (TEM) investigations. A sample with a twist angle of 1.2° reveals in STM the shift of van Hove singularities and the possibility of doping the sample through the STM tip. For TEM, different transfer methods are investigated, including the use of different polymer stamps and different TEM grids (Cu grid, sapphire glass, and SiN wafer). Despite progress in the sample preparation, further studies are needed to find a suitable transfer method and to realize the TEM investigations of twisted bilayer graphene.

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