The influence of the substrate on the structure and electronic properties of carbon-based 2D materials

Sforzini, Jessica; Tautz, Frank Stefan; Busse, Carsten

doi:10.18154/RWTH-2017-05554

The influence of the substrate on the structure and electronic properties of carbon-based 2D materials

Sforzini, Jessica

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Masterin in Chemie Jessica Sforzini

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (XIII, 145 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTh Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Tautz, Frank Stefan (Thesis advisor) ; Busse, Carsten (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-06-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-05554
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/691010/files/691010.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/691010/files/691010.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
graphene, electronic properties (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Untersuchung zweidimensionaler (2D) Materialien wie Graphen ist in den letzte Jahren zu einem der heißesten Forschungsgebiete geworden, da solche Materialien neue Möglichkeiten zur kosteneffizienten Herstellung von effizienteren und kleineren nano-Bauteilen versprechen. Um potentielle Anwendungen von 2D-Materialien auf den Gebieten der Elektronik und Optoelektronik zu realisieren, müssen vielfache Herausforderungen in Bezug auf strukturelles und elektronisches Verhalten gemeistert werden. Dies Erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der Wechselwirkungen an 2D-Material Grenzschichten. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel der vorliegenden Arbeit, einen Zugang zu den Wechselwirkungen verschiedener 2D-Schichten und Substrate, die sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der Anwendung eine Rolle spielen, über die Untersuchung der Modifikation von strukturellen und elektronischen Eigenschaften der Schichten im Verhältnis zum Substrat, durch die Nutzung verschiedenster oberflächensensitiver Methoden, zu eröffnen.\\Insbesondere wurden Wechselwirkungen an der Graphen/SiC(0001) Grenzschicht betrachtet. Zunächst wird ein neuer Ansatz vorgestellt, um die Stärke dieser Wechselwirkung anhand der Bestimmung der Graphen Adsorptionshöhe in Bezug auf das H-interkalierte SiC Substrat zu messen. Durch den Vergleich dieses Wertes mit den vertikalen Abständen verschiedener Graphen/Substrat Systeme ergab sich, dass H-interkaliertes Graphen (H-QFMLG), abgesehen von der van-der-Waals Wechselwirkung, wechselwirkungsfrei ist. Das zeigt, dass der Einfluss des darunter liegenden H-interkalierten SiC quasi nicht existent ist.\\Der Einfluss dieses Substrats auf die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Graphen wurde weiterhin anhand von Stickstoff-Dotierung im Vergleich zum mit einer Kohlenstoff Pufferlage terminierten SiC im epitaktischen Graphen untersucht (EMLG). Im Ergebnis zeigen beide Graphen Schichten einen ähnlichen n-Typ Ladungsträger Zuwachs, aber eine unterschiedliche Konzentration und Verteilung der Fremdatome in den Schichten. Dies führt zu dem Schluss, dass eine effektive Graphen-Dotierung überraschend abhängig vom darunterliegenden Substrat ist. Im Fall von H-QFML stellt sich heraus, dass die Stickstoff Atome teilweise die Wasserstoff Interkalation an der Grenzschicht ersetzen. Dadurch wurde diese n-dotiert und trug zur Graphen-Dotierung bei ('Proximity Doping') aber sorgte für eine Verschlechterung der Graphenschicht hinsichtlich Rauigkeit und Grenzschicht-Wechselwirkung. Dagegen war die Pufferlage im EMLG inert, was eine mehrfach-Komponenten Substitution der Stickstoff Atome im Graphen erlaubte. Dies war jedoch nicht der Fall für Bor-dotiertes EMLG, bei dem Bor in einer chemischen Konfiguration sowohl in der Pufferlage als auch im Graphen gefunden wurde.\\Im letzten Teil der Arbeit wurde der Fokus auf die Untersuchung physikalischer Phänomene an Metall/Organischen Grenzflächen gelegt. Speziell wurde die Symmetrie-Reduktion (von der $\mathrm{D_{4h}}$-Symmetrie Gruppe) durch die Aufhebung der Entartung an Platin- und Palladium-Phthalocyanin-Komplexen mit Hilfe von Vibrations-Spektroskopie untersucht. Wegen des Vorhandenseins eines dynamischen Ladungstransfers, zeigen einige Vibrations-Peaks eine Fano-artige Linienform. Durch deren Zuordnung Vibrationsmoden, die nur in der $\mathrm{C_{2v}}$ Symmetrie Infrarot-aktiv sind, können wir zeigen, dass ein bevorzugter Ladungstransfer von der Ag Oberfläche in eines der ursprünglich zweifach entarteten niedrigsten unbesetzten Molekülorbitale stattfindet, das bedeutet, dass die elektronische Entartung aufgehoben wurde und der Molekül-Oberflächen Komplex die zweizählige Symmetrie angenommen hat.

The exploration of two-dimensional materials, such as graphene, has become the hottest research of interest in recent years. In this dissertation, we examine two classes of materials considered of importance for both fundamentals studies and devices applications, namely graphene on 6H-SiC(0001) and palladium-/platinum- phthalocyanine on Ag(111), with the aim of assessing the interactions at the interface. Using different surface science techniques, we are able to study the modification of their electronic and structural properties in relation to the supporting substrate. At first, we present a new approach used to gauge the strength of the interactions at the interface in graphene/substrate systems which is based on the determination of the adsorption height of the graphene layer. From the comparison of different graphene/SiC interfaces, i.e.,~carbon buffer layer, hydrogen intercalation and germanium intercalation, we find that the graphene layer is best decoupled from the underlying substrate when the hydrogen intercalation is present at the interface. The effect of the supporting substrate (and interface) on the graphene properties is further investigated upon doping. We find that depending on the type of interface, i.e.,~carbon buffer layer or hydrogen intercalation, the quantity as well as the variety of nitrogen dopants substituted into the graphene lattice varies but not the n-type carrier increase. This leads to the conclusion that the effective doping of graphene depends on the supporting material. In fact for hydrogen intercalated graphene, the nitrogen dopants partially replace hydrogen at the intercalation, contributing to the doping ('proximity doping') but leading to an increment of the interaction at the interface. In contrast, the carbon buffer layer is found inert against the nitrogen doping, but active against the boron doping; a behavior most likely dependent on the preparation method. Finally, the molecular symmetry reduction (from the $\mathrm{D_{4h}}$ symmetry group) via degeneracy lifting of the platinum- and palladium-phthalocyanine/Ag(111) complexes is investigated using vibrational spectroscopy. Because of the presence of an interfacial dynamical charge transfer, some vibrational peaks show a Fano-type line shape. Their assignment to vibrational modes which are infrared active only in the $\mathrm{C_{2v}}$ symmetry group proves that a preferential charge transfer from the Ag surface into one of the originally doubly degenerate lowest unoccupied molecular orbitals takes place, i.e. the electronic degeneracy is lifted and the molecule-surface complex acquires the twofold symmetry.

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