In the course of the PhD thesis large area homogeneous strictly monolayer graphene films were successfully synthesized with chemical vapor deposition over both Cu and Si (with surface oxide) substrates. These synthetic graphene films were characterized with thorough microscopic and spectrometric tools and also in terms of electrical device performance. Graphene growth with a simple chemo thermal route was also explored for understanding the growth mechanisms. The formation of homogeneous graphene film over Cu requires a clean substrate. For this reason, a study has been conducted to determine the extent to which various pre-treatments may be used to clean the substrate. Four type of pre-treatments on Cu substrates are investigated, including wiping with organic solvents, etching with ferric chloride solution, annealing in air for oxidation, and air annealing with post hydrogen reduction. Of all the pretreatments, air oxidation with post hydrogen annealing is found to be most efficient at cleaning surface contaminants and thus allowing for the formation of large area homogeneous strictly monolayer graphene film over Cu substrate. Chemical vapor deposition is the most generally used method for graphene mass production and integration. There is also interest in growing graphene directly from organic molecular adsorbents on a substrate. Few studies exist. These procedures require multiple step reactions, and the graphene quality is limited due to small grain sizes. Therefore, a significantly simple route has been demonstrated. This involves organic solvent molecules adsorbed on a Cu surface, which is then annealed in a hydrogen atmosphere in order to ensure direct formation of graphene on a clean Cu substrate. The influence of temperature, pressure and gas flow rate on the one-step chemo thermal synthesis route has been investigated systematically. The temperature-dependent study provides an insight into the growth kinetics, and supplies thermodynamic information such as the activation energy, Ea, for graphene synthesis from acetone, isopropanol and ethanol. Also, these studies highlight the role of hydrogen radicals for graphene formation. In addition, an improved understanding of the role of hydrogen is also provided in terms of graphene formation from adsorbed organic solvents (e.g., in comparison to conventional thermal chemical vapor deposition). Graphene synthesis with chemical vapor deposition directly over Si wafer with surface oxide (Si/SiOx ) has proven challenging in terms of large area and uniform layer number. The direct growth of graphene over Si/SiO x substrate becomes attractive because it is free of an undesirable transfer procedure, necessity for synthesis over metal substrate, which causes breakage, contamination and time consumption. To obtain homogeneous graphene growth, a local equilibrium chemical environment has been established with a facile confinement CVD approach, inwhich two Si wafers with their oxide faces in contact to form uniform monolayer graphene. A thorough examination of the material reveals it comprises facetted grains despite initially nucleating as round islands. Upon clustering these grains facet to minimize their energy, which leads to faceting in polygonal forms because the system tends to ideally form hexagons (the lowest energy form). This is much like the hexagonal cells in a beehive honeycomb which require the minimum wax. This process also results in a near minimal total grain boundary length per unit area. This fact, along with the high quality of the resultant graphene is reflected in its electrical performance which is highly comparable with graphene formed over other substrates, including Cu. In addition the graphene growth is self-terminating, which enables the wide parameter window for easy control. This chemical vapor deposition approach is easily scalable and will make graphene formation directly on Si wafers competitive against that from metal substrates which suffer from transfer. Moreover, this growth path shall be applicable for direct synthesis of other two dimensional materials and their Van der Waals hetero-structures.:Contents Quotation v Kurzfassung vii Abstract xi Contents xiii Acronyms xvii 1 Aims and objectives 1 2 Introduction 5 2.1 Carbon allotropes 6 2.1.1 Hybridized sp 2 carbon nanomaterials 6 2.1.2 Graphene 7 2.2 Properties of graphene 8 2.2.1 Crystalline structure 8 2.2.2 Electrical transport 10 2.2.3 Optical transparency 11 2.2.4 Other properties 12 2.3 Graphene deposition methods 13 2.3.1 Synthesis approaches 13 2.3.2 Chemical vapor deposition 14 2.3.3 Substrate selection 15 2.3.4 Substrate pretreatments 16 2.3.5 Carbon feedstock 17 2.3.6 Thermal chemical vapor deposition 17 2.3.7 Plasma chemical vapor deposition 18 2.3.8 Transfer protocol 19 2.4 Chemical vapor deposition for graphene growth 21 2.4.1 Thermodynamics 22 2.4.2 Arrhenius plots 22 2.4.3 Activation energy 24 2.4.4 Growth kinetics 25 2.4.5 Reaction mechanisms over Cu 27 2.4.6 Reaction mechanisms over Ni 29 2.4.7 Reaction mechanisms over non-metals 31 2.4.8 Reaction mechanisms of free-standing graphene 35 2.5 Summary 35 2.6 Scope of the thesis 36 3 Experimental setup and characterization techniques 37 3.1 Experimental setup of chemical vapor deposition 37 3.2 Optical microscopy 39 3.3 Scanning electron microscopy 40 3.4 Atomic force microscopy 41 3.5 Transmission electron microscopy 42 3.5.1 Selected area electron diffraction 44 3.5.2 Dark field transmission electron microscopy 46 3.6 Raman spectroscopy 47 3.7 Ultraviolet-Visible spectrophotometry 49 3.8 Electrical transport measurements 49 4 CVD growth of graphene on oxidized Cu substrates 51 4.1 Motivation 52 4.2 Experimental protocol 53 4.3 Influence of Cu pretreatments on graphene formation 54 4.4 Influence of Cu oxidation on graphene growth 60 4.5 Effect of oxidation pretreatment on Cu surface cleaning 64 4.6 Summary 66 5 Chemo-thermal synthesis of graphene from organic adsorbents 67 5.1 Motivation 67 5.2 Experimental protocol 69 5.3 Influence of reaction temperature on graphene growth 75 5.4 Influence of reaction pressure on graphene growth 78 5.5 Influence of reaction flow rate on graphene growth 80 5.6 Summary 81 6 Monolayer graphene synthesis directly over Si/SiO x 83 6.1 Motivation 83 6.2 Experimental protocol 86 6.3 Influence of substrate confinement configuration 87 6.4 Time dependent evolution for graphene formation 91 6.5 Grain boundaries in graphene film 95 6.6 Bubble clustering of faceted graphene grains 98 6.7 Electrical and optical performance of graphene 100 6.8 Summary 102 7 Conclusions 103 8 Outlook 107 A Graphene synthesis over Cu and transfer to Si/SiO x substrate 111 B Chemo-thermal synthesis of graphene over Cu 115 C CVD graphene growth directly over Si/SiO x substrate 127 Bibliography 147 List of Figures 193 List of Tables 197 Acknowledgements 199 List of publications 203 Erklaerung 205 / Im Zuge dieser Doktorarbeit wurden großflächige und homogene Graphen-Monolagen mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf Kupfer- (Cu) und Silizium-(Si) Substraten erfolgreich synthetisiert. Solche monolagigen Graphenschichten wurden mithilfe mikroskopischer und spektrometrischer Methoden gründlich charakterisiert. Außerdem wurde der Wachstumsmechanismus von Graphen anhand eines chemo-thermischen Verfahrens untersucht. Die Bildung von homogenen Graphenschichten auf Cu erfordert eine sehr saubere Substratoberfläche, weshalb verschiedene Substratvorbehandlungen und dessen Einfluss auf die Substratoberfläche angestellt wurden. Vier Vorbehandlungsarten von Cu-Substraten wurden untersucht: Abwischen mit organischen Lösungsmitteln, Atzen mit Eisen-(III)-Chloridlösung, Wärmebehandlung an Luft zur Erzeugung von Cu-Oxiden und Wärmebehandlung an Luft mit anschließender Wasserstoffreduktion. Von diesen Vorbehandlungen ist die zuletzt genannte Methode für die anschließende Abscheidung einer großflächigen Graphen-Mono-lage am effektivsten. Die chemische Gasphasenabscheidung ist die am meisten verwendete Methode zur Massenproduktion von Graphen. Es besteht aber auch Interesse an alternativen Methoden, die Graphen direkt aus organischen, auf einem Substrat adsorbierten Molekülen, synthetisieren konnen. Jedoch gibt es derzeit nur wenige Studien zu derartigen alternativen Methoden. Solche Prozessrouten erfordern mehrstufige Reaktionen, welche wiederrum die Qualität der erzeugten Graphenschicht limitieren, da nur kleine Korngrößen erreicht werden konnen. Daher wurde in dieser Arbeit ein deutlich einfacherer Weg entwickelt. Es handelt sich dabei um ein Verfahren, bei dem auf einer Cu-Substratoberfläche adsorbierte, organische Lösungsmittelmoleküle in einer Wasserstoffatmosphäre geglüht werden, um eine direkte Bildung von Graphen auf einem sauberen Cu-Substrat zu gewahrleisten.Der Einfluss von Temperatur, Druck und Gasfluss auf diesen einstufigen chemothermischen Syntheseweg wurde systematisch untersucht. Die temperaturabhängigen Untersuchungen liefern einen Einblick in die Wachstumskinetik und thermodynamische Größen, wie zum Beispiel die Aktivierungsenergie Ea, für die Synthese von Graphen aus Aceton, Isopropanol oder Ethanol. Diese Studien untersuchen außerdem die Rolle von Wasserstoffradikalen auf die Graphensynthese. Weiterhin wurde ein verbessertes Verständnis der Rolle von Wasserstoff auf die Graphen-synthese aus adsorbierten, organischen Lösungsmitteln erlangt (beispielsweise im Vergleich zur konventionellen thermischen Gasphasenabscheidung). Die direkte Graphensynthese mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf Si-Substraten mit einer Oxidschicht (Si/SiOx ) ist extrem anspruchsvoll in Bezug auf die großflächige und einheitliche Abscheidung (Lagenanzahl) von Graphen-Monolagen. Das direkte Wachstum von Graphen auf Si/SiOx -Substrat ist interessant, da es frei von unerwünschten Übertragungsverfahren ist und kein Metall-substrat erfordert, welche die erzeugten Graphenschichten brechen lassen können. Um ein homogenes Graphenwachstum zu erzielen wurde durch den Kontakt zweier Si-Wafer, mit ihren Oxidflachen zueinander zeigend, eine lokale Umgebung im chemischen Gleichgewicht erzeugt. Diese Konfiguration der Si-Wafer ist nötig, um eine einheitliche Graphen-Monolage bilden zu können. Eine gründliche Untersuchung des abgeschiedenen Materials zeigt, dass trotz der anfänglichen Keimbildung von runden Inseln facettierte Körner erzeugt werden. Aufgrund der Bestrebung der Graphenkörner ihre (Oberflächen-) Energie zu minimieren, wird eine Facettierung der Körner in polygonaler Form erzeugt, was darin begründet liegt, dass das System idealerweise eine Anordnung von hexagonal geformten Körnern erzeugen würde (niedrigster Energiezustand). Der Prozess ist vergleichbar mit der sechseckigen Zellstruktur einer Bienenstockwabe, welche ein Minimum an Wachs erfordert. Dieser Prozess führt auch zu einer nahezu minimalen Gesamtkorn-grenzlänge pro Flächeneinheit. Diese Tatsache zusammen mit der hohen Qualität der resultierenden Graphenschicht spiegelt sich auch in dessen elektrischer Leistungsfähigkeit wider, die in hohem Maße mit der auf anderen Substraten gebildeten Graphenschichten (inklusive Cu-Substrate) vergleichbar ist. Darüber hinaus ist das Graphenwachstum selbstabschliessend, wodurch ein großes Parameterfenster für eine einfache und kontrollierte Synthese eröffnet wird. Dieser Ansatz zur chemischen Gasphasenabscheidung von Graphen auf Si- Substraten ist leicht skalierbar und gegenüber der Abscheidung auf Metallsubstraten konkurrenzfähig, da keine Substratübertragung notig ist. Darüber hinaus ist dieser Prozess auch für die direkte Synthese anderer zweidimensionalen Materialien und deren Van-der-Waals-Heterostrukturen anwendbar.:Contents Quotation v Kurzfassung vii Abstract xi Contents xiii Acronyms xvii 1 Aims and objectives 1 2 Introduction 5 2.1 Carbon allotropes 6 2.1.1 Hybridized sp 2 carbon nanomaterials 6 2.1.2 Graphene 7 2.2 Properties of graphene 8 2.2.1 Crystalline structure 8 2.2.2 Electrical transport 10 2.2.3 Optical transparency 11 2.2.4 Other properties 12 2.3 Graphene deposition methods 13 2.3.1 Synthesis approaches 13 2.3.2 Chemical vapor deposition 14 2.3.3 Substrate selection 15 2.3.4 Substrate pretreatments 16 2.3.5 Carbon feedstock 17 2.3.6 Thermal chemical vapor deposition 17 2.3.7 Plasma chemical vapor deposition 18 2.3.8 Transfer protocol 19 2.4 Chemical vapor deposition for graphene growth 21 2.4.1 Thermodynamics 22 2.4.2 Arrhenius plots 22 2.4.3 Activation energy 24 2.4.4 Growth kinetics 25 2.4.5 Reaction mechanisms over Cu 27 2.4.6 Reaction mechanisms over Ni 29 2.4.7 Reaction mechanisms over non-metals 31 2.4.8 Reaction mechanisms of free-standing graphene 35 2.5 Summary 35 2.6 Scope of the thesis 36 3 Experimental setup and characterization techniques 37 3.1 Experimental setup of chemical vapor deposition 37 3.2 Optical microscopy 39 3.3 Scanning electron microscopy 40 3.4 Atomic force microscopy 41 3.5 Transmission electron microscopy 42 3.5.1 Selected area electron diffraction 44 3.5.2 Dark field transmission electron microscopy 46 3.6 Raman spectroscopy 47 3.7 Ultraviolet-Visible spectrophotometry 49 3.8 Electrical transport measurements 49 4 CVD growth of graphene on oxidized Cu substrates 51 4.1 Motivation 52 4.2 Experimental protocol 53 4.3 Influence of Cu pretreatments on graphene formation 54 4.4 Influence of Cu oxidation on graphene growth 60 4.5 Effect of oxidation pretreatment on Cu surface cleaning 64 4.6 Summary 66 5 Chemo-thermal synthesis of graphene from organic adsorbents 67 5.1 Motivation 67 5.2 Experimental protocol 69 5.3 Influence of reaction temperature on graphene growth 75 5.4 Influence of reaction pressure on graphene growth 78 5.5 Influence of reaction flow rate on graphene growth 80 5.6 Summary 81 6 Monolayer graphene synthesis directly over Si/SiO x 83 6.1 Motivation 83 6.2 Experimental protocol 86 6.3 Influence of substrate confinement configuration 87 6.4 Time dependent evolution for graphene formation 91 6.5 Grain boundaries in graphene film 95 6.6 Bubble clustering of faceted graphene grains 98 6.7 Electrical and optical performance of graphene 100 6.8 Summary 102 7 Conclusions 103 8 Outlook 107 A Graphene synthesis over Cu and transfer to Si/SiO x substrate 111 B Chemo-thermal synthesis of graphene over Cu 115 C CVD graphene growth directly over Si/SiO x substrate 127 Bibliography 147 List of Figures 193 List of Tables 197 Acknowledgements 199 List of publications 203 Erklaerung 205

Das Gewicht einer Kante e = xy eines Graphen G = (V, E) ist definiert als Summe der Grade seiner Endpunkte und das Gewicht des Graphen als MInimum über alle Kantengewichte. Wir suchen für positive ganze Zahlen n,m und eine Grapheneigenschaft P den Wert: w(n,m, P) := max{w(G) : |V(G)| = n, |E(G)| = m,G in P}. Der ungarische Mathematiker Erdös formulierte 1990 auf dem Czecheslovak Symposium on Combinatorics, Graphs and Complexity die Problemstellung w(n,m, I) zu bestimmen, für die allgemeinste aller Graphenklassen I. Dieses Problem wurde zuerst teilweise von Invančo and Jendrol’ und dann endgültig von Jendrol’ and Schiermeyer gelöst. Sei G in der Graphenklasse C genau dann wenn G zusammenhängend ist. In dieser Arbeit werden Ansätze zur Bestimmung von w(n,m,C) vorgestellt. Im Speziellen betrachten wir Graphen mit bis zu 3n − 6 Kanten, sowie sehr dichte Graphen. Außerdem diskutieren wir einige verallgemeinerte Fragestellungen.

Using inelastic electron scattering in combination with dielectric theory simulations on differently prepared graphene layers on silicon carbide we demonstrate that the coupling between the 2D plasmon of graphene and the surface optical phonon of the substrate cannot be quenched by modifcation of the interface via intercalation. The intercalation rather provides additional modes like, e.g., the silicon-hydrogen stretch mode in the case of hydrogen intercalation or the silicon-oxygen vibrations for water intercalation that couple to the 2D plasmons of graphene. Furthermore, in the case of bilayer graphene with broken inversion symmetry due charge imbalance between the layers, we observe a similar coupling of the 2D plasmon to an internal infrared-active mode, the LO phonon mode. The coupling of graphene plasmons to vibrational modes of the substrate surface and internal infrared active modes is envisioned to provide an excellent tool for tayloring the plasmon band structure of monolayer and bilayer graphene for plasmonic devices such as plasmon flters or plasmonic wave guides. The rigidity of the effect furthermore suggest that it may be of importance for other 2D materials as well.

The doping of quasi-freestanding graphene (QFG) on H-terminated, Si-face 6H-, 4H-, and 3C-SiC is studied by angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) close to the Dirac point. Using semi-insulating as well as n-type doped substrates we shed light on the contributions to the charge carrier density in QFG caused by i) the spontaneous polarization of the substrate, and ii) the band alignment between the substrate and the graphene layer. In this way we provide quantitative support for the previously suggested model of polarization doping of graphene on SiC [Phys. Rev. Lett. 108, 246104 (2012)].

Composites based on ICP with conductive (SWCNT and Te) and insulating fillers (TiO2 and CuO and insulating polymers with conducting fillers (rGO, modified rGO, and SWCNT) were prepared and their thermoelectric properties were investigated. Attempts to enhance the thermoelectric properties of PEOT:PSS composites did not bring about a significant change. But, the attempts to modify rGO brought about a considerable improvement in the thermoelectric properties. At the end, the use of SWCNT provided the maximum ZT in case of insulating polymer composites. Eventually, SEBS/4 wt% SWCNT with a ZT of 0.0017 and SBS/0.5 wt% SWCNT with a ZT 6  10-6 stood out as the best p-type and n-type thermoelectric material, respectively, in this work. This success paved the way to build 2 modules of thermoelectric generators which generated a maximum potential of 93.2 mV at a temperature difference of 40 K.

The present thesis work represents a novel and reliable strategy to develop highly sensitive, highly selective, and low-cost graphene-based gas sensors towards inorganic gases detection (NH3, PH3) and volatile organic compounds (VOCs) sensing at room temperature. The developed strategy may allow for gas detection, odor recognition of a wide spectrum of odor molecules, as well as detection of volatile organic compounds (VOC) in an extensive variety of domains, e.g., environmental monitoring, public security, smart farming, or disease diagnosis (e.g., lung cancer, COVID-19).

We have pioneered a novel approach to the synthesis of high-quality and highly uniform few-layer graphene on silicon wafers, based on solid source growth from epitaxial 3C-SiC films [1,2]. The achievement of transfer-free bilayer graphene directly on silicon wafers, with high adhesion, at temperatures compatible with conventional semiconductor processing, and showing record- low sheet resistances, makes this approach an ideal route for metal replacement method for nanodevices with ultimate scalability fabricated at the wafer –level.

Graphene, a single layer of carbon atoms, exhibits unique electronic properties and successfully acts as a pioneer in the field of two-dimensional material systems. Reliable and scalable synthesis methods as well as understanding of the underlying processes are essential to fully exploit the potential of these materials. Apart from that, due to the two-dimensional nature of these systems, the interaction with a substrate surface easily affects their properties and simultaneously allows to manipulate them. This thesis presents a detailed study of graphene layers grown by polymer-assisted sublimation growth on different SiC polytypes. Different surface terminations of the hexagonal 4H and 6H SiC polytype alter the electronic properties of the graphene layer. This also shows up as differences in the electron reflectivity, for which possible explanations are discussed, e.g. the influence of the spontaneous polarization of the hexagonal polytypes. Dislocations and stacking domains in epitaxial monolayer and bilayer graphene are identified by means of darkfield microscopy and point towards strain between the successive layers. In monolayer graphene, thin dislocation lines indicate uniaxial strain, while larger, triangular stacking domains in bilayer graphene are the result of isotropic strain between the two graphene layers. Epitaxial monolayer graphene is transformed into quasi-freestanding bilayer graphene by hydrogen intercalation, which alters the strain between the layers such that the typical bilayer stacking domains emerge. Graphene grown by chemical vapor deposition frequently shows a wrinkled surface, which can be attributed to the formation of surface facets. The structure of these facets is imprinted in the graphene layers, which maintain this structure even after the transfer onto an epitaxial buffer layer. The surface restructuring of the growth substrate is driven by the graphene formation itself as the surface facets undergo a step bunching with increasing graphene coverage. In bilayer graphene stacking domains are observed which differ systematically from the domains found in epitaxial bilayer graphene. The underlying strain in the layers strongly correlates with the faceting of the substrate such that the stacking order changes in the vicinity of the inclined surface facets. Just like the surface facets, the stacking domains are robust during the transfer on a target substrate and can be observed on the epitaxial buffer layer. The results of this studies underline the importance of the interaction with the substrate in order to understand the properties of graphene and many related two-dimensional materials. Understanding these interactions enables the manipulation of material’s properties, e.g. the stacking order of heterostructures.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 5 2.1 Siliziumkarbid 5 2.2 Graphen 9 2.3 Wachstum von epitaktischem Graphen auf SiC 14 2.4 Chemische Gasphasenabscheidung von Graphen auf Metallsubstraten 18 3 Experimentelle Methoden 19 3.1 Photoelektronenspektroskopie 19 3.2 Niederenergie-Elektronenmikroskopie 30 3.2.1 Das Instrument 30 3.2.2 Kontrastentstehung 33 3.2.3 Messmodi 38 3.3 Rasterkraftmikroskopie 43 3.4 Elektronenstrahlverdampfer 45 4 Polymerunterstütztes Sublimationswachstum auf SiC(0001) 47 4.1 Untersuchungen zur Optimierung des PASG-Prozesses 47 4.2 Stapeldomänen und Versetzungslinien in PASG-Graphen 59 4.3 Präparation von n-typ und p-typ Graphenstreifen 68 4.4 Zusammenfassung 81 5 Graphen auf inäquivalenten Siliziumkarbid-Terminierungen 83 5.1 Step-flow Model mit minimaler Stufenhöhe 83 5.2 Identifikation der Stapelterminierung 88 5.3 Graphen auf inäquivalenten Terminierungen auf 6H-SiC 93 5.4 Graphen auf inäquivalenten Terminierungen auf 4H-SiC 106 5.5 Zusammenfassung 110 6 Graphen auf Kupferfolie und Transfer auf eine Pufferschicht 113 6.1 Graphen auf poly-kristalliner Kupferfolie 113 6.2 Graphen auf Cu(111) 115 6.3 Facettierung der Kupferoberfläche 121 6.4 Identifikation von Domänen unterschiedlicher Stapelfolge 126 6.5 Transfer auf eine epitaktische Pufferschicht 128 6.6 Zusammenfassung 133 7 Untersuchungen zur Abscheidung von Nickel auf epitaktischem Graphen 135 7.1 Wachstumsverhalten dünner Schichten 135 7.2 Das Wachstum auf Graphen und Pufferschicht 137 7.3 Temperatureinfluss auf das Wachstum 141 7.4 Kornvergrößerung der Nickelcluster 145 7.5 Zusammenfassung 150 8 Zusammenfassung 153 9 Anhang 157 9.1 Labor-Anleitung zum PASG-Prozess 157 9.2 Auswertung der am LEEM generierten ARPES-Daten 159 10 Literaturverzeichnis 165 11 Danksagung 175 12 Publikationsliste 181 13 Konferenzbeiträge 183 / Graphen ist eine monoatomar dünne Kohlenstoffschicht mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften, die erfolgreich als Modellsystem für vielseitige Pionierarbeit auf dem Forschungsgebiet zweidimensionaler Materialien dient. Hierbei sind zuverlässige, skalierbare Herstellungsmethoden und das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen essentiell, um das Potential dieser Materialien vollumfänglich ausschöpfen zu können. Darüber hinaus liegt es in ihrer zweidimensionalen Natur, dass durch die Wechselwirkung mit den verwendeten Substratoberflächen die Eigenschaften der dünnen Materialien entscheidend beeinflusst werden und somit manipuliert werden können. Die vorliegende Arbeit beinhaltet eine umfassende Charakterisierung von Graphenschichten, die mittels polymerunterstützter Sublimationsepitaxie auf verschiedenen SiC-Kristallen hergestellt wurden. Es wird gezeigt, dass verschiedene Terminierungen der hexagonalen Polytypen 4H und 6H des SiC-Substrats das Graphen in seinen elektronischen Eigenschaften verändern. Dies äußert sich durch Unterschiede in der Elektronenreflektivität, für die verschiedene Ursachen, wie der Einfluss der spontanen Polarisation der hexagonalen Polytypen, diskutiert werden. Versetzungen und Stapeldomänen in Monolagen- und Bilagen-Graphen auf SiC werden durch Dunkelfeldmikroskopie identifiziert und weisen auf Verspannungen zwischen den Schichten hin. Während auf Monolagen-Graphen schmale Versetzungslinien auf uniaxiale Verspannung hinweisen, deuten größere, dreieckige Domänen in Bilagen-Graphen auf isotrope Verspannung zwischen zwei Graphenlagen hin. Durch die Interkalation von Wasserstoff kann Monolagen-Graphen in quasifreistehendes Bilagen-Graphen umgewandelt werden, wodurch sich die Verspannung verändert und die für Bilagen-Graphen typischen Stapeldomänen gebildet werden. Graphen, das durch chemische Gasphasenabscheidung auf Kupfer hergestellt wird, zeigt häufig eine faltige Oberfläche, die auf Facetten der Substratoberfläche zurückzuführen ist, und auch nach dem Transfer auf eine durch Sublimationsepitaxie hergestellte Pufferschicht vorhanden ist. Das Graphenwachstum selbst fördert die Restrukturierung der Substratoberfläche zu Facetten, sodass mit steigender Schichtdicke eine Art Stufenbündelung benachbarter Facetten zu beobachten ist. Bilagen-Graphen zeigt auch hier Stapeldomänen, die sich jedoch deutlich von den Domänen in epitaktischem Graphen unterscheiden. Die zugrundliegende Verspannung hängt hier stark mit der Facettierung der Substratoberfläche zusammen, wodurch sich die Stapelfolge in der Nähe der inklinierten Flächen des Substrats ändert. Die Stapeldomänen sind, wie die Falten im Graphen, ausreichend stabil, um auch nach dem Transfer auf ein Zielsubstrat beobachtet zu werden. Die Ergebnisse der Arbeiten unterstreichen, dass die Wechselwirkung mit dem Substrat einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis von Graphen und damit weiterer zweidimensionaler Materialien leistet und damit die Möglichkeit eröffnet, die Eigenschaften wie beispielsweise die Stapelfolge der Materialien in Heterostrukturen gezielt zu beeinflussen.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 5 2.1 Siliziumkarbid 5 2.2 Graphen 9 2.3 Wachstum von epitaktischem Graphen auf SiC 14 2.4 Chemische Gasphasenabscheidung von Graphen auf Metallsubstraten 18 3 Experimentelle Methoden 19 3.1 Photoelektronenspektroskopie 19 3.2 Niederenergie-Elektronenmikroskopie 30 3.2.1 Das Instrument 30 3.2.2 Kontrastentstehung 33 3.2.3 Messmodi 38 3.3 Rasterkraftmikroskopie 43 3.4 Elektronenstrahlverdampfer 45 4 Polymerunterstütztes Sublimationswachstum auf SiC(0001) 47 4.1 Untersuchungen zur Optimierung des PASG-Prozesses 47 4.2 Stapeldomänen und Versetzungslinien in PASG-Graphen 59 4.3 Präparation von n-typ und p-typ Graphenstreifen 68 4.4 Zusammenfassung 81 5 Graphen auf inäquivalenten Siliziumkarbid-Terminierungen 83 5.1 Step-flow Model mit minimaler Stufenhöhe 83 5.2 Identifikation der Stapelterminierung 88 5.3 Graphen auf inäquivalenten Terminierungen auf 6H-SiC 93 5.4 Graphen auf inäquivalenten Terminierungen auf 4H-SiC 106 5.5 Zusammenfassung 110 6 Graphen auf Kupferfolie und Transfer auf eine Pufferschicht 113 6.1 Graphen auf poly-kristalliner Kupferfolie 113 6.2 Graphen auf Cu(111) 115 6.3 Facettierung der Kupferoberfläche 121 6.4 Identifikation von Domänen unterschiedlicher Stapelfolge 126 6.5 Transfer auf eine epitaktische Pufferschicht 128 6.6 Zusammenfassung 133 7 Untersuchungen zur Abscheidung von Nickel auf epitaktischem Graphen 135 7.1 Wachstumsverhalten dünner Schichten 135 7.2 Das Wachstum auf Graphen und Pufferschicht 137 7.3 Temperatureinfluss auf das Wachstum 141 7.4 Kornvergrößerung der Nickelcluster 145 7.5 Zusammenfassung 150 8 Zusammenfassung 153 9 Anhang 157 9.1 Labor-Anleitung zum PASG-Prozess 157 9.2 Auswertung der am LEEM generierten ARPES-Daten 159 10 Literaturverzeichnis 165 11 Danksagung 175 12 Publikationsliste 181 13 Konferenzbeiträge 183

Kohlenstoff basierte Elektroden sind sehr vielseitig und bieten einen großen Anwendungsbereich. Diese Arbeit ist fokussiert auf die Entwicklung, Modifizierung und Anwendung von Sensoren, die auf siebgedruckten Kohlenstoffelektroden (C-SPEs), sowie Graphen basieren. Im ersten Abschnitt der Arbeit wurden C-SPEs als Grundlage genutzt, um einen elektrochemischen Sensor für D-Laktat zu entwickeln, wobei D-Laktat ein potentieller Biomarker ist, um bakterielle Kontaminationen in physiologischen zu erkennen. Der entwickelte Sensor erreichte in pH-gepufferten Testsystemen eine Nachweisgrenze von 500 nM. Die Empfindlichkeit von D-Laktat in mit D-Laktat versetzten verdünnten Synovialflüssigkeitsproben wurde nur auf die Hälfte reduziert, was die Fähigkeit des Sensors beweist, erhöhte D-Laktat-Werte auch in einer komplexen physiologischen Matrix nachzuweisen. Im zweiten Teil wurde Graphen auf ein Silizium/Siliziumdioxid Träger mit vorgefertigten Platinelektroden transferiert. Anschließend wurde es einem Stickstoffplasma ausgesetzt, was zu einer tiefgreifenden Veränderung seiner elektrochemischen Eigenschaften führte. Oberflächenanalysen zeigten, dass das Graphengitter mit Stickstoffatomen dotiert und mit stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen auf der Graphenoberfläche modifiziert wurde, welches die elektrokatalytische Aktivität der untersuchten Redoxspezies veränderten. Im letzten Teil dieser Arbeit wird eine neue Klasse hybrider 2D-Elektroden vorgestellt, bei denen nanoskalige Quecksilberpartikel zwischen zwei Graphen-Monoschichten eingeschlossen wurden. Dadurch erhält Graphen vorteilhafte Eigenschaften von Quecksilber, wie unter anderem ein hohes Überpotential für die Wasserstoffentwicklung und eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Schwermetallionen wie Cd2+ und Pb2+. Das Ausgasen von Quecksilber durch die obere Schicht wurde vollständig verhindert, was zu einer stabilen quecksilberähnlichen Elektrode führt, die jedoch eine kohlenstoffhaltige Grenzfläche aufweist. / The use of carbon-based electrochemical sensors is highly versatile and applicable across a wide range of scenarios. This thesis is focused on the development, modification and application of sensors based on screen-printed carbon electrodes (C-SPEs) as well as graphene. In the first study, C-SPEs were used as a basis to develop an electrochemical sensor for D-lactate, which is a potent biomarker to detect bacterial contaminations in physiological samples. The D-lactate sensor achieved a detection limit of about 500 nM D-lactate in pH buffered test systems. The sensitivity in spiked diluted synovial fluid samples was only halved, which proves its capability to detect elevated D-lactate levels in the complex physiological matrix. In the second part, graphene was transferred onto a silicon/silicon oxide substrate with pre-patterned Pt-electrodes. Afterwards, it was subjected to nitrogen plasma, resulting in a profound alteration of its electrochemical properties. Surface analysis led to the conclusion, that the graphene lattice was doped with nitrogen atoms as well as nitrogen containing functional groups on the graphene surface, which altered graphene’s electrocatalytic activity towards the investigated redox species. In the final study, a new class of hybrid 2D electrodes is presented, where nanosized mercury particles are incorporated between two graphene monolayers. Thereby, graphene acquires advantageous properties from mercury, including a high overpotential for hydrogen evolution and increased sensitivity to heavy metal ions such as Cd2+ and Pb2+. The outgassing of mercury is entirely impeded by the top layer, resulting in a stable mercury-like electrode but featuring a carbonaceous interface.

In der Ramsey Theorie fuer Graphen haben Burr und Erdos vor nunmehr fast dreissig Jahren zwei Vermutungen formuliert, die sich als richtungsweisend erwiesen haben. Es geht darum diejenigen Graphen zu charakterisieren, deren Ramsey Zahlen linear in der Anzahl der Knoten wachsen. Diese Vermutungen besagen, dass Ramsey Zahlen linear fuer alle degenerierten Graphen wachsen und dass die Ramsey Zahlen von Wuerfeln linear wachsen. Ein Ziel dieser Dissertation ist es, abgeschwaechte Varianten dieser Vermutungen zu beweisen. In der topologischen Ramseytheorie bewies Kojman vor kurzem eine topologische Umkehrung des Satzes von Hindman und fuehrte gleichzeitig sogenannte Hindman-Raeume und van der Waerden-Raeume ein (beide sind eine Teilmenge der folgenkompakten Raeume), die jeweils zum Satz von Hindman beziehungsweise zum Satz von van der Waerden korrespondieren. In der Dissertation wird zum einen eine Verstaerkung der Umkehrung des Satzes von van der Waerden bewiesen. Weiterhin wird der Begriff der Differentialkompaktheit eingefuehrt, der sich in diesem Zusammenhang ergibt und der eng mit Hindman-Raeumen verknuepft ist. Dabei wird auch die Beziehung zwischen Differentialkompaktheit und anderen topologischen Raeumen untersucht. Im letzten Abschnitt des zweiten Teils werden kompakte dynamische Systeme verwendet, um ein klassisches Ramsey-Ergebnis von Brown und Hindman et al. ueber stueckweise syndetische Mengen ueber natuerlichen Zahlen und diskreten Halbgruppen auf lokal zusammenhaengende Halbgruppen zu verallgemeinern. / In graph Ramsey theory, Burr and Erdos in 1970s posed two conjectures which may be considered as initial steps toward the problem of characterizing the set of graphs for which Ramsey numbers grow linearly in their orders. One conjecture is that Ramsey numbers grow linearly for all degenerate graphs and the other is that Ramsey numbers grow linearly for cubes. Though unable to settle these two conjectures, we have contributed many weaker versions that support the likely truth of the first conjecture and obtained a polynomial upper bound for the Ramsey numbers of cubes that considerably improves all previous bounds and comes close to the linear bound in the second conjecture. In topological Ramsey theory, Kojman recently observed a topological converse of Hindman's theorem and then introduced the so-called Hindman space and van der Waerden space (both of which are stronger than sequentially compact spaces) corresponding respectively to Hindman's theorem and van der Waerden's theorem. In this thesis, we will strengthen the topological converse of Hindman's theorem by using canonical Ramsey theorem, and introduce differential compactness that arises naturally in this context and study its relations to other spaces as well. Also by using compact dynamical systems, we will extend a classical Ramsey type theorem of Brown and Hindman et al on piecewise syndetic sets from natural numbers and discrete semigroups to locally connected semigroups.