Einzelschichten von Graphen-Nanobänders (GNRs) wurden auf SiC(0001)-Substraten mit zwei unterschiedlichen Fehlschnitten bei Temperaturen von 1410 bis 1460 °C synthetisiert. Das GNR-Wachstum lässt sich bei niedriger Stufenkantenhöhe am besten durch eine exponentielle Wachstumsrate, welche mit der Energiebarriere für die Ausdiffusion von Si korreliert ist. Anderseits wird bei Substraten mit höheren Stufenkanten eine nicht-exponentielle Rate beobachtet, was mit der Bildung von mehrlagigen Graphen an den Stufenkanten in Verbindung gebracht wird. Die Sauerstoffinterkalation von epitaktischen GNRs mittels Ausglühen an Luft von Bändern wird als nächstes untersucht, welche auf unterschiedlichen SiC-Substraten gewachsen wurden. Neben der Umwandlung von monolagigem zu zweilagigem Graphen in der Nähe der Stufenkanten von SiC, führt die Sauerstoffinterkalation zusätzlich zu der Bildung einer Oxidschicht auf den Terrassen des Substrats, was die zweilagigen GNRs elektrisch isoliert voneinander zurücklässt. Die elektrische Charakterisierung der zweilagigen GNRs zeigten dass die Bänder durch die Behandlung mit Sauerstoff elektrisch voneinander entkoppelt sind. Eine robuste Lochkonzentration von etwa 1x10¹³ cm-² und Mobilitäten von bis zu 700 cm²/(Vs) wurden für die GNRs mit einer typischen Breite von 100 nm bei Raumtemperatur gemessen. Wohl definierte Mesastrukturen gebildet mittels Elektronenstrahllithographie auf SiC-Substraten, wurde zuletzt untersucht. Die Charakterisierung des Ladungsträgertransports von GNRs die auf den Seitenwänden der strukturierten Terrassen gewachsen wurden, zeigt eine Mobilität im Bereich von 1000 bis 2000 cm²/(Vs), welche für verschiedene Strukturen auf der gesamten Probe homogen ist, was die Reproduzierbarkeit dieses Herstellungsverfahrens hervorhebt, sowie dessen Potential für die Implementierung in zukünftigen Technologien, welche auf epitaktischgewachsenene GNRs basieren. / Monolayer graphene nanoribbons (GNRs) were synthesized on SiC(0001) substrates with two different miscut angles at temperatures ranging from 1410 to 1460 °C. The GNR growth in lower step heights is best described by an exponential growth rate, which is correlated with the energy barrier for Si out-diffusion. On the other hand, a non-exponential rate is observed for substrates with higher steps, which is associated with the formation of few-layer graphene on the step edges. Oxygen intercalation of epitaxial GNRs is investigated next by air annealing ribbons grown in different SiC(0001) substrates. Besides the conversion of monolayer into bilayer graphene near the step edges of SiC, the oxygen intercalation also leads to the formation of an oxide layer on the terraces of the substrate, leaving the bilayer GNRs electronically isolated from each other. Electrical characterization of bilayer GNRs reveals that the ribbons are electrically decoupled from the substrate by the oxygen treatment. A robust hole concentration of around 1x10¹³ cm-² and mobilities up to 700 cm²/(Vs) at room temperature are measured for GNRs whose typical width is 100 nm. Well defined mesa structures patterned by electron beam lithography on the surface of SiC substrates is lastly researched. Transport characterization of GNRs grown on the sidewalls of the patterned terraces shows a mobility in the range of 1000 – 2000 cm²/(Vs), which is homogeneous for various structures throughout the sample, indicating the reproducibility of this fabrication method and its potential for implementation in future technologies based on epitaxially grown GNRs.

Carbon-based conductors like carbon nanotubes (CNTs) and graphene nanoribbons (GNRs) have many properties, which make them relevant for potential electronic applications. Among them are high conductances and tunable band gap sizes. These properties make CNTs and GNRs useful in many circumstances, e.g. as channel material in transistors or transparent electrodes in solar cells. Plenty of literature can be found on the topic of single linear CNTs/GNRs. Some applications however require a large network of these conductors. In addition, a single conductor has only a small impact on the network conductance, which reduces the need to control the properties of each individual nanotube/-ribbon. This leads to networks being easier to apply. In this work, the conductance of large networks of GNRs is calculated using the quantum-transport formalism (QT). This has not been done before in literature. In order to apply QT to such a large amount of atoms, the recursive Green's function formalism is used. For this the networks are devided into subcells, which are represented by tight-binding matrices. Similar networks are also examined using two different nodal analysis (NA) approaches, where the nanoribbons are treated as ohmic conductors. For NA with one-dimensional conductors, major discrepancies are found in regards to the QT model. However, networks consisting of two-dimensional conductors (NA-2D) have many properties similar to the QT networks. A recipe to approximate the QT results with NA-2D is presented.:1. Introduction 2. Theoretical Principles 2.1 Carbon-based Conductors 2.1.1 Structure and Properties 2.1.2 Networks 2.2 Tight-Binding Model 2.3 Quantum Transport 2.3.1 Introduction 2.3.2 Level Broadening 2.3.3 Current Flow 2.3.4 Transmission 2.4 Nodal Analysis 3. Implementation 3.1 Quantum Tranport 3.1.1 Network Generation 3.1.2 Density-Functional based Tight-Binding Method 3.1.3 Recursive Green's Function Algorithm 3.1.4 Conductance 3.2 Nodal Analysis 3.2.1 One-dimensional Conductors 3.2.2 Two-dimensional Conductors 4. Results 4.1 Quantum Transport 4.1.1 Band Structures and Fermi Energies 4.1.2 Ideal Transmission and Consistency Tests 4.1.3 Percolation 4.1.4 Transmission 4.1.5 Conductance 4.1.6 Power Law Scaling 4.1.7 Size Dependence and Confinement Effects 4.1.8 Calculation Time 4.2 Nodal Analysis 4.2.1 One-dimensional Conductors 4.2.2 Two-dimensional Conductors 4.2.3 Calculation Time 4.3 Approximating QT with NA 4.3.1 Optimal Parameters 4.3.2 Percolation 4.3.3 Conductance 4.3.4 Power Law Scaling 5. Conclusions / Graphenbasierte Leiter wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen (engl. 'carbon nanotubes', CNTs) oder Graphen-Nanobänder (engl. 'graphene nanoribbons', GNRs) haben viele Eigenschaften, die sie für potenzielle elektronische Anwendungen interessant machen. Darunter sind hohe Leitfähigkeiten und einstellbare Bandlückengrößen. Dadurch sind CNTs und GNRs in vielen Bereichen nützlich, z.B. als Kanalmaterial in Transistoren oder als transparente Elektroden in Solarzellen. Es gibt viel Literatur über einzelne, lineare CNTs/GNRs. Einige Anwendungen benötigen jedoch ein großes Netzwerk dieser Leiter. Zusätzlich hat ein einzelner Leiter wenig Einfluss auf die Leitfähigkeit des Netzwerks, wodurch die Eigenschaften der einzelnen Nanoröhrchen/-streifen weniger streng kontrolliert werden müssen. Dies führt dazu, dass es einfacher ist Netzwerke zu nutzen. In dieser Arbeit wird die Leitfähigkeit von großen GNR-Netzwerken mittels Quantentransport (QT) berechnet. Dies wurde in der Literatur noch nicht getan. Um QT auf eine so große Menge an Atomen anzuwenden wird der rekursive Greenfunktions-Formalismus benutzt. Dazu werden die Netzwerke in Unterzellen unterteilt, die durch Tight-Binding-Matrizen dargestellt werden. Ähnliche Netzwerke werden auch mit zwei Versionen der Knotenanalyse (engl. 'nodal analysis', NA) untersucht, welche die Nanobänder wie ohmische Leiter behandelt. Die Ergebnisse der NA mit eindimensionalen Leitern weisen deutliche Unterschiede zu den mit QT erzielten Ergebnissen auf. Wenn jedoch zweidimensionale Leiter in NA verwendet werden (NA-2D) gibt es viele parallelen zu den QT Ergebnissen. Zuletzt wird ein Vorgehen präsentiert, mit dem QT Resultate durch NA-2D Rechnungen genähert werden können.:1. Introduction 2. Theoretical Principles 2.1 Carbon-based Conductors 2.1.1 Structure and Properties 2.1.2 Networks 2.2 Tight-Binding Model 2.3 Quantum Transport 2.3.1 Introduction 2.3.2 Level Broadening 2.3.3 Current Flow 2.3.4 Transmission 2.4 Nodal Analysis 3. Implementation 3.1 Quantum Tranport 3.1.1 Network Generation 3.1.2 Density-Functional based Tight-Binding Method 3.1.3 Recursive Green's Function Algorithm 3.1.4 Conductance 3.2 Nodal Analysis 3.2.1 One-dimensional Conductors 3.2.2 Two-dimensional Conductors 4. Results 4.1 Quantum Transport 4.1.1 Band Structures and Fermi Energies 4.1.2 Ideal Transmission and Consistency Tests 4.1.3 Percolation 4.1.4 Transmission 4.1.5 Conductance 4.1.6 Power Law Scaling 4.1.7 Size Dependence and Confinement Effects 4.1.8 Calculation Time 4.2 Nodal Analysis 4.2.1 One-dimensional Conductors 4.2.2 Two-dimensional Conductors 4.2.3 Calculation Time 4.3 Approximating QT with NA 4.3.1 Optimal Parameters 4.3.2 Percolation 4.3.3 Conductance 4.3.4 Power Law Scaling 5. Conclusions

La synthèse du graphène par traitement thermique d’un substrat de carbure de silicium (SiC) est une technique prometteuse pour l’intégration de ce nouveau matériau dans l’industrie, notamment dans les dispositifs électroniques. L’avantage de cette méthode réside dans la croissance de films minces de graphène de taille macroscopique directement sur substrat isolant. Toutefois, avant d’intégrer ce matériau, il convient d’en contrôler la synthèse et d’en moduler les propriétés. Dans ce travail de thèse, nous étudions les propriétés structurales et électroniques du graphène obtenu par la graphitisation des polytypes 3C-, 4H- et 6H-SiC. A partir de diverses méthodes de caractérisation, telles que la diffraction des électrons lents (LEED) ou la microscopie et spectroscopie à effet tunnel (STM/STS), nous avons vérifié, dans un premier temps, que le caractère discontinu du graphène sur les bords de marches peut introduire un confinement latéral supplémentaire des électrons dans le graphène. Dans un second temps, l’observation des singularités de Van Hove nous a permis de démontrer l’effet de confinement unidimensionnel dans les régions d’accumulations de marches du SiC. Enfin, l’introduction de désordre dans nos couches de graphène induit une réduction de la densité de porteurs de charges dans les couches. De même, ce désordre conduit à une transition de phase quantique entre le régime localisé et le régime d’effet Hall quantique. / The synthesis of graphene by thermal decomposition of silicon carbide (SiC) is a promising technique for the integration of this new material in the industry, especially in electronic devices. The advantage of this method lies in the growth of macroscopic graphene films directly on an insulator substrate. However, before using this material in electronic devices, it is advisable to control its synthesis and modulate its properties. In this thesis, we present the structural and electronic properties of graphene obtained by graphitization of 3C- , 4H - and 6H- SiC polytypes. Various characterization methods were used, including low energy electron diffraction (LEED) and microscopy and scanning tunneling spectroscopy (STM / STS). Based on STM / STS measurements, we show that the discontinuity of epitaxial graphene at the step edges may introduce an additional lateral confinement of electrons in graphene. The observation of Van Hove singularities in the STS spectra confirmed the one dimensional confinement of graphene in step bunching regions of SiC.Finally, we show that when disorder is introduced on our graphene samples, the charge carrier density is reduced. This disorder lead to the observation of a quantum phase transition from a localized regime to a quantum Hall effect regime.

This report employs advanced Raman spectroscopy techniques to investigate the fundamental properties of 9-AGNRs comprehensively. It is divided into two main sections addressing distinct aspects of 9-AGNR behavior. In the first section, Polarization Raman spectroscopy (PRS) probes phonon mode symmetries in 9-AGNRs. Our analysis reveals deviations from predicted symmetries, suggesting the presence of lattice defects. We also investigate specific phonon modes (G, D, and RBLM), providing insights into lattice integrity. The second section employs temperature-dependent Raman spectroscopy to explore the thermal properties of 9-AGNRs. This dynamic analysis quantifies vibrational mode responsiveness to temperature variations using the Grüneisen parameter (χ). Comparisons across various carbon-based materials uncover distinct sensitivities and stabilities. This research advances our understanding of 9-AGNR properties, with implications for nanomaterial science and potential applications. / Denna rapport använder avancerade Raman spektroskopitekniker för att på ett omfattande sätt undersöka de grundläggande egenskaperna hos 9-AGNRs. Den är uppdelad i två huvudsektioner som tar upp distinkta aspekter av 9-AGNR beteende. I det första avsnittet sonderar Polarisation Raman spektroskopi (PRS) fononlägessymmetrier i 9-AGNRs. Vår analys avslöjar avvikelser från förutsagda symmetrier, vilket tyder på närvaron av gitterdefekter. Vi undersöker också specifika fononlägen (G, D och RBLM), vilket ger insikter om gitterintegritet. Den andra sektionen använder temperaturberoende Raman-spektroskopi för att utforska de termiska egenskaperna hos 9-AGNRs. Denna dynamiska analys kvantifierar vibrationslägets känslighet för temperaturvariationer med hjälp av Grüneisen-parametern (χ). Jämförelser mellan olika kolbaserade material avslöjar distinkta känsligheter och stabiliteter. Denna forskning främjar vår förståelse av 9-AGNR-egenskaper, med implikationer för nanomaterialvetenskap och potentiella tillämpningar.