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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:80669 |
| Date | 27 September 2022 |
| Creators | Schädlich, Philip |
| Contributors | Seyller, Thomas, Tegenkamp, Christoph, Technische Universität Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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