Theorie und Spektroskopie an funktionalisiertem Graphen

Graphen, eine Monolage von Graphit, ist gegenwärtig eines der meistbeachteten neuen Materialien. Dies begründet sich insbesondere in der linearen Dispersion der Valenz(Leitungs)bänder am Ferminiveau die es einerseits physikalisch interessant machen ("Dirac Elektronen") andererseits aber auch in dem viel versprechendes Anwendungspotential als neuartige bipolaren Transistoren in der Miniaturelektronik. Die beiden wichtigsten Herstellungsmethoden sind das mechanische Aufstempeln von Graphen Monolagen ("scotch tape method") und die thermische Ausscheidung einzelner Graphenlagen auf Siliziumcarbid. Durch Aufstempeln lässt sich hoch kristallines Graphen mit nachgewiesenermaßen exzellenter Ladungsträgermobilität reproduzierbar herstellen. Allerdings funktioniert diese Technik nur für einzelne relativ kleine Graphenflächen. Mit der zweiten Methode lassen sich hingegen großflächige Graphen Proben realisieren, deren Ladungsträgermobilität aber noch verbessert werden muss. In diesem Projekt werden wir zu Beginn eine alternative Herstellungsmethode zur Realisierung von hochwertigen und großflächigen isolierten Graphen mit seinen intrinsischen Dirac Elektronen etablieren. Wir werden diese intrinsischen Eigenschaften dann über lokale Nachbarschaften modifizieren. Diese Wechselwirkungen werden uns erlauben fundamentale Korrelationseffekte in zwei dimensionalen elektronischen Systemen zu studieren. Konkret werden wir das katalytische Wachstum von Graphen auf Metalloberflächen (insbesondere Ni) mit anschließender Isolation vom Trägermaterial bestreiten. Gleichzeitig werden wir auch die Entkopplung der einzelnen Lagen im Graphitkristallen untersuchen, dies lässt sich beispielsweise durch die Interkalation von Alkali oder seltenen Erd Ionen bewerkstelligen. In diesen Verbindungen konnte die lineare Dispersionsrelation der isolierten 2D Elektronen nachgewiesen werden. Verschiedene sich ergänzende spektroskopische Methoden werden zu Untersuchung der strukturellen, elektronischen und dynamischen Eigenschaften von Graphen herangezogen werden. Wir werden optische Absorption (OAS), inelastische Röntgenstreuung (IXS), Elektronenenergieverlustspektroskopie (HREELS) und Ramanspektroskopie einsetzen um die dotierungsabhängige Phononendispersion zu untersuchen, bei der elektronischen Quasiteilchendispersion kommt winkelaufgelöste Photoemission (ARPES) zum Einsatz. Die spektroskopischen Methoden werden durch umfassende ab-initio Rechnungen an diesen komplexen Systemen ergänzt werden. Die großen Einheitszellen machen Vielteilchen- stöhrungstheorie unabdingbar. Hier werden wir neuartige Hybridfunktionale für die Quasiteilchen Wechselwirkung einsetzen. Die Methode wird nicht nur neu entwickelt sondern auch in einem frei zugänglichen ab initio Programm implementiert. Das Ziel dieses gemeinschaftlichen Projektes ist das gründliche Verständnis der unterschiedlichen Einflüsse von Substraten als auch einzelner Ionen, sowie dem zugrunde liegende Wechselwirkungen mit Graphen. Dieses wissen wird uns auf der einen Seite erlauben isoliertes Graphen mit dem Dirac Elektronen als auch halbleitendes Graphen mit unterschiedlichen Bandlücken gezielt zu realisieren. Dies soll uns durch den gemeinschaftlichen experimentellen und theoretischen Zugang gelingen. Zum Beispiel können wir die Wechselwirkung von Graphen auf Nickel und Interkalations-Ionen berechnen um geeignete Ionen zum mechanischen Ablösen der Graphenlagen vorzuselektieren. Letzteres ist Voraussetzung für Transmissionsexperimente wie OAS oder EELS. Die dotierungsabhängige Bindung bzw. die Isolation von Graphen auf Nickel kann mit ARPES und XAS direkt gemessen werden. Weiters sollen die grundlegenden Kopplungsmechanismen in diesen nun kontrolliert funktionalisierten Graphenschichten spektroskopisch und theoretisch bestimmt werde. Dies sind die entscheidenden Parameter um als letzten Schritt in unserem bilateralen Gemeinschaftsprojekt das Anwendungspotential dieser funktionalisierten 2D Systeme in der Nano- und Optoelektronik zu untersuchen.

Graphen, eine Monolage von Graphit, ist gegenwärtig eines der meistbeachteten neuen Materialien und wird wegen seiner speziellen strukturellen und elektronischen Eigenschaften als neues Wundermaterial für verschiedene Anwendungen, zum Beispiel in Komposit- werkstoffen sowie der Nano- und Optoelektronik, gesehen. Einzelne Bauelemente auf Basis von funktionalisiertem Graphen zeigen herausragende Eigenschaften, aber eine reproduzierbare Integration dieser Bauteile in klassische Halbleitertechnologie muss noch gezeigt werden. Das Hauptproblem für diese großflächige Anwendung ist die fehlende atomare Kontrolle des Wechselspiels zwischen dem Graphen und der Umgebung und das nur teilweise vorhandene Verständnis der Wechselwirkung zwischen Graphen und Substrat sowie Graphen und Funktionszentren. In diesem Kooperationsprojekt haben wir wichtige Beiträge zu diesen offenen Fragestellungen geliefert. Zunächst haben wir großflächiges, elektronisch isoliertes Graphen mit seinen relativistischen Dirac Elektronen hergestellt und anschließend diese intrinsischen Eigenschaften über lokale Nachbarschaften modifiziert. Diese kontrollierten Modifikationen der elektronischen Struktur wurden durch H und N Substitution, durch K, Li, Ca und Ba sowie durch Au und Ge Interkalation und Pentacene Abscheidung erzielt. Wir haben durch einen synergetischen Ansatz, der moderne Spektroskopie (Wien) mit ab-initio Rechnungen an diesen komplexen Systemen (Lille) verknüpft, verwendet um das gründliche Verständnis der unterschiedlichen Einflüsse von verschiedenen Substraten als auch einzelner Ionen und anderer Funktionszentren auf die intrinsischen Eigenschaften von Graphen zu gewinnen. Als herausragendes gemeinsames Ergebnis haben wir mittels kombinierter Ramanspektroskopie und ab-initio Rechnungen die direkte Korrelation zwischen Ladungstransfer undlokaler Spannungan Graphitinterkalationsverbindungen nachgewiesen. Diese Ergebnisse erlauben erstmals eine kontaktfreie Bestimmung der internen Spannung z. B in Bauelementen und Komposit- werkstoffen auf Graphenbasis. Weitere wesentliche Ergebnisse sind die kontrollierte H Dotierung mit der Erzeugung eines H-Defektbandes, die Kontrolle des Dotierungsgrades bei Stickstoff Dotierung, die Kontrolle der Grenzfläche zwischen Pentacene und Graphen und das Abklären des Anwendungspotentials in der organischen Elektronik, die Analyse des auf Elektron-Phonon-Wechselwirkung basierenden supraleitenden Kopplungsparameters in (Erd)Alkali Graphitinterkalationsverbindungen und Ba dotiertem Graphen. Als letztes Ergebnis des Projektes ist es uns erstmals gelungen die Grenzfläche zwischen Graphen und klassischen Halbleitern wie Germanium auf atomarer Skala zu kontrollieren. Dieses Ergebnis ist ein entscheidender Fortschritt um nanoelektronische Bauelemente auf Graphenbasis in die existierende Halbleitertechnologie zu integrieren.