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A microscopic analysis of deliberately introduced structural modifications in free-standing graphene
Franz Eder
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Jannik Meyer
DOI
10.25365/thesis.33681
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30294.16003.215164-0
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die herausragenden Eigenschaften von Graphen (mono-atomare Schicht Kohlenstoff) haben ein weltweites Interesse von Wissenschaftern geweckt. Vorhandene Defekte bestimmen aber diese Eigenschaften, von denen einige nur bei extrem niedrigen Defektdichten beobachtet werden können. Für die Steuerung der Materialeigenschaften ist daher ein genaues Wissen über Defektentstehung und Defekteigenschaften entscheidend. In dieser Arbeit präsentieren wir eine umfassende Analyse von Defekten in Graphen, die im Elektronenmikroskop durch Bestrahlung erzeugt wurden. Weiters präsentieren wir ein neuartiges Raster Tunnel Mikroskop (RTM), mit dem man Form und Eigenschaften von frei-tragenden Membranen kontrolliert beeinflussen kann. Durch die Messung fehlender Atome als Funktion der Elektronendosis sowie der Beschleunigungsspannung, erhalten wir einen experimentell bestimmten Streuquerschnitt. Der Vergleich von aus unterschiedlichen Isotopen hergestelltem Graphen, erlaubt verschiedene Elektronenstrahl-Effekte zu unterscheiden. Die Ringstatistik zeigt, dass die Anzahl der durch die Defektentstehung fehlenden hexagonalen Ringe und die neu entstandenen Polygone linear mit der Fehlstellenordnung steigen. Die Entstehungsenergie pro Defekt steigt ebenfalls linear pro fehlendem Atom. Sogar kleinere Punktdefekte haben größere Verformungen des Gitters aus und in der Ebene zur Folge. Darüberhinaus werden wir den Übergang zwischen Kristall- und Glasstrukturen untersuchen. Vierschiedene Ordnungsbereiche werden mittels Verteilung der Bindungslänge und Bindungswinkel, Ring Statistik, atomare Massendichte sowie Fourier Analyse untersucht. Zum Abschluss wird ein neuartiges RTM vorgestellt, mit dem man zwei Sonden auf dem selben Punkt einer Probe platzieren kann, indem man den Punkt von unterschiedlichen Seiten ansteuert. Darüberhinaus wird die Wechselwirkung zwischen Sonde und Probe besprochen und gezeigt, dass man diese auch zur präzisen Kontrolle der Gestalt und Krümmung der Graphen Membran verwenden kann. Die hier präsentierte Arbeit über verschiedene Defektkonfigurationen und über den Kristall-Glas Übergang bringt viele neue Erkenntnisse über strukturelle Eigenschaften von Graphen und amorphen Materialien. Darüberhinaus wird das neuartige RTM neue Wege zur Untersuchung von elektrischen und mechanischen Eigenschaften von zweidimensionalen Materialien bereiten.
Abstract
(Englisch)
The remarkable properties of graphene (a single layer of carbon atoms) have attracted a tremendous interest of researchers across the planet. The almost natural presence of defects in graphene however governs its properties, of which some can only be observed at extremely low defect densities. Hence, for tailoring the materials properties in a certain direction, a profound knowledge of defect creation mechanisms and of the defects inherent properties is necessary. In this work we present an extensive analysis of irradiation induced defects in graphene in-situ in an electron microscope, as well as a controlled manipulation of the free standing membrane using a novel type of scanning tunneling microscope (STM). We measure the number of lost atoms as a function of the applied electron dose and acceleration voltage, which provides an experimentally determined scattering cross section. By comparing different isotope compositions in graphene, we can distinguish different electron-beam effects. Ring statistics of the observed defect configurations show, that the number of transformed hexagonal carbon rings and non-hexagonal polygons increase linearly with the number of missing atoms per defect. The defect formation energy increases linearly per missing atom. In addition, energetically optimized defect structures reveal, that even small point defects in graphene cause out-of-plane lattice deformations, which extend remarkably far in plane. Next we discuss the transition from a crystal (graphene) to a glass-like structure. Different ranges of order are studied via distribution of bond lengths and angles, ring statistics, atomic mass density and Fourier analysis. Finally a novel type of STM is presented. We show that we can put two probes on the same spot of the sample, by accessing it from opposing sides. In the case of two dimensional samples, this is possible. Furthermore we find, that the tip is modifying the topography of the sample during every scan, however it is also shown that these tip sample interactions can be used to precisely control the shape and curvature of the membrane. The presented study of different defect configurations and of the crystal to glass transition reveals many new insights in structural properties of graphene and amorphous materials. Furthermore the presented novel scanning tunneling microscope will open new avenues for studying electronic and mechanical effects in thin samples.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
graphene defects electron microscopy scanning tunneling microscopy cross-section ring statistics crystal-glass transformation
Schlagwörter
(Deutsch)
Graphen Defekte Elektronenmikroskopie Rastertunnelmikroskopie Streuquerschnitt Ringstatistik Kristall-Glas Transformation
Autor*innen
Franz Eder
Haupttitel (Englisch)
A microscopic analysis of deliberately introduced structural modifications in free-standing graphene
Paralleltitel (Deutsch)
Eine Mikroskopische Analyse von Gezielt Eingebrachten Strukturveränderungen in Frei-Tragendem Graphen
Paralleltitel (Englisch)
A Microscopic Analysis of Deliberately Introduced Structural Modifications in Free-Standing Graphene
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
VIII, 139 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Peter Nellist ,
Valeria Nicolosi
AC Nummer
AC12138244
Utheses ID
29911
Studienkennzahl
UA | 791 | 411 | |