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Irradiation-induced noble gas trapping and carbon atom displacement in single and double layer graphene
Milan Paraš
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Jani Kotakoski
Mitbetreuer*in
Jana Dzíbelová
DOI
10.25365/thesis.78953
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30396.48224.941754-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diese Studie untersucht die kontrollierte Implantation von Xenon-Atomen in doppellagiges Graphen mittels niederenergetischer Plasmaionen-Bestrahlung, mit dem Ziel, das Implantationsverhalten auf atomarer Skala zu verstehen und die Schwellenenergie für die Verdrängung von Kohlenstoffatomen in einlagigem Graphen zu bestimmen. Dabei wird sowohl die Machbarkeit der Einschließung von Edelgasen zwischen den Graphenschichten als auch die räumliche Verteilung und Implantationsdichte von Xenon unter verschiedenen Bestrahlungsbedingungen analysiert. Aufgrund seiner atomaren Dicke, chemischen Stabilität und mechanischen Festigkeit bietet Graphen eine einzigartige Plattform zur Materialmanipulation im Nanomaßstab. Für die hochauflösende Bildgebung und spektroskopische Charakterisierung wurden aberrationskorrigierte Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM) und Elektronen-Energieverlustspektroskopie (EELS) eingesetzt. Die Datenauswertung erfolgte durch eine Kombination aus manueller Annotation und halbautomatisierten Python-Skripts zur Identifikation sauberer Bereiche und von Xenon-Clustern. Entgegen theoretischer Erwartungen wurde die Xenon-Implantation unter allen experimentellen Bedingungen beobachtet, auch unter solchen, bei denen durch elektrische Vorspannung die kinetische Energie der Ionen unter die Schwelle gesenkt werden sollte, die für das Eindringen in das Graphengitter erforderlich ist. Selbst unter diesen Bedingungen trat eine messbare Implantation auf. Die Implantationsdichten variierten zwischen den Proben, jedoch konnte in keinem Fall eine vollständige Unterdrückung festgestellt werden. Strukturelle Schäden, verursacht durch die Ionen, waren sowohl in ein- als auch in doppellagigen Graphenbereichen sichtbar. Die implantierten Xenon-Cluster zeigten eine hohe Mobilität und interne Umstrukturierung, was auf ihren metastabilen Charakter hinweist. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Implantation von Edelgasen in doppellagiges Graphen nicht nur möglich, sondern selbst bei niedrigen Ionenenergien hoch effizient ist. Diese Erkenntnisse liefern eine Grundlage für zukünftige experimentelle Arbeiten im Bereich der atomaren Defekt-Engineering zweidimensionaler Materialien.
Abstract
(Englisch)
This study explores the controlled implantation of xenon atoms into double layer graphene using low-energy ion plasma irradiation, aiming to understand implantation behavior at the atomic scale and determine the threshold displacement energy of carbon atoms in single layer graphene. The work examines the feasibility of trapping noble gases within the double layer graphene, as well as the spatial distribution and implantation density of xenon under various irradiation conditions. Due to its atomic thickness, chemical stability, and mechanical strength, graphene offers a unique platform for nanoscale material manipulation. High-resolution imaging and spectroscopic characterization were performed using aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (STEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS), while data analysis combined manual annotation and semi-automated Python tools for identifying clean areas and xenon clusters. Contrary to theoretical expectations, xenon implantation was observed under all experimental conditions, including those designed to reduce ion kinetic energy through electrical biasing below the threshold required to penetrate the graphene lattice. Measurable implantation still occurred even in this condition. Implantation densities varied across samples, but no case showed complete suppression. Structural damage induced by ions was visible in both single and double layer graphene regions. Implanted xenon clusters exhibited high mobility and internal rearrangement, revealing their metastable nature. Overall, the results demonstrate that noble gas implantation into double layer graphene is feasible and highly efficient, even at low ion energies. These insights provide a basis for future experimental efforts in atomic-scale defect-engineering of 2D materials.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Elektronenmikroskopie STEM Graphen Ionenbestrahlung EELS
Schlagwörter
(Englisch)
electron microscopy STEM graphene ion irradiation EELS
Autor*innen
Milan Paraš
Haupttitel (Englisch)
Irradiation-induced noble gas trapping and carbon atom displacement in single and double layer graphene
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
88 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Jani Kotakoski
AC Nummer
AC17605031
Utheses ID
76814
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |