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Vacuum growth of titanium and titanium oxide on graphene
Chiara Schlichte
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Jani Kotakoski
Mitbetreuer*in
Kimmo Mustonen
DOI
10.25365/thesis.81621
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12339.72105.468781-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Nano-Materialien weisen Eigenschaften auf, die sich aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses deutlich von denen ihrer massiven Gegenstücke unterscheiden, wodurch Oberflächeneffekte eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des physikalischen und chemischen Verhaltens spielen. Daher sind sie für Anwendungen wie die heterogene Katalyse, Energiespeicherung und -umwandlung sowie für Sensortechnologien von großer Bedeutung. In diesem Zusammenhang ist das Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehung auf Nanoskala unerlässlich, da bereits geringe strukturelle Abweichungen die Funktionalität stark beeinflussen können. Graphen dient als ideales Substrat, da es atomar flach und chemisch inert ist und keine freien Bindungen aufweist. Die schwache Wechselwirkung mit Adatomen macht die Oberflächendiffusion zum dominierenden Prozess, was die Untersuchung intrinsischer Wachstumsmechanismen mit minimalen substratinduzierten Effekten ermöglicht. Titan eignet sich aufgrund seiner hohen Reaktivität und starken Affinität zu Sauerstoff besonders gut für diese Untersuchung, da dies zu einem Wettbewerb zwischen metallischem Wachstum und Oxidbildung führt. Dies beeinflusst direkt das Diffusionsverhalten, die Strukturphasen (amorph versus kristallin) und die Wachstumswege. In dieser Arbeit wurde das Wachstum von Titan auf Graphen systematisch in Bezug auf Abscheidungsparameter, Sauerstoffdruck und Abscheidungsreihenfolge untersucht. Es wurden verschiedene Abscheidungsverfahren eingesetzt, darunter ein Dreistrahlverdampfer, ein Einstrahlverdampfer und eine Titansublimationspumpe, inspiriert durch frühere Studien, die über kristalline Ti-Inseln auf Graphen berichteten. Die Experimente wurden sowohl in Abwesenheit als auch in Anwesenheit von Sauerstoff unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt. Die resultierenden Nanostrukturen wurden mittels Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM) zur Untersuchung von Morphologie und Struktur sowie mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das Titanwachstum unter den untersuchten Bedingungen stark diffusionsbegrenzt ist. Die Abscheidung mittels eines Dreistrahlverdampfers führt zur Bildung amorpher, dreidimensionaler Cluster, was auf eine begrenzte Adatommobilität und eine für die Kristallisation unzureichende Oberflächendiffusion hindeutet. Verunreinigungen werden als entscheidender Faktor identifiziert, der die strukturelle Ordnung unterdrückt und amorphe Strukturen begünstigt. Im Gegensatz dazu fördern sauberere Bedingungen die Bildung geordneterer und teilweise kristalliner Strukturen, was die entscheidende Rolle der Oberflächenreinheit unterstreicht. Sauerstoff modifiziert das Wachstumsverhalten zusätzlich, indem er die Bildung von Titanoxid fördert. Die gleichzeitige Abscheidung führt zu einer direkten Wechselwirkung während des Wachstums, während eine sequenzielle Exposition zu deutlichen strukturellen Unterschieden führt. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Oxidation mit Diffusionsprozessen konkurriert und dadurch die Keimbildung und die Wachstumswege beeinflusst. Insgesamt wird das Wachstum von Nanostrukturen auf Titanbasis auf Graphen stark von kinetischen Faktoren wie Diffusion, Verunreinigung und Sauerstoffumgebung beeinflusst. Diese Erkenntnisse liefern Einblicke in die Wachstumsmechanismen von Metall- und Metalloxid-Nanostrukturen auf zweidimensionalen Materialien und tragen zur Entwicklung besser kontrollierter Synthesestrategien für funktionelle Nanomaterialien bei.
Abstract
(Englisch)
Nanomaterials exhibit properties that differ significantly from their bulk counterparts due to their high surface-to-volume ratio, which enhances the role of surface effects in determining physical and chemical behavior. As a result, they are relevant for applications like heterogeneous catalysis, energy storage and conversion as well as sensing technologies. In this context, understanding structure-property relationship at the nanoscale is essential, as even small structural variations can strongly affect functionality. Graphene serves as an ideal growth substrate, as it is atomically flat, chemically inert, and has no dangling bonds. The weak interaction with adatoms makes surface diffusion the dominant process, enabling the investigation of intrinsic growth mechanisms with minimal substrate-induced effects. Titanium is particularly suitable for this study because of its high reactivity and strong affinity to oxygen, leading to a competition between metallic growth and oxide formation. This directly influences diffusion behavior, structural phases (amorphous versus crystalline), and the growth pathways. In this work, the growth of titanium on graphene was systematically studied with respect to deposition parameters, oxygen pressure, and deposition sequence. Different deposition techniques were employed, including a triple-beam evaporator, a single-beam evaporator, and a titanium sublimation pump. The initial objective was to reproduce previously reported findings on the deposition of titanium on graphene. Experiments were conducted both in the absence and presence of oxygen under ultra-high vacuum conditions. The resulting nanostructures were analyzed using scanning transmission electron microscopy (STEM) to investigate morphology and structure, and electron energy-loss spectroscopy (EELS) to determine the chemical composition. The results reveal that titanium growth is strongly diffusion-limited under the investigated conditions. Deposition using the triple-beam evaporator leads to the formation of amorphous three-dimensional clusters, indicating limited adatom mobility and insufficient surface diffusion for crystallization. Contamination is identified as a key factor suppressing structural ordering and favoring amorphous structures. In contrast, cleaner conditions promote the formation of more ordered and partially crystalline structures, highlighting the critical role of surface cleanliness. Oxygen further modifies the growth behavior by promoting titanium oxide formation. The simultaneous deposition leads to direct interaction during growth, while sequential exposure results in distinct structural differences. These observations indicate that oxidation competes with diffusion processes and thereby influences nucleation and growth pathways. Overall, the growth of titanium-based nanostructures on graphene is strongly influenced by kinetic factors such as diffusion, contamination, and oxygen environment. These findings provide insight into the growth mechanisms of metal and metal oxide nanostructures on two-dimensional materials and contribute to the development of more controlled synthesis strategies for functional nanomaterials.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Elektronenmikroskopie Materialwissenschaften Nanomaterialien Graphen Titan
Schlagwörter
(Englisch)
electron microscopy material science nanomaterials graphene titanium
Autor*innen
Chiara Schlichte 
Haupttitel (Englisch)
Vacuum growth of titanium and titanium oxide on graphene
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
82 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Jani Kotakoski
Klassifikation
33 Physik > 33.61 Festkörperphysik
AC Nummer
AC17956082
Utheses ID
81440
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |