Chemistry on Graphene

Algara-Siller, Gerardo

Das hohe Auflösungsvermögen moderner Transmissions-Elektronenmikroskope (TEM) unter einem Angstrom ermöglicht die Untersuchung von Materialien auf atomarer Ebene. Mit dem TEM können sowohl die atomare Struktur als auch dynamische Prozesse direkt beobachtet und damit Rückschlüsse auf physikalische und chemische Eigenschaften gezogen werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Charakterisierung von Graphen - einer einlagigen Kohlenstoffschicht mit herausragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften - mit Hilfe unterschiedlicher TEM Verfahren. Einerseits konnte die Qualität von unterschiedlich hergestellten Graphen-Proben an Hand von Strukturuntersuchungen verglichen werden. Andererseits wurden die Einsatzmöglichkeiten von Graphen als Träger- und Schutzschicht, Ausgangsmaterial, Substrat, sowie als Nano-Behälter untersucht. Als Trägermaterial wurde Graphen für Nanoteilchen verwendet, welche für biologische Anwendungen konzipiert wurden. Um geeignete Proben für TEM Untersuchungen herzustellen, waren Oberflächenpräparation und Optimierung der Transfermethode entscheidend. Die TEM Untersuchungen an Nanoteilchen (Au NCs, QDs und Nano-Diamanten mit atomaren Fehlstellen) auf Graphen ermöglichten eine direkte Beschreibung ihrer atomaren Struktur, Größe und Größenverteilung. Untersuchungen von DNA auf Graphen zeigten, dass die Abbildung von biologischen Proben auf Graphen-Trägermaterialen mittels TEM möglich ist. Des Weiteren konnte nachgewiesen werden, dass Graphen auch als Schutzschicht für strahlempfindliche Materialien, wie z.B. C3N4 oder MoS2, geeignet ist und damit die Abbildung dieser Proben in ihrem ursprünglichen Zustand erlaubt. In Bestrahlungexperimenten konnten einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus einer Graphen-Doppellage geformt werden. In einem weiteren Experiment gelang es aus den Adsorbaten auf Graphen eine weitere Graphen-Lage (in-situ) unter Elektronenbeschuss zu wachsen. Weitere Experimente an Wasser, das zwischen zwei Graphen-Lagen eingeschlossen wurde (nano-confinement), erlaubten erstmals die direkte Beobachtung und Charakterisierung einer neuen Modifikation von Eis bei Zimmertemperatur: dem "square ice". Nicht zuletzt wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neue Methode zur Säuberung von Graphen-Oberflächen von Adsorbaten mit Hilfe von Adsorptionsmitteln entwickelt, dem sogenannten "dry-cleaning".

State-of-the-art transmission electron microscopes (TEMs) are capable to achieve sub-Angstrom resolution. Therefore matter can be studied at the atomic level, i.e., with a TEM the atomic structures and processes can be observed, consequently physical and chemical properties can be derived. In this work, graphene, one atom thick material with outstanding physical and chemical properties, has been thoroughly characterised by different TEM techniques. The structural description of graphene allowed us to compare graphene samples fabricated by different methods and to assess their quality. Furthermore, graphene has been used as a substrate, protective layer, raw material, surface template and nano-confiner.Graphene substrates were used to support nano-objects which were designed for biological applications. Treatments of the graphene substrates prior to sample deposition as well as sample deposition techniques provided the means to obtained samples suitable for TEM investigations. The TEM studies in nano-objects (Au NCs, QDs, nanodiamond with NV centres), deposited on graphene, resulted in the characterisation of their structure, size and dispersion. DNA deposited on graphene was also investigated by TEM. The results showed that the approach of using graphene as substrate can be used to image the structure biological samples. It is presented also in this thesis that graphene can protect radiation sensitive materials such as C3N4 and MoS2 from the electron beam, allowing imaging these materials in their pristine state. By using the electron beam to nano-engineer bilayer graphene it was possible to create single-walled carbon nanotubes. In another experiment, graphene served as surface template where an adlayer graphene grew from residual contamination during imaging. Experiments with water trapped between graphene layers (nano-confinement) resulted in the detection, observation and characterisation of a new form of ice at room temperature, i.e. square ice. Additionally, atomically clean graphene was obtained by the development of a new cleaning method using adsorbents - dry-cleaning -.

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Algara-Siller, Gerardo: Chemistry on Graphene. 2015.

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