Intercalation of graphene: inelastic excitations, bilayer growth, and superstructures

Halle, Johannes GND

Die vorliegende Arbeit nutzt die Interkalation von Graphen mit verschiedenen Metallen zur Anpassung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften von Graphen und für die Entwicklung einer neuartigen Präparationsmethode für Graphen-Bilagen. Mithilfe eines Rastertunnelmikroskops (STM) werden außerdem inelastische Anregungen im Graphen sowie die erzeugten Überstrukturen untersucht. Der erste Teil der Dissertation stellt eine Studie zum inelastischen Tunneln in Graphen auf Metalloberflächen vor. Die Interkalation von Graphen auf Ir(111) mit Cs und Li bewirkt deutliche Signaturen von Phononenanregungen in den Tunnelspektren. Im Gegensatz dazu werden nach Ni-Interkalation keine inelastischen Anregungen detektiert. Die Stärke der Phononensignale kann durch die Bedeckung der Alkalimetalle sowie durch die Veränderung des Spitze-Probe-Abstandes beeinflusst werden. Mithilfe von Transportrechnungen anhand eines innovativen Drei-Elektroden-Setups wird der Zusammenhang zwischen der Kopplung von Graphen zu den angrenzenden Elektroden und der spektralen Signaturen der Graphen-Phononen analysiert. Ähnliche Phononensignaturen auf Graphen-Mono- und Bilagen auf Ru(0001) zeigen eine räumliche Abhängigkeit der Intensität von der Messposition innerhalb der Moiréstruktur. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Präparationsmethode für Graphen-Bilagen auf Basis einer sequenziellen chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). Zunächst wird eine Monolage Graphen auf Pt(111) in einem CVD-Prozess aus Ethen erzeugt. Anschließend wird zusätzliches Pt auf die Probenoberfläche aufgedampft. Hierdurch wird diese für einen weiteren CVD-Schritt reaktiviert, in welchem die zweite Lage Graphen wächst. Die nachfolgende Interkalation der Pt-Schicht unter die vergrabene Graphenlage erzeugt schließlich die Graphen-Bilagen auf Pt(111). Eine Analyse der Moirémuster bestätigt die erfolgreiche Präparation von Graphen-Doppellagen. Den Abschluss dieser Dissertation bildet eine explorative Studie der Wirkung von Graphen auf die Überstrukturen der Interkalanten. Exemplarisch werden die Pt-Interkalation von Graphen auf Pt(111) sowie die Interkalation von Cs und Li unter Graphen auf Ru(0001) untersucht. Bei graphenbedecktem Pt(111) ruft das eingefügte Pt eine Rekonstruktion der Substratoberfläche hervor. Aufgrund des Einflusses von Graphen unterscheidet sich deren Struktur qualtitativ von der einer Klasse verwandter Rekonstruktionen. Darüber hinaus wird die erfolgreiche Kointerkalation von Graphen auf Ru(0001) mit Cs und Li präsentiert. Die Alkalimetalle bilden separate Phasen mit Übergittern, die sich jeweils am Graphengitter statt an dem des Ru-Substrates ausrichten.

In this thesis graphene is intercalated with various metals to engineer its electronic and structural properties. Furthermore, intercalation is utilized in the development of a novel preparation method for bilayer graphene. Scanning tunneling microscopy and spectroscopy enables the characterization of inelastic excitations and intercalant superstructures at the nanoscale. The first chapter of this work presents a study of inelastic tunneling into graphene on metal surfaces. The intercalation of graphene on Ir(111) with Cs and Li gives rise to pronounced signatures of graphene phonon excitations in tunneling spectra, while Ni-intercalated graphene does not yield detectable inelastic features. Moreover, the phonon signal strength can be tuned by the alkali metal coverage and the junction conductance. Transport calculations based on an innovative three-terminal setup provide general insight into the relations between the graphene-electrode coupling and the spectroscopic fingerprints of graphene phonons. Similar phonon signatures from monolayer and bilayer graphene on Ru(0001)exhibit spatial intensity variations on the moiré patterns. In the second part of this thesis the development of a growth method for graphene bilayers based on sequential chemical vapor deposition (CVD) is portrayed. On Pt(111) a first monolayer of graphene is prepared via the thermal decomposition of ethylene in a CVD process. Deposition of additional Pt then reactivates the sample surface for the growth of the second graphene sheet. Subsequent intercalation of the added Pt layer beneath the buried graphene produces bilayer graphene on Pt(111). The analysis of the observed moiré patterns evidences the successful double layer growth and unveils the impact of the twist angles at graphene-substrate and graphene-graphene interfaces on the origin of the observed moiré. The thesis is concluded by an exploratory study of the impact of graphene on intercalant superstructures, which is mediated by its influence on the interlayer and intralayer interactions at the surface. The examples of Pt intercalation under graphene on Pt(111), and the intercalation of Cs and Li under graphene on Ru(0001) are investigated. On graphene-covered Pt(111) the inserted Pt produces a substrate reconstruction. Due to the presence of graphene, this superstructure is qualitatively different from those of a class of related reconstructions induced by the deposition of metals on Pt(111) and, specifically, by the homoepitaxy of Pt. Moreover, the successful cointercalation of graphene on Ru(0001) with Cs and Li is demonstrated. The alkali metals form separate phases with superlattices that are oriented at the graphene lattice rather than the Ru substrate.

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Halle, Johannes: Intercalation of graphene: inelastic excitations, bilayer growth, and superstructures. Ilmenau 2019.

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