Synthesis and electronic characterization of bottom-up synthesized graphene nanoribbons and porous nanographenes

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Dobner, Christoph:
Synthesis and electronic characterization of bottom-up synthesized graphene nanoribbons and porous nanographenes.
Bayreuth , 2023 . - 132 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006813

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Abstract

Durch die Digitalisierung und Ausweitung der Elektromobilität steigt die Nachfrage nach Halbleitermaterialien stetig. Neben der Weiterentwicklung von etablierten traditionellen Materialien werden auch Alternativen gesucht, die verbesserte physikalische und elektronische Eigenschaften aufweisen. Vor allem die experimentelle Entdeckung von Graphen im Jahr 2007 eröffnete einen völlig neuen Forschungsbereich, der sich auf Halbleiter auf Graphenbasis konzentriert. Mithilfe verschiedener Techniken ist es möglich, eine Bandlücke in dem ansonsten metallischen Graphen zu öffnen. Die vielversprechendste Technik ist die laterale Begrenzung des Kohlenstoffgitters, wodurch sogenannte Graphen-Nanoribbons (GNR) entstehen.
Die elektronischen Eigenschaften dieser Ribbons, wie deren Bandstruktur und die Größe der Bandlücke, hängen in hohem Maße von der genauen atomaren Konfiguration des GNRs ab. Daher ist es notwendig, diese mit atomarer Präzision zu synthetisieren, was nur mit einem "Bottom-up"-Ansatz möglich ist. Dabei werden die Bänder aus einzelnen Precursormolekülen durch Selbstorganisation auf der Oberfläche zusammengesetzt, was die Herstellung von GNRs mit maßgeschneiderter Struktur ermöglicht.
Durch definierte Veränderungen der Struktur, können Graphen-Nanoribbons mit unterschiedlichen Bandlücken erzeugt werden, indem beispielsweise die Breite des Bandes variiert wird, oder es können gezielt topologische Zustände in den Nanostrukturen induziert und anschließend experimentell untersucht werden. Bildgebende Verfahren wie Rastertunnelmikroskopie oder Rasterkraftmikroskopie werden in der Regel eingesetzt, um die genaue atomare Konfiguration der Nanostrukturen zu überprüfen.
Die meisten Ansätze zur Änderung der elektronischen Eigenschaften von GNRs beruhen auf dem Einbau von Heteroatomen in das Gitter, oder dem Anhängen funktioneller Gruppen an den Ecken des Ribbons. Andere Ansätze, wie der gezielte Einbau von strukturellen Fehlstellen, sind jedoch weitgehend unerforscht.
In dieser Arbeit werden neuartige Precursormoleküle für die Synthese von GNRs, mit einzigartigen strukturellen Modifikationen, verwendet. Es wird gezeigt, dass es durch eine Variation des Halogenierungswinkels der einzelnen Precursormoleküle möglich ist, periodische Fehlstellen, bzw. Nanoporen in das Rückgrat des Ribbons einzubauen. Der Einfluss solcher Poren auf die elektronische Struktur der GNRs wird mit Hilfe der Rastertunnelspektroskopie untersucht.
Auf der Grundlage dieser GNRs wird außerdem gezeigt, dass es möglich ist, aus einzelnen GNRs, Streifen aus porösem Nanographen herzustellen. Solche Nanographene wurden bisher nur durch einen "Top-Down"-Ansatz, basierend auf einer größeren Graphen-Flocke, synthetisiert. Durch die hier verwendete "Bottom-up"-Methode und den Einbau von Nanoporen im Inneren der Strukturen, kann jedoch gezeigt werden, dass eine erhebliche Bandlücke geöffnet wird. Solch große, halbleitende, poröse Nanographene wurden bisher noch nicht experimentell hergestellt und stellen ein vielversprechendes Material für den Einsatz in Graphen-basierten Feldeffekttransistoren dar.
Neben diesen Ergebnissen werden auch andere experimentelle Arbeiten wie der Transfer und Aufbau eines Ultrahochvakuum-Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops und die Entwicklung einer diffusionsbasierten Probenpräparationstechnik vorgestellt. Mit dieser Technik ist es möglich, GNR-Heterostrukturen unterschiedlicher Precursorzusammensetzung auf einer einzigen Probe herzustellen, was deren experimentelle Untersuchung extrem vereinfacht.
Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung der Herstellung von Halbleiterbauelementen auf der Basis von Graphen dar. Die neu entwickelten Techniken ebnen den Weg für die Synthese von porösen Nanographenen und der simplen Herstellung von GNR-Heterostrukturen.

Abstract in weiterer Sprache

With digitalization and electromobility on the rise, the demand for semiconductor materials is growing. Besides the established traditional semiconductor materials, alternatives are being developed, which show improved physical and electronic properties. Especially the experimental discovery of isolated graphene in 2007 led to a new field of research, focused on graphene based semiconductors. Using different techniques, it is possible to open up a bandgap in the otherwise metallic graphene. The most promising one being lateral confinement of the carbon lattice, creating so-called graphene nanoribbons (GNR).
The electronic properties of these ribbons, like bandstructure and bandgap width, are highly dependent on the exact atomic configuration of the lattice. It is therefore necessary to synthesize such ribbons with atomic precision, which is only possible by using a bottom-up approach. Thereby, the ribbons are built out of individual precursor molecules by on-surface self-assembly, enabling the fabrication of structurally tailored GNRs.
Defined structural modifications can be used to create graphene nanoribbons with different bandgaps, for example by simply varying the width of the ribbon, or to induce topological states in the nanostructures that can be then studied experimentally. Imaging techniques like scanning tunneling microscopy or atomic force microscopy are usually used to verify the exact atomic configuration of the nanostructures.
Most of the approaches to manipulate a GNRs electronic properties are based on the incorporation of heteroatoms in the ribbon or the connection of functional groups to the edges. However, creating other approaches like the use of structural vacancies is mostly unexplored.
In this thesis, novel precursor molecules will be used for the synthesis of GNRs with unique structural modifications. It will be shown that through a variation of the halogenation angle on individual precursor molecules, it is possible to incorporate periodic vacancies, or nanopores, inside the ribbon's backbone. The influence of such pores on the electronic structure of the ribbon will be investigated using scanning tunneling spectroscopy.
Based on these novel GNRs it will be shown that it is possible to create strips of porous nanographene out of individual GNRs. Such nanographenes were previously synthesized via a top-down approach, starting from a larger graphene sheet. However, through this bottom-up method and the incorporation of nanopores inside the structures, a significant bandgap is opened up. Such large, semiconducting porous nanographenes have not been reported before and pose as promising materials for the incorporation in graphene based field effect transistors.
Besides these experimental results, other experimental work like the transfer and setup of a ultrahighvacuum low temperature scanning tunneling microscope and the development of a diffusion based sample preparation technique will also be presented. With this sample preparation technique, it is possible to create graphene nanoribbon heterojunctions of varying precursor composition on a single sample, simplifying their experimental investigation extremely.
The work of this thesis presents a significant step towards the fabrication of graphene based semiconductor devices. With newly developed techniques paving the way for the synthesis of porous nanographenes and GNR heterojunctions.