Universität zu Köln

Herbig, Charlotte (2017). Ion Irradiation and Carbon Radical Exposure of Graphene and Hexagonal Boron Nitride on Iridium(111). PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF PhDthesisHerbig.pdf Download (239MB)

Abstract

In the recent years, two-dimensional materials such as Graphene and monolayers of hexagonal boron nitride have moved increasingly into the spotlight of science and research due to their extraordinary properties. This thesis is devoted to the investigation of the phenomena that occur during ion irradiation and carbon radical exposure of graphene and monolayer hexagonal boron nitride resting on a metal substrate. The resulting surface morphologies are studied by scanning tunneling microscopy and low-energy electron diffraction, whereas X-ray photoelectron spectroscopy and temperature programmed desorption provide chemical information. The experimental data is corroborated by molecular dynamics simulations and density functional theory calculations shedding light on the microscopic mechanisms. In the first part, we study the response of graphene and monolayer hexagonal boron nitride resting on an Ir(111) substrate to ion irradiation. We show that over a broad parameter space ion irradiation of graphene and monolayer hexagonal boron nitride results in noble gas trapping at the interface of the two-dimensional layers and their metal supports. The two-dimensional layers act as one-way valves which upon annealing seal the trapped species in highly pressurized blisters. We find that the one-way valve effect results from the fact that the energetic particles can easily penetrate the two-dimensional sheet, then lose most of their energy to the substrate, making a return through the covering layer virtually impossible. Moreover, even though the two-dimensional layers are highly perforated, the edges of the holes bind strongly to the metal substrate and thereby prevent the escape from underneath. Since the phenomenon holds for ion exposure of graphene and monolayers of hexagonal boron nitride it must be assumed to take place for a broad range of materials out of the zoo of two-dimensional matter. We describe ways to avoid blister formation during graphene growth, and also demonstrate how ion implantation can be used to intentionally create blisters under a perfect two-dimensional layer without introducing damage to it. By varying the incident angle of ion irradiation we find that at large impact angles graphene can be eroded without noble gas trapping. This finding is relevant to avoid undesired effects in graphene and other two-dimensional sheets upon ion beam nanopatterning. Moreover, with scanning tunneling microscopy we image through the hexagonal boron nitride blister lid and find a superstructure corresponding in lattice parameter to what we expect for a crystalline Xe layer. We conclude that due to the strong adhesion of twodimensional layers to Ir(111) the pressure inside the blisters is in the GPa range resulting in Xe solidification. By exposing graphene and monolayer hexagonal boron nitride to high ion doses, the twodimensional layers are amorphized. Surprisingly, upon annealing, graphene as well as monolayer hexagonal boron nitride recover to perfection, except of vacancy islands resulting from sputtering and noble gas blisters. Finally, we study the potential of graphene as a sputtering shield for the underlying metal substrate. It is demonstrated that effcient sputter protection relies on self-repair of the ion damage in graphene, which takes place effciently in the temperature range of chemical vapor deposition growth. The second part of this thesis is dedicated to carbon radical exposure of graphene on Ir(111). We comprehensively discuss the different pathways for carbon radicals deposited onto graphene on Ir(111) over a broad range of deposition temperatures. At high temperatures we observe graphene bilayer growth. To go beyond, we provide evidence for a hitherto unknown mechanism of carbon incorporation into the preexisting graphene layer resulting in in-plane compression and eventually in wrinkle formation upon cool down. The discovery of this phenomenon is of greatest importance for Gr bilayer growth via radical carbon deposition as wrinkle formation will deteriorate the graphene quality. At low deposition temperature we reveal that upon carbon deposition onto the moiré formed by graphene and Ir(111) a periodic carbon cluster lattice emerges.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language In den letzten Jahren sind zweidimensionale Materialien wie Graphen und Monolagen von hexagonalem Bornitrid aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften in den Fokus von Forschung und Wissenschaft gerückt. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Untersuchung der Phänomene die auftauchen, wenn man Graphen und einschichtiges hexagonales Bornitrid, die beide auf einem Substrat ruhen, Ionenbeschuss und Bestrahlung mit Kohlenstoffradikalen aussetzt. Mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie und niederenergetischer Elektronenbeugung wird die resultierende Oberflächenmorphologie untersucht, wohingegen Röntgenphotoelektronenspektroskopie und temperatur-programmierte Desorption chemische Informationen liefern. Die experimentellen Daten werden durch molekulardynamischen Simulationen und Berechnungen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie untermauert, welche die mikroskopischen Mechanismen beleuchten. Im ersten Teil wird die Reaktion von Graphen und einschichtigem hexagonales Bornitrid, die beide auf einem Substrat ruhen, auf Ionenstrahlen untersucht. Wir zeigen, dass über einen weiten Parameterraum Ionenbeschuss von Graphen und einschichtigem hexagonalem Bornitrid dazu führt, dass Edelgas in der Zwischenlage der zweidimensionalen Schicht und der Metallunterlage eingefangen wird. Die zweidimensionalen Lagen wirken wie ein Einwegventil, das beim Ausheilen die eingefangenen Atome unter hohem Druck in Blasen versiegelt. Es zeigt sich, dass der Einwegvetil-Effekt aus der Tatsache resultiert, dass die energetischen Teilchen die zweidimensionale Lage leicht passieren können, dann den größten Teil ihrer Energie an das Substrat verlieren und damit ein Entkommen durch wiederholtes Passieren der zweidimensionale Schicht nahezu unmöglich wird. Obwohl die zweidimensionale Lage stark perforiert ist, führt die starke Wechselwirkung der Kanten der durch den Ionenbeschuss entstandenen Löcher dazu, dass ein Entkommen von unterhalb verhindert wird. Da dieses Phänomen sowohl für Graphen als auch für hexagonales Bornitrid stattfindet, kann man davon ausgehen, dass dies auch für ein breites Spektrum an Materialien aus der Familie der zweidiemnsionalen Schichten gilt. Wir beschreiben Möglichkeiten, um das Entstehen von Blasen während des Graphenwachstums zu verhindern und emonstrieren, wie Ionenimplantation gezielt genutzt werden kann, um Blasen ohne Beschädigung der zweidimensionalen Lage zu erzeugen. Durch das Verändern des Einfallwinkels während des Ionenbeschusses haben wir herausgefunden, dass bei einem groÿen Aufprallwinkel das Graphen erodiert werden kann, ohne Edelgase einzufangen. Diese Erkenntnis ist von hoher Relevanz, um ungewollte Effekte während der Nanostrukturierung von Graphen mit Hilfe von Ionenbeschuss zu verhindern. Desweiteren bilden wir mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie durch den Deckel aus einlagigem hexagonalem Bornitrid eine Überstruktur ab, die den Gitterparameter einer kristallinen Xe Lage aufweist. Daraus schlussfolgern wir, dass die starke Adhäsion des einschichtigem hexagonalem Bornitrids zum Iridium extreme Drücke im GPa-Bereich verursacht und zu einer Verfestigung des Xenon führt. Durch den Beschuss von Graphen und einschichtigem hexagonalem Bornitrid mit hohen Ionenfluenzen werden die zweidimensionalen Lagen amorphisiert. Überraschenderweise erholen sich beide Materialien nach dem Ausheilen wieder bis hin zur Perfektion. Es bleiben ausschließlich Leerstelleninseln, die durch die Ionenerosion entstehen, und edelgasgefüllte Blasen erhalten. Schließlich untersuchen wir das Potential von Graphen als Erosionsschutz für das darunterliegende Metallsubstrat. Es wird gezeigt, dass der wirksame Zerstäubungsschutz auf der Selbstheilung des ioneninduzierten Schadens im Graphen beruht, welche bei Temperaturen im Bereich des Wachstums über die chemische Gasphasenabscheidung effizient stattfindet. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Deposition von Kohlenstoffradikalen auf Graphen auf Ir(111). Wir diskutieren umfangreich die verschiedenen Wege für Kohlenstoffradiakale in Wechselwirkung mit Graphen auf Ir(111) über einen weiten Temperaturbereich. Bei hohen Temperaturen beobachten wir das Wachstum von zweilagigem Graphen. Darüber hinaus liefern wir Beweise für den bisher unbekannten Mechanismus des Einbaus von Kohlenstoff in die bestehende Graphenlage. Dies führt zu einer Verdichtung innerhalb der Lage und schlieÿlich zu Faltenbildung während des Abkühlprozesses. Die Entdeckung dieses Phänomens ist für das Wachstum von Graphen Bilagen durch Deposition von atomaren Kohlenstoff von größter Bedeutung, da die Bildung von Falten die Qualität des Graphens vermindert. Bei tiefen Temperaturen decken wir auf, dass durch Kohlenstoffdeposition auf das moiré, das sich ausbildet wenn Graphen auf Iridium ruht, periodische Kohlenstoffcluster gebildet werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Herbig, Charlotte herbig@ph2.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-75107
Date:	2017
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language graphene; hexagonal boron nitride; ion irradiation; cluster; radical carbon English
Date of oral exam:	26 January 2017
Referee:	Name Academic Title Michely, Thomas Prof. Dr. Schleberger, Marika Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7510