title: Synthesis and electronic characterization of bottom-up synthesized graphene nanoribbons and porous nanographenes
Creators: name: Dobner, Christoph
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2023
Subjects: subject: Surface science
subject: carbon nanostructures
subject: graphene nanoribbons
subject: self-assembly
subject: bottom-up synthesis
subject: graphene
subject: scanning tunneling microscopy
subject: scanning tunneling spectroscopy
subject: 530

description: 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.