title: On the structural evolution towards germanene
title: A photoemission study of the structural formation of a 2D material at the surface and interface
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Kesper, Lukas
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2022
Subjects: subject: 2D materials
subject: Photoelectron spectroscopy
subject: Photoelectron diffraction
subject: Germanene
subject: Surface and interface analysis
subject: Buckling
subject: Ordered disorder
subject: 530
subject: Zweidimensionales Material
subject: Röntgen-Photoelektronenspektroskopie
subject: LEED
subject: Oberflächenanalyse
subject: Grenzfläche

description: In den letzten Jahren hat sich die Forschung zu 2D-Materialien aufgrund der Popularität von Graphen massiv ausgeweitet. Die erstaunlichen elektronischen und mechanischen Eigenschaften von Graphen haben Aufmerksamkeit erweckt und einen neuen Bereich der Festkörperphysik eröffnet. Es zeigte sich, dass verschiedene Elemente der Gruppe IVA und darüber hinaus in nur einer Monolage (ML) als Honigwabenstruktur stabil sind. Obwohl das chemical engineering zweidimensionaler Elementmaterialien sowie das von Heterostrukturen intensiv vorangetrieben wurde, ist das grundlegende Verständnis der Synthese von 2D-Materialien noch nicht vollständig. Strukturelle Parameter, wie die Welligkeit des Wabengitters, das sogenannte buckling, oder die Grenzflächenstruktur eines 2D-Materials zum Substrat, wirken sich direkt auf seine elektronischen Eigenschaften aus. Um das Verständnis des elementspezifischen Wachstums voranzutreiben, wird in dieser Arbeit eine Studie über die strukturelle Entwicklung des vielversprechenden 2D-Materials Germanen auf Ag(111) präsentiert. Sie bietet einen Überblick über Germaniumformationen, die bei verschiedenen Schichtdicken entstehen, wie die Ag2Ge-Oberflächenlegierung (SAP), die striped Phase (SP) und die gemischte Phase (MP), bis hin zu quasi-freistehendem Germanen (QFG). Mit Hilfe bewährter Oberflächenanalysemethoden, wie der niederenergetischen Elektronenbeugung (LEED), wird die langreichweitige und hohe Ordnung der epitaktisch gewachsenen Ge-Strukturen nachgewiesen. Mittels hochauflösender Photoelektronenspektroskopie (XPS) mit Synchrotronstrahlung wird die interne Struktur und Grenzflächenstruktur aller Germanen-Phasen aufgelöst. Zudem kann die klare Unterscheidung zwischen allen Phasen anhand ihrer elektronischen Struktur gezeigt und der Nachweis von chemisch freistehendem Germanen auf Ag(111) erbracht werden. Die zusätzlich durchgeführte Photoelektronenbeugung (XPD) ermöglicht die Darstellung spezifischer Strukturmodelle ausgewählter Germanenphasen mit besonderem Augenmerk auf die strukturellen Parameter und elektronischen Wechselwirkungen an der Grenzfläche. Außerdem wird die SAP mit einer Deckschicht aus Al2O3 bedeckt, um seine strukturelle Entwicklung als verborgene Zwischenschicht zu untersuchen. Diese Arbeit bietet einen Ausblick auf die Synthese vielversprechender Germanenphasen auf Ag(111) und zeigt die Möglichkeit, diese Strukturen vor Umgebungsbedingungen zu schützen.
description: In the past decade, research on 2D materials has expanded massively due to the popularity of graphene. Its superb electronic and mechanical properties have attracted attention, which opened a new field in solid-state physics. Various elements of the carbon group IVA and beyond have been proven to be stable in a single monolayer (ML) formed in a honeycomb structure. Although the chemical engineering of two- dimensional elemental materials and heterostructures has been extensively pursued, the fundamental understanding of the synthesis of 2D materials is not yet complete. Structural parameters, such as the corrugation of the honeycomb lattice, called buckling, or the interface structure of a 2D material to the substrate, directly influence its electronic characteristics. In order to proceed with understanding the element-specific growth, this work presents a study on the structural evolution of the promising 2D material germanene on Ag(111). It provides a survey of germanium formations discovered at different layer thicknesses, like the Ag₂Ge surface alloy (SAP), the striped phase (SP), and the mixed phase (MP), right up to the arising of quasi-freestanding germanene (QFG). Using robust surface analysis tools like low-energy electron diffraction (LEED), the long-range and high order of the epitaxially grown Ge structures are demonstrated. The internal and interfacial structure of all germanene phases is revealed by utilizing high-resolution x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) with synchrotron radiation. Furthermore, a clear distinction between all phases can be drawn by their electronic structure, the same as collecting evidence for chemically freestanding germanene synthesized on Ag(111). The additionally performed x-ray photoelectron diffraction (XPD) allows to present specific models of the atomic and chemical structure of selected germanene phases, focusing on the structural parameters and electronic interaction at the interfaces. Moreover, the SAP is encapsulated with a capping layer of Al₂O₃ in order to examine its structural development as a buried interlayer upon the encapsulation. This work offers a perspective on synthesizing promising germanene phases on Ag(111) and provides a prospect to protect the structures from ambient conditions.