Electronic characterization of graphene nanoribbons from different perspectives

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	17 February 2021
Referee:	PD Dr. Jonathan Eroms and Prof. Dr. Jascha Repp
Date of exam:	23 December 2020
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Giessibl > Group Jascha Repp Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Weiss > Group Dieter Weiss
Keywords:	graphene nanoribbons, I-V-characteristics, Kondo, current-induced diffusion, STM, AFM
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	44878

Abstract (English)

This thesis characterizes different kinds of graphene nanoribbons (GNRs) from an electronic point of view and thereby tries to bridge the worlds of mesoscopic transport and atomistic aspects. In one part of the thesis, solution-based cove-type GNRs are brought onto mechanically exfoliated hexagonal boron nitride flakes. We observe the formation of ordered GNR domains by means of atomic force ...

Abstract (English)

This thesis characterizes different kinds of graphene nanoribbons (GNRs) from an electronic point of view and thereby tries to bridge the worlds of mesoscopic transport and atomistic aspects.
In one part of the thesis, solution-based cove-type GNRs are brought onto mechanically exfoliated hexagonal boron nitride flakes. We observe the formation of ordered GNR domains by means of atomic force microscopy. Employing electron beam lithography and metallization, we contact the GNRs with different metals and measure their I-V-characteristics under ambient conditions.
The second part of the thesis investigates atomically precise armchair GNRs that are synthesized on a Au(111) surface under ultra-high vacuum conditions in the chamber of a scanning tunneling microscope (STM).
On the one hand, we modify the electronic properties of GNRs by manipulating single Co atoms underneath the GNRs with the help of an STM tip. Differential conductance spectroscopy reveals the appearance of a Kondo-like resonance for certain intercalation sites. The experimental results are compared to density functional theory and tight-binding calculations.
On the other hand, we study the diffusion of Co atoms adsorbed on top of the GNRs. We contact the GNRs with an STM tip and inject a current which causes a displacement of the Co atoms. The Co atoms predominantly move along the GNR, rendering the motion one-dimensional. Temperature dependent measurements are performed to extract the Co diffusion rate.

Translation of the abstract (German)

Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Charakterisierung der elektronischen Eigenschaften dünner Graphenstreifen (graphene nanoribbons, GNRs). Dabei werden deren Transporteigenschaften auf der mesoskopischen Skala bis hin zur Diffusion einzelner Dotieratome auf den GNRs untersucht. Zusätzlich werden die elektronischen Zustände der GNRs durch gezieltes Hinzufügen von Adatomen manipuliert. Im ...

Translation of the abstract (German)

Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Charakterisierung der elektronischen Eigenschaften dünner Graphenstreifen (graphene nanoribbons, GNRs). Dabei werden deren Transporteigenschaften auf der mesoskopischen Skala bis hin zur Diffusion einzelner Dotieratome auf den GNRs untersucht. Zusätzlich werden die elektronischen Zustände der GNRs durch gezieltes Hinzufügen von Adatomen manipuliert.
Im ersten Teil der Arbeit werden lösungsmittelbasierte „cove-type“ GNRs auf mechanisch exfolierte Bornitrid-Flocken aufgebracht. Unter Zuhilfenahme eines Rasterkraftmikroskops wird die Ausbildung geordneter GNR-Domänen beobachtet. Mittels Strukturierung durch Elektronenstrahllithographie und Metallisierung werden die GNR-Domänen mit unterschiedlichen Metallen kontaktiert und ihre Strom-Spannungs-Kennlinien aufgenommen.
Der zweite Teil der Arbeit behandelt GNRs mit atomar präzisen „armchair“ Rändern, die in der Kammer eines Rastertunnelmikroskops (STM) auf einer Au(111)-Oberfläche synthetisiert werden.
Die elektronische Struktur dieser GNRs wird modifiziert, indem einzelne Co Atome mit Hilfe der STM-Spitze unter die GNRs geschoben werden. Für bestimmte Co Positionen tritt eine Kondo-artige Resonanz in Rastertunnelspektren auf. Die experimentellen Ergebnisse werden mit theoretischen Berechnungen aus Dichtefunktionaltheorie und Tight-Binding-Modell verglichen.
Darüber hinaus wird die Diffusion von einzelnen Co Atomen, die auf den GNRs adsorbiert sind, untersucht. Dazu werden die GNRs mit einer STM-Spitze kontaktiert und ein Strom-Puls gegeben, der zu einer Bewegung der Co Atome führt. Die Co Atome bewegen sich hauptsächlich entlang des GNR und vollziehen somit eine eindimensionale Bewegung. Die Diffusionsrate der Co Atome wird mit temperaturabhängigen Messungen abgeschätzt.

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