Electronic and magnetic properties of graphene-based systems

Abstract

The rising demand for every greater computing power and the continuous miniaturization of electronic devices require a detailed knowledge of the physical interactions down to the atomic scale. Graphene is a promising candidate for future applications because of its unique properties such as optical transparency which can be used touch screens, the “mass-less” electron behavior leading to high carrier mobility which is suited in electronic devices, and the mechanical robustness which is desired in many applications. In the present work the electronic and magnetic properties of graphene on varied substrate are investigated by spectrometric methods. The results of these experiments were supported by DFT calculations. Concerning the DFT results it was possible to explain the magnetic moment induced into graphene by the formation of several new interface states. These interface states are energetically split, leading to different occupations for spin-up and spin- down states, generating the magnetic moment of the graphene layer observed in XCMD experiments. This work is focused on the study of the fundamental coupling mechanism and the possibility to influence them. Via intercalation of Fe or Al, it was possible to increase or suppress magnetic interaction. This is a highly interesting observation because it may open the door to a continuous tuning of the induced magnetic moment into the graphene. A promising aspect of the thesis is the investigation of epitaxially grown ordered multilayer graphene of Ni(111). Subsequently experiments showed that it is possible to tune the electronic properties of the graphene stack into the valence band configuration which are required [12, 67] to act as a spin filter device.

Die zunehmende Nachfrage nach Rechnerleistung und die fortschreitende Minia- turisierung der Struktur in elektronischen Schaltkreisen erfordert ein detailliertes Wissen der Prozesse und Wechselwirkungen auf atomarer Ebene. Ein Hauptaugen- merk liegt dabei auf selbstordnenden Systemen mit deren Hilfe es möglich ist Struk- turen effektiv und kontrolliert für zukünftigen Compterbauelemente zu präparieren. Graphene auf Ni(111) ist eines dieser Systeme, so lassen sich mühelos große Flächen von Graphen hoher Qualität und Ordnung wachsen. Des Weiteren hebt sich Graphen mit seinen herausragenden elektronischen, optischen und mechanischen Eigenschaften wie zum Beispiel das Auftreten von ”masselossen” Ladungsträgern weit von anderen Materialien ab. Die Wahl des Ni(111) Substrates bietet die Möglichkeit Wechselwirkungen zwischen ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Festkörpern in einer kommensuraten Struktur zu untersuchen. In dieser Doktorarbeit wurden die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Graphen auf verschiedenen Substraten mittels spektrometrischen Methoden untersucht. Die Ergebnisse wurden mit DFT-Berechnungen verglichen. Dabei konnte ein in das Graphen induziertes magnetisches Moment durch Auswertung von DFT Berechnungen der Ausbildung von mehreren Interface-Zuständen zugeordnet wer- den. Diese Arbeit beschäftigt sich im besonderem Maße mit den grundlegenden Kopplungsmechanismen der elektronischen Systeme des Graphen und des Ni so wie der Möglichkeit diese zu beeinflussen. Durch Intercalation von Fe oder Al konnte die magnetischem Wechselwirkung gestärkt bzw. nahe zu ausgeschaltet werden. Dies ist eine sehr interessante Beobachtung mit Hinblick auf die Möglichkeit, die physikalischen Eigenschaften von Graphen gezielt zu verändern. Eine viel versprechende Entdeckung ist die Entdeckung einer Methode zur Präparation von mehrlagigem Graphen. In den anschließenden spektrometrischen Untersuchungen konnte die elektronische Valenzbandstruktur so beeinflußt werden, dass sie alle Charakteristika des von Karpan vorgeschlagenen Spinfilters aufweisen [12, 67].