Adsorption und Funktionalisierung von Graphen auf Metalloberflächen

Abstract

The aim of this work is to study the influence of molecular and atomic adsorbates on graphene/Ni(111) and graphene/Ir(111), towards a chemical functionalization of graphene. Functionalization means here to access and modify properties of graphene, to introduce new properties into graphene by adding new chemical components into the graphene lattice, or to vary the properties of graphene by modifying its substrate. These three pathways of functionalization are studied in the context of water and ammonia adsorption, the photolysis and subsequent oxidation from photolysis of adsorbed molecules, and by introducing a single atomic layer of manganese between graphene and its substrate. The observations and results presented below are observed by means of core level and valence band photoemission spectroscopy, near edge x-ray absorption fine structure spectroscopy, and scanning tunneling microscopy. The adsorption of water and ammonia can be detected due to the unique electronic structure of graphene, not only on the adsorbate states but also from the substrate level modification. Due to the weak and reversible adsorption, new adsorbate-induced unoccupied electronic states are observed in graphene, using element-specific x-ray absorption spectroscopy. This weak chemical bond between the adsorbate and graphene is only detectable due to the distinct electronic structure of the single atomic graphene layer. The spectral manifestation of these induced electronic states depends on the interaction strength of the adsorbate to the graphene/metal system and permits to estimate its strength. The incorporation of novel functional groups is achieved by adsorption and photolysis of NO₂ and SO₂ on graphene/Ir(111). The photolysis of these adsorbates leads to the formation of oxygen atoms on the surface, able to selectively oxidize graphene towards the epoxidic oxygen phase, locally restricted to the adsorption site and under the formation of only a small number of defects. The resulting graphene oxide layer is hence of high quality and is thermally completely reversible towards a high quality graphene layer. By means of intercalation of manganese between graphene and the Ir(111) substrate, graphene can be functionalized not only locally, such as by oxidation, but by affecting the entire graphene layer. The intercalation process of manganese is observed at room temperature and the intercalation of manganese leads to the formation of a strong anisotropy in the electronic structure of graphene and to an enhanced surface roughness. However, many unique properties, such as the hybridization and the linear dispersion of the graphene π-band, stay intact.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss molekular und atomarer Adsorbate auf Graphen/Ni(111) und Graphen/Ir(111), zum Zwecke einer chemischen Funktionalisierung des Graphens. Der Begriff Funktionalisierung bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die Nutzbarmachung bereits vorhandener Eigenschaften des Graphens, dem Einbau chemischer Gruppen in dessen Struktur und dessen Funktionalisierung durch Variation des unterliegenden Substrates. Diese drei Wege der Funktionalisierung werden durch die Adsorption von Wasser und Ammoniak, die Photolyse von Vorläufer-Molekülen mit anschließender Oxidation und durch das Einbringen einer künstlichen, einatomigen Mangan- Schicht in dem Raum zwischen Graphen und seinem Substrat erzeugt. Die im folgenden beschriebenen Resultate der Funktionalisierung wurden mit den Methoden der Photoemissions Spektroskopie der Kern- und Valenz-Zustände, der Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie und der Rastertunnelmikroskopie untersucht. Die Adsorption von Wasser und Ammoniak kann durch die einzigartige elektro-nische Struktur des Graphens, nicht nur im Adsorbat sondern auch im Graphen selbst nachgewiesen werden. Im Zuge dieser schwachen und reversiblen Adsorption ist es möglich, mittels der elementspezifischen Röntgenabsorption die Ausbildung neuer, unbesetzter Kohlenstoff-Zustände im Graphen-Substrat nachzuweisen, welche vom Adsorbat induziert wurden. Diese schwache, chemische Bindung ist nur durch die sehr deutliche elektronische Struktur der monoatomaren Graphen-Schicht zu ermitteln. Die Ausbildung dieser neuen Zustände hängt dabei von der Wechselwirkungsstärke des Adsorbates in Graphene/Ni(111) und Graphen/Ir(111) ab und lässt einen Rückschluss auf die unterschiedliche Wechselwirkungsstärke der Graphen-Schicht zu ihrem jeweiligen Substrat zu. Eine Funktionalisierung durch den Einbau einer neuen chemischen Gruppe in die Graphenstruktur konnte durch eine Oxidation mittels Photolyse von NO₂ und SO₂, herbeigeführt werden. Durch die Bestrahlung dieser adsorbierten Moleküle mit harter UV und Röntgenstrahlung ist es möglich, die Graphen-Schicht, mittels der bei der Photolyse entstehenden Sauerstoffatome, zu oxidieren. Die Oxidierung erfolgt chemisch selektiv zugunsten der epoxidischen Oxidphase, lokal selektiv zum Adsorptionsort und unter der Erzeugung einer geringen Zahl von Defektstellen. Diese Oxidations-Reaktion ist thermisch vollständig reversibel. Mittels Interkalation einer Monolage von Mangan zwischen die Graphen-Schicht und das Ir(111) Substrat ist es gelungen, die Eigenschaften von Graphen nicht nur punktuell, sondern auf der gesamten Fläche des Graphens zu verändern. Im vorliegenden Fall ist es möglich, eine erhebliche Anisotropie in der elektronischen Struktur und eine starke Erhöhung der Oberflächen-Rauigkeit zu erzeugen. Dabei bleiben wesentliche strukturelle und elektronische Eigenschaften, d.h. die Hybridisierung der Kohlenstoff-Atome und die lineare Dispersion des Graphen π-Bandes um den Dirac Punkt, erhalten.