Untersuchung der 2D Transporteigenschaften von Graphen auf hydrophobem Substrat

Abstract

In dieser Arbeit wurden zum ersten Mal Graphen auf hydrophobem Substrat präpariert und die Auswirkungen der hydrophoben Umgebung auf den elektronischen Transport und Magnetotransport untersucht. Betrachtet man die hier verwendeten Proben, ist es ersichtlich, dass im Vergleich zu Graphen auf unbehandeltem SiO2 der hydrophobe Charakter des verwendeten Substrates sie positiv beeinflusst. Proben auf hydrophilem Substrat (SiO2) werden durch die polaren Moleküle an dessen Oberfläche beeinflusst. Es wird eine massive Hysterese im Feldeffekt beobachtet sowie eine hohe intrinsische Dotierung der Graphenproben. Dies wurde bereits sowohl auf Ladungsübertragung von polaren Molekülen wie z. B. H2O, als auch auf die auf der Oberfläche des SiO2 sich bildenden Silanolgruppen zurückgeführt. Durch die Behandlung des Substrats mit HMDS bzw. OTS entsteht eine mit dem Substrat kovalent verbundene sich selbst organisierende hydrophobe Schicht. Da die Silanolgruppen von der Substratoberfläche dadurch entfernt wurden, können sich keine polaren Moleküle mehr anlagern. Sie werden durch das hydrophobe Substrat abgestoßen, was zu einer reproduzierbaren Reduzierung der Dotierung der Proben führt. Diese bleibt auch unter Atmosphäre zeitlich stabil. Die fehlenden Dipole auf dem Substrat führen zudem zu einer massiv reduzierten, bzw. bei HMDS behandeltem Substrat verschwindenden, Hysterese. So ist das Graphen auf Trimethylsilan in Dotierung und Ausprägung der Hysterese sogar unter Atmosphäre stabil. Zusätzlich ist eine weite Streuung der Mobilität zu beobachten und Werte bis zu 22000 cm2/Vs sind erreichbar. Die untersuchte Präparationsmethode kann die Mobilitäten der freihängenden Proben zwar nicht erreichen und zeigt auch nicht die Güte der Messungen von Proben auf BN, bietet im Schnitt aber eine höhere Mobilität als unbehandelte Substrate sowie eine unter Atmosphäre stabile, reproduzierbar niedrige Dotierung und eine nahezu nicht vorhandene Hysterese. Weiterhin können die Proben auf HMDS eine niedrigere Ladungsträgerdichteinhomogenität zeigen wie Proben auf unbehandeltem Substrat. Voraussetzung scheint die gute Qualität der hydrophoben Schicht zu sein, da sich ansonsten die Inhomogenität durch Defekte in der Silanschicht wieder verstärken könnte. Allerdings sind durch die hydrophobe Schicht Adsorbate oberhalb der Flocke nicht zu beeinflussen, die offensichtlich auch zur Inhomogenität beitragen. In den Leitfähigkeitsmessungen wird zudem durch den sublinearen Verlauf ersichtlich, dass es zwei Arten von Streuung gibt, die in Graphen bei verschiedenen Ladungsträgerdichtebereichen dominant werden. Auch auf hydrophobem Substrat konnte ein sublinearer Verlauf bei höheren Ladungsträgerdichten und damit der Einfluss der kurzreichweitigen Streuung in Graphen festgestellt werden. Er zeigt sich deutlich niedriger als bei Proben auf Substrat, auch BN. Somit zeigen die Proben in dieser Arbeit eine deutlich andere Streuungscharakteristik als Graphenproben auf hydrophile Substrate. Dies zeigt, dass diese Art von Streuung von der hydrophoben Schicht reduziert werden kann. Zudem wird deutlich, dass die Mobilität der untersuchten Proben hauptsächlich von Streuung durch großflächig wirksame Unordnung wie z. B. Morphologie des Substrats oder der Eigenwelligkeit des Graphens eingeschränkt wird, die bei freihängenden Proben und auf BN massiv reduziert wird. Ob die niedrigere Inhomogenität oder niedrigere kurzreichweitige Streuung zur besseren Sichtbarkeit des QHE beiträgt kann aus diesen Messungen nicht aufgeklärt werden. Proben auf hydrophobem Substrat können allerdings sehr deutliche SdH Oszillationen mit einem sehr frühen Ansatz bei BSdH=820 mT zeigen, mit Proben auf BN mit BSdH=780 mT vergleichbar, so dass Füllfaktoren bis zu 62 sichtbar werden. Dies zeigt eine Reduktion der Kleinwinkelstreuung auf hydrophobem Substrat, da diese zwar die Lebensdauer eines Elektronenzustands beeinflusst, die Mobilität allerdings kaum. Wie die Reduktion der Kleinwinkelstreuung stattfindet kann nicht eindeutig festgestellt werden, es sollte aber entweder durch die Passivierung der Substratoberfläche oder der Reduktion der polaren Moleküle verursacht werden. Die hydrophobe Schicht bietet also ein Substrat für Graphen, das vorwiegend eine niedrige Dotierung und höhere Mobilität sowie eine verschwindende Hysterese zur Folge hat. Diese Eigenschaften bleiben stabil und unabhängig von Umgebungsbedingungen wie z. B. Luftfeuchtigkeit. Zusätzlich wird aus der reduzierten Dichte der polaren Moleküle am Graphen eine etwas höhere Homogenität erzeugt. Eine deutlich niedrigere Ausprägung der kurzreichweitigen Streuung ist möglich, was zu einer unterschiedlichen Streuungscharakteristik im Vergleich zu Graphen auf Substraten wie SiO2 oder BN führt. Dieser Unterschied in der Streuung zeigt sich auch durch die reduzierte Kleinwinkelstreuung, die eine bessere Sichtbarkeit des QHE verursacht.

In this work graphene on a hydrophobic substrate was prepared for the first time and the effects of the hydrophobic environment on electronic transport and magnetotransport were studied. In comparison to graphene on pristine SiO2 a positive effect from the hydrophobic character of the substrate is confirmed. Samples on hydrophilic substrate (SiO2) are affected from the polar molecules on its surface. A large hysteresis in the field effect measurements as well as a high intrinsic doping of the graphene is observed. This effect was already explained by charge transfer from polar molecules like H2O as well as the silanol groups on the SiO2 surface. By the HMDS or OTS treatment of the substrate a covalently bound self assembled hydrophobic layer develops. As the silanol groups are thereby removed, no polar molecules can adsorb to the surface. They are repelled by the hydrophobic substrate, which leads to a reproducible reduction of doping, also stable in time under ambient conditions. Because of the missing dipoles the hysteresis is also reduced, on HMDS treated substrates it vanishes. Thus graphene on trimethylsilane exhibits stable low doping and no hysteresis under ambient conditions. Additionally the observed mobility values are rather scattered while values up to 22000 cm2/Vs are accessible. The studied preparation method cannot give mobility values as high as in suspended graphene or the transport measurement quality of graphene on BN. But it offers a higher mobility than pristine SiO2 as well as stable, reproducible low doping and nearly non existent hysteresis. Furthermore samples on trimethylsilane can show a lower inhomogeneity in charge carrier density than samples on pristine SiO2, provided that the hydrophobic layer is of good quality. Else the defects of the hydrophobic layer could enhance the inhomogeneity. However adsorbates on top of the graphene, which contribute to the inhomogeneity, cannot be repelled. A sublinear behaviour in the conductance measurements shows, that there are two kinds of scattering, which dominate at different charge carrier densities. This behaviour was also observed on hydrophobic substrates thus confirming the short range scattering in these graphene samples. It is clearly lower however than in other graphene samples on substrate, also BN. Consequently the samples prepared in this work show a different scattering than graphene on hydrophilic substrates, which shows, that this kind of scattering can be reduced by the hydrophobic layer. Moreover the mobility of the studied samples is mainly restricted from long range disorder like e.g. the morphology of the substrate or the rippling of graphene, which is massively reduced through suspending or on BN. If the lower inhomogeneity or lower short range scattering is contributing to the better quality of the quantum Hall effect (QHE) cannot be clarified with the measurements in this work. However samples on hydrophobic substrate can show very clear Shubnikov de Haas oscillations with a very early onset of BSdH=820 mT, comparable to samples on BN with BSdH=780 mT, so that filling factors up to 62 become visible. This shows a reduction of small angle scattering on hydrophobic substrate as it affects the lifetime of an electronic state but the mobility only marginally. How the reduction of small angle scattering results cannot be definitely determined, however it should be caused either by the passivation of the substrate surface or by the reduction of polar molecules. The hydrophobic layer provides a substrate for graphene, which predominantly offers low doping and higher mobility as well as no hysteresis in the field effect. These properties are stable and independent of ambient conditions like humidity. Additionally the reduced density of polar molecules at the graphene sample causes a higher homogeneity of charge carrier density. A considerably lower short range scattering is possible, leading to a different scattering character compared to graphene on pristine SiO2 or BN. This difference is also observed in the reduced small angle scattering, which causes a better quality of QHE measurement.