Scanning probe spectroscopy of graphene nanostructures

Abstract

The aim of the present thesis is to shed some light on different properties of graphene, a single atomic layer of carbon atoms. Since the discovery of an easy way to fabricate graphene from graphite by exfoliation in 2004, a huge increase in graphene related research occurred and led to the new research field of ultra-relativistic condensed matter physics. The impact of graphene in fundamental research as well as applications in nanoelectronics steadily increases. In the framework of this thesis we focus on scanning probe spectroscopy methods to study this truly two-dimensional material. Hereby we take advantage of the fact, that graphene and its two-dimensional electron gas is readily accessible at the surface and not buried in a bulk material. The two main methods, scanning confocal Raman spectroscopy and scanning single-electron transistor microscopy, allow to determine such different information like the interaction strength between phonons and charge carriers, the chirality of the graphene edge or the consequences of interactions between electrons. The cornucopia of extractable information from Raman spectroscopy results mainly from the resonance mechanism, linking electronic with phononic properties. The interest in single-electron transistors as a local probe is based on its extraordinary high sensitivity to electrostatic potentials.

Graphen ist eine ein-atomare Lage aus Kohlenstoffatomen, welche in einer Bienenwabenstruktur angeordnet sind. Seitdem im Jahr 2004 eine einfache Methode entwickelt wurde, um Graphen aus Graphit herzustellen, hat das Interesse an der Graphenforschung stark zugenommen. Dies führte zu einem neuen Forschungsgebiet, der ultra-relativistischen Festkörperphysik. Die Bedeutung von Graphen für die Grundlagenforschung, sowie für Anwendungen z.B. in der Nanoelektronik wächst weiterhin unbegrenzt. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es, Licht auf einige der ungewöhnlichen Eigenschaften dieses besonderen Materials zu werfen. Im Rahmen dieser Arbeit liegt unser Schwerpunkt bei der Untersuchung dieser wirklich zwei-dimensionalen Modifikation auf den Raster-Sonden-Methoden. Dabei haben wir den großen Vorteil, dass Graphen und sein zwei-dimensionales Elektronengas frei zugänglich sind und nicht, wie sonst häufig, verborgen in einer Materialkombination. Mit Hilfe der zwei verwendeten Hauptuntersuchungsmethoden, der ortsaufgelösten konfokalen Raman Spektroskopie und der Einzel-Elektronen-Transistor Mikroskopie, können wir so unterschiedliche Informationen wie z.B. die Wechselwirkung von Phononen mit Ladungsträgern oder die Chiralität von Graphenrändern und sogar die Auswirkung der Wechselwirkung von Elektronen untereinander bestimmen. Die Vielfalt der Informationen, die mit Hilfe der Raman Spektroskopie gewonnen werden können, haben ihren Ursprung in Resonanzmechanismen, welche phononische Eigenschaften mit elektronischen verknüpfen. Auf der anderen Seite verfügen Einzel-Elektronen Transistoren über eine außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit, wenn es um die Messung von elektrostatischen Potentialen geht. Dies nutzen wir in unseren Raster-Sonden-Spektroskopie-Untersuchungen aus.