Synthesis and strain engineering of 2D dirac materials

Abstract

2D materials are in prime position to serve as future building blocks for next generation electronic and optical devices. They exhibit a wide variety of extraordinary properties that can be tuned via new material processing technologies such as strain engineering. One of the most promising candidates to succeed traditional semiconductor materials is silicene, the 2D allotrope of silicon.The goal of this thesis is the synthesis, characterisation and manipulation of 2D materials for next generation high performance devices. For this purpose, strain engineering of graphene and hBN is demonstrated and the properties of silicene on various growth substrates are investigated. A novel straining approach combined with state-of-the-art 2D exfoliation and transfer techniques enables the application of controlled uniaxial-strain onto free-standing graphene/hBN heterostructures. The strain is verified via Raman spectroscopy combined with ab initio calculations. A maximum strain of almost 2% is demonstrated, which ranks among the highest reached values for free-standing 2D materials. Although, the technique is demonstrated for graphene/hBN, the explored methodology is applicable to all 2D materials paving the way for future experiments.Furthermore, silicene is synthesised via molecular beam epitaxy and various superstructures formed atop of Ag(111) and Au(111) substrates, which are thoroughly studied in-situ via low-energy electron diffraction. A novel passivation method with few-layer graphene and hBN is implemented that overcomes the intrinsic instability of silicene and stabilises it up to 48 hours, enabling thorough and comprehensive exsitu characterisation. Thus, the vibrational properties of silicene on both substrates are investigated, revealing an intact two-dimensional structure unaltered by the passivation. The encapsulation with transparent hBN further facilitates the implementation of optical measurement techniques. Differential reflectance spectroscopy in combination with theoretical calculations reveal that the optical properties of silicene are preserved when synthesised on top of a Au(111) substrate. Since the optical properties of silicene are closely related to its electronic band structure it is also shown that silicene on Au(111), contrary to the case on Ag(111), preserves its extraordinary Dirac-like electronic properties. The unambiguous evidence of a stable silicene structure with pristine electronic properties is an important step towards its integration into next generation electronic and optical devices.

2D-Materialien gelten als aussichtsreiche Kandidaten zur Verwendung als Basismaterialien für zukünftige elektronische und optische Bauteile. Sie weisen eine Vielzahl von außergewöhnlichen Eigenschaften auf, welche z.B durch das Einbringen von mechanischen Verspannungen oder Wechselwirkungen mit geeigneten Substraten, kontrolliert modifiziert werden können. Einer der vielversprechendsten Kandidaten für die Nachfolge traditioneller Halbleitermaterialien ist Silicen, das 2D-Allotrop von Silizium. Das Ziel dieser Arbeit ist die Synthese, Charakterisierung und Manipulation von ausgewählten 2D-Materialien für Bauelemente der nächsten Generation. Zu diesem Zweck wurde eine Methode entwickelt, die ein kontrolliertes mechanisches Verspannen von Graphen und hBN ermöglicht. Weiters konnte gezeigt werden wie sich die Eigenschaften von Silicen auf verschiedenen Wachstumssubstraten verändern. Ein auf SOI basierendes mikromechanisches Verspannungsmodul, kombiniert mit modernsten 2D-Exfoliations- und Transfertechniken, ermöglicht die kontrollierter uniaxialer Verspannung von freistehende Graphen/hBN-Heterostrukturen. Das Ausmaß der Verspannung wird mittels Raman-Spektroskopie in Kombination mit ab-initio Rechnungen verifiziert. Es konnte eine maximale Verspannung von fast 2 % erreicht werden, welche sich unter den höchsten erreichten Werten für freistehende 2D-Materialien einreiht. Obwohl die Technik für Graphen/hBN-Heterostrukturen demonstriert wird, ist sie universell für alle 2D-Materialien anwendbar und ebnet somit den Weg für zukünftige Experimente. Darüber hinaus wird Silicen auf Ag(111) und Au(111) unter Ultrahochvakuumbedingungen synthetisiert und die auf den Metallsubstraten gebildeten komensurablen Superstrukturen mittels Niederenergie-Elektronenbeugung in-situ analysiert. Eine neuartige Passivierungsmethode mit dünnen Graphen und hBN Schichten wird implementiert, welche die intrinsische Instabilität von Silicen überwindet und es bis zu 48 Stunden stabilisiert, was eine umfassende ex-situ Charakterisierung ermöglicht. Dadurch können die optischen Eigenschaften von Silicen auf beiden Substraten untersucht werden, welche eine intakte zweidimensionale Struktur offenbaren, die durch die Passivierung nicht beeinflusst wird. Die Passivierung mit transparentem hBN erleichtert zudem die Durchführung weiterer optischer Messungen über einen großen Wellenlängenbreich. Reflexionsspektroskopische Messungen in Kombination mit theoretischen Berechnungen zeigen, dass die optischen Eigenschaften von Silicen auf einem Au(111) Substrat weitgehend erhalten bleiben. Da die optischen Eigenschaften von Silicen eng mit seiner elektronischen Bandstruktur zusammenhängen, kann somit auch gezeigt werden, dass Silicen das auf einem Au(111) Substrat aufgewachsen wird, im Gegensatz zu Silicen auf einem Ag(111) Substrat, seine außergewöhnlichen Dirac-ähnlichen elektronischen Eigenschaften beibehält. Der eindeutige Nachweis einer stabilen Silicen-Struktur mit diesen herausragenden elektronischen Eigenschaften ist ein wichtiger Schritt für dessen Integration in elektronische und optische Geräte der nächsten Generation.