Ab initio studies of graphene-metal interfaces

Abstract

Graphen (Gr) besteht aus einer einzelnen Lage bienenwabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome. Wegen seiner speziellen elektronischen Struktur hat es einzigartige elektronische Eigenschaften. Außerdem könnte Graphen auf einer ferromagnetischen Oberfläche wie Nickel ein aussichtsreiches Spinfiltersystem bilden. Die Wechselwirkung zwischen Graphen und einer metallischen Oberfläche ist jedoch noch nicht ausreichend erforscht.<br />In dieser Dissertation werden Dichtefunktionaltheorie (DFT) Rechnungen für verschiedene Gr-Metall Systeme vorgestellt. Die Berücksichtigung von van der Waals (vdW) Wechselwirkungen ist dabei extrem wichtig aber die am häufigsten verwendeten Funktionale beinhalten diese Beiträge nicht.<br />Die Ergebnisse von sehr genauen Referenzrechnungen, die zeigen dass die Adsorptionsenergien auch für stark wechselwirkende Systeme wie Gr/Ni(111) im Bereich von Physisorptionsenergien liegen, können auch durch optimierte vdW-DF Funktionale reproduziert werden. Außerdem zeigen die Rechnungen, dass einzelne Leerstellen und Stone-Wales Defekte durch das Nickelsubstrat stabilisiert, und die Energiebarrieren zur Ausheilung der Defekte stark reduziert werden können. Die Präsenz von verdrehten Graphenphasen, obwohl die Gitterkonstanten von Graphen und Nickel sehr ähnlich sind, konnte durch das Auftreten eines Nickel Oberflächenkarbids erklärt werden, wodurch sich die Graphenbindungen zum Substrat vermindern. Gr/Ir(111) ist durch eine große Gitterfehlanpassung und eine schwache Wechselwirkung gekennzeichnet. Durch die Interkalation einer stark wechselwirkenden Nickellage in die Gr/Ir(111) Grenzfläche, ergibt sich ein Moirémuster mit stark gewelltem Graphene, wegen der lokal verstärkten Gr-Substrat Wechselwirkung in spezifischen Moirébereichen.<br />Im umgekehrten Fall der Interkalation eines schwach wechselwirkenden Materials - Ag - in eine stark wechselwirkende Grenzfläche - Gr/Re(0001) - wird zwar die Wechselwirkung zwischen Graphen und Substrat vermindert, aber Graphen ist nicht vollständing vom Substrat entkoppelt, sondern hybridisiert noch mit Silber d-Zuständen.<br />

Graphene (Gr) is a one-atom thick sheet of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice with unique electronic properties due to the special character of its electronic structure. Graphene supported on a ferromagnetic material, such as nickel, has been proposed as a promising system for spin-filtering devices. However, the interaction of graphene with a metallic surface is still not well understood on a fundamental level.<br />In this thesis, density functional theory (DFT) calculations of different Gr-metal systems are presented. Non-local van der Waals (vdW) interactions are crucial for these systems but are not included in commonly used functionals. For Gr/Ni(111) a vdW-DF functionals can be tuned to reproduce benchmark calculations, which show adsorption energies in the typical range of physisorption even for a system characterized by a strong Gr-metal interaction. Additionally the presence of the nickel substrate stabilizes defects such as single vacancies or Stone-Wales defects and lowers the energetic barriers to heal the defects. The presence of a rotated graphene phase despite the small lattice mismatch of Gr/Ni(111) is explained by the presence of a nickel surface carbide phase, which leads to a weakly coupled graphene layer. Graphene on Ir(111) is characterized by a weak interaction and a large lattice mismatch. The intercalation of nickel in Gr/Ir(111) leads to an enhanced buckling of graphene due to locally strongly enhanced Gr-substrate interactions for specific adsorption configurations. For the intercalation of a weakly interacting material (Ag) in strongly interacting Gr/Re(0001), the interaction strength is reduced, but graphene is not completely decoupled but hybridizes with silver d-states.<br />