Studying possibilities of graphene functionalization using AFM and STM techniques

Abstract

Tato práce studuje metodou STM všechny fáze růstu, které se vyskytují v průběhu postupného žíhání substrátu SiC(0001), a které vedou ke vzniku hraniční vrstvy a jednovrstevného grafénu. Je zde prokázáno, že růst hraniční vrstvy je způsoben slučováním grafénových nanobublinek, které vznikaji v důsledku odpařování Si ze substrátu a že tento proces účinně soutěží s tvorbou málo probádané fáze 5√3x5√3 pro kterou jsme našli atomární model. Studovali jsme grafén zároveň nc-AFM a STM. Touto technikou se nám podařilo zvlášť určit topografické a elektronické vlastnosti povrchu grafénu na SiC(0001). Analýza odhalila, že drsnost grafénu získaná z map atomární síly je velmi nízká, v souladu s teoretickými předpověďmi. Dále jsme vyvinuli metodu přípravy vysoce kvalitního grafénu na SiC(0001) dopovaného příměsemi B a N. Kombinace experimentálních (STM, nc-AFM, XPS, NEXAFS) a teoretických (DFT a simulace STM) metod umožnila zjistit strukturální, chemické a elektronické vlastnosti jednotlivých substitučních příměsí v grafénu. Ukazujeme, že i pouhým STM lze dosáhnout chemického rozlišení příměsí B a N díky kvantově interferenčnímu jevu, který nastává v důsledku specifické elektronové struktury příměsi N. Chemická reaktivita příměsí B a N byla zkoumána spektroskopií sil pomocí nc-AFM.

In this thesis, by means of STM we study all the stages that occur during stepwise annealing of the SiC(0001) substrate, and lead to the formation of buffer layer and to the single layer graphene. It is demonstrated that the buffer layer growth is initiated by merging of graphene nanobubbles arising due to Si depletion and that this process competes with formation of a largely neglected phase, the 5√3x5√3, for which we develop an atomistic model. We studied the single-layer graphene using a simultaneous nc-AFM/STM. By this technique we are able to separate the topographic and electronic contributions from the overall landscape. The analysis reveal that graphene roughness evaluated from the atomic force maps is very low, in accord with theoretical simulations. Furthermore, we report a method for preparation of high-quality B- and N-doped graphene on SiC(0001). We combine experimental (nc-AFM, STM, XPS, NEXAFS) and theoretical (total energy DFT simulated STM) studies to analyze the structural, chemical and electronic properties of the single-atom substitutional dopants in graphene. We show that chemical identification of B and N substitutional dopants can be achieved only with the STM due to the quantum interference effect, arising from the specific electronic structure of N dopant sites. Chemical reactivity...