Epitaxial Graphene on Silicon Carbide Surfaces: Growth, Characterization, Doping and Hydrogen Intercalation

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2010-08-31
Issue Year
2010
Authors
Riedl, Christian
Editor
Abstract

The exceptional electronic properties of graphene, a single atomic layer of bulk graphite, have been theoretically discussed for a long time. In 2004, the discovery of simple ways to produce small graphene samples has led to the realization of its potential for both fundamental physics and applications in nanoelectronics. One of the most promising routes towards a large-scale production of graphene is the graphitization of SiC crystals. The main focus in the present thesis as a multidisciplinary surface science study is directed to the investigation of epitaxially grown graphene on SiC(0001), the Si-terminated basal plane surface of SiC. A few considerations are also devoted to epitaxial graphene on the C-terminated counterpart, SiC(000-1), and to non-basal plane surfaces. Apart from the precise knowledge about the growth conditions and the basic properties of epitaxial graphene, the main results of this thesis concern the successful manipulation of epitaxial graphene on SiC(0001) in terms of technological relevance. On the one hand, surface transfer hole doping allows to compensate the negative charge carriers that are intrinsically present after the graphene growth. On the other hand, the intercalation of hydrogen additionally results in a decoupling from the SiC-substrate and consequently leads to quasi-freestanding graphene on the scale of SiC wafers. This technique sets a new standard in the production of high quality epitaxial graphene.

Abstract

Die außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften von Graphen, einer einzelnen Kohlenstofflage graphitartiger Struktur, werden schon seit Langem theoretisch diskutiert. Mit der Entdeckung im Jahr 2004, kleine Graphenproben auf eine einfache Art und Weise herzustellen, wurde das entsprechende Potential sowohl für die Grundlagenphysik als auch für Anwendungen in der Nanoelektronik weithin sichtbar. Eine der vielversprechendsten Methoden für eine großtechnische Herstellung von Graphen ist die Graphitisierung von SiC-Kristallen. Der Schwerpunkt in der vorliegenden Dissertation als eine multidisziplinär angelegte Arbeit in den Oberflächenwissenschaften liegt auf der Untersuchung epitaktisch gewachsener Graphen-Lagen auf SiC(0001), der Si-terminierten Basal-Oberfläche von SiC. Jedoch wird auch der Fall epitaktischen Graphens auf der C-terminierten Gegenseite, SiC(000-1), sowie auf nicht-basalen Oberflächen kurz beleuchtet. Abgesehen von den genauen Kenntnissen der Wachstumsbedingungen und der grundlegenden Charakteristika epitaktischen Graphens liegen die Hauptergebnisse dieser Doktorarbeit in der hinsichtlich technologischer Anforderungen erfolgreichen Manipulierung der Eigenschaften von epitaktischem Graphen auf der SiC(0001)-Oberfläche. Zum einen kann mittels Oberflächen-Transferdotierung die nach dem Graphen-Wachstum vorhandene Konzentration an negativ geladenen Ladungsträgern minimiert werden. Zum anderen führt die Interkalation von Wasserstoff zusätzlich zu einer Entkopplung des Graphens vom SiC-Substrat und damit zu quasi-freistehenden Graphenlagen auf der Größenskala von SiC-Wafern. Diese Methode setzt neue Maßstäbe in der Herstellung hochqualitativen epitaktischen Graphens.

DOI
Document's Licence
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs