Modification of the electronic structure of graphene by quantum confinement and molecular self-assembly

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Sainio, Jani, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.advisor Lahtinen, Jouko, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.author Hämäläinen, Sampsa
dc.date.accessioned 2014-10-14T09:00:21Z
dc.date.available 2014-10-14T09:00:21Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5887-0 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5886-3 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/14196
dc.description.abstract Graphene has generated enormous interest after its discovery in 2004, both in the scientific community and recently even in industry. It has been highlighted as one of the strongest materials known with very high electrical and thermal conductivity. Much of the scientific interest in graphene is however related to its peculiar electronic structure. The valence and conduction bands of graphene touch at single points on the corners of its Brillouin zone. Near these points the dispersion is linear which makes the charge carriers behave like relativistic Dirac fermions with zero effective mass, which leads to many of its exceptional electronic properties. Graphene has already been used to build field-effect transistors, but due to the absence of a band gap the on-off ratios are very poor. In order for graphene to be used as a replacement for silicon in future electronics, a gap would need to be opened between its valence and conduction bands. In this thesis, two possible ways of modifying the graphene band structure are explored experimentally, namely quantum confinement and periodic potential modulations induced by self-assembled molecular layers. Quantum confinement of the graphene electronic states is studied on small graphene structures grown epitaxially on the (111) facet of iridium. The states are mapped by scanning tunneling spectrocopy and a continuum model using the Klein-Gordon equation is presented to model the states. The self-assembly of cobalt phthalocyanines is studied first on epitaxial graphene on iridium(111) by scanning tunneling microscopy and low energy electron diffraction. The effect of substrate roughness on the self-assembly is then investigated on graphene on silicon oxide and hexagonal boron nitride. Finally, the structure of the graphene on Ir(111) model system used in many of the measurements, is studied in detail by atomic force microscopy and dynamic low energy electron diffraction. en
dc.description.abstract Kiinnostus grafeenia kohtaan, niin tiedeyhteisössä kuin teollisuudessakin, on kasvanut räjähdysmäisesti vuoden 2004 jälkeen, jolloin yksittäinen hiiliatomikerros, eli grafeeni, onnistuttiin ensimmäistä kertaa eristämään grafiitista. Grafeeni on painoonsa nähden maailman vahvinta ainetta ja se johtaa lämpöä ja sähköä erittäin hyvin. Suurin tieteellinen mielenkiinto grafeenia kohtaan on kuitenkin keskittynyt sen erikoiseen elektroniseen vyörakenteeseen. Grafeenin valenssi- ja johtavuusvyöt koskettavat yksittäisissä pisteissä sen Brillouininvyöhykkeen kulmissa. Näiden pisteiden lähellä grafeenin dispersiorelaatio on lineaarinen, mikä saa varauksenkuljettajat käyttäytymään kuten massattomat relativistiset Diracin fermionit , mistä taas useat grafeenin poikkeukselliset sähköiset ominaisuudet ovat seurausta. Grafeenista on onnistuttu jo valmistamaan nopeita transistoreita, mutta niiden tilojen signaalien välinen suhde on hyvin pieni. Jotta grafeenia voisi käyttää piiteknologian korvaamiseen tulevaisuuden elektroniikassa, olisi grafeenin johtavuus- ja valenssivyön välille avattava aukko. Tässä väitöskirjassa tutkitaan kokeellisesti kahta menetelmää energia-aukon avaamiseksi grafeeniin. Ensimmäisessä tutkitussa menetelmässä grafeenista kasvatetaan hyvin pieniä rakenteita, minkä seurauksena grafeenirakenteisiin syntyy partikkeli laatikossa –tyyppisiä energiatiloja. Tutkimuksessa kartoitetaan pienien grafeenirakenteiden tilatiheys kokeellisesti pyyhkäisytunnelointimikroskopian avulla ja verrataan mitattuja tiloja Klein-Gordonin yhtälöstä ratkaistuihin tiloihin. Toisessa esitetyssä menetelmässä pyritään muokkaamaan grafeenin vyörakennetta itsejärjestäytyvän molekyylikerroksen aikaansaamalla jaksollisella potentiaalimodulaatiolla. Molekyylien järjestymistä vertaillaan grafeeninäytteillä eri substraateilla, joiden pinnoilla grafeenilla on eri karkeus. Koska suuri osa mittauksista on tehty iridium yksittäiskiteelle kasvatetulle epitaksiaalisella grafeenilla, on osa tukimuksesta keskittynyt grafeenin rakenteen tutkimiseen kyseisellä pinnalla atomivoimamikroskopian ja matalaenergisten elektronien diffraktion avulla. fi
dc.format.extent 69 + app. 53
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 150/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: Zhixiang Sun, Sampsa K. Hämäläinen, Jani Sainio, Jouko Lahtinen, Daniël Vanmaekelbergh, Peter Liljeroth. Topographic and electronic contrast of the graphene moiré on Ir (111) probed by scanning tunneling microscopy and noncontact atomic force microscopy. Physical Review B, 83, 081415(R), 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.83.081415
dc.relation.haspart [Publication 2]: Sampsa K. Hämäläinen, Zhixiang Sun, Mark P. Boneschanscher, Andreas Uppstu, Mari Ijäs, Ari Harju, Daniël Vanmaekelbergh, Peter Liljeroth. Quantum-Confined Electronic States in Atomically Well-Defined Graphene Nanostructures. Physical Review Letters, 107, 236803, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.236803
dc.relation.haspart [Publication 3]: Sampsa K. Hämäläinen, Mariia Morozova, Robert Drost, Peter Liljeroth, Jouko Lahtinen, Jani Sainio. Self-Assembly of Cobalt-Phthalocyanine Molecules on Epitaxial Graphene on Ir(111). Journal of Physical Chemistry C, 116, 20433-20437, 2012. DOI: 10.1021/jp306439h
dc.relation.haspart [Publication 4]: Päivi Järvinen, Sampsa K. Hämäläinen, Kaustuv Banerjee, Pasi Häkkinen, Mari Ijäs, Ari Harju, Peter Liljeroth. Molecular self-assembly on graphene on SiO2 and h-BN substrates. Nano Letters, 13(7), 3199-3204, 2013. DOI: 10.1021/nl401265f
dc.relation.haspart [Publication 5]: Sampsa K. Hämäläinen, Mark P. Boneschanscher, Peter H. Jacobse, Ingmar Swart, Katariina Pussi,Wolfgang Moritz, Jouko Lahtinen, Peter Liljeroth, Jani Sainio. Structure and local variations of the graphene moiré on Ir(111). Physical Review B, 88, 201406(R), 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.88.201406
dc.subject.other Physics en
dc.title Modification of the electronic structure of graphene by quantum confinement and molecular self-assembly en
dc.title Grafeenin elektronisen vyörakenteen muokkaaminen nanorakenteilla ja itsejärjestäytyneillä molekyylikerroksilla fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword graphene en
dc.subject.keyword scanning tunneling microscopy en
dc.subject.keyword quantum confinement en
dc.subject.keyword atomic force microscopy en
dc.subject.keyword iridium(111) en
dc.subject.keyword Ir(111) en
dc.subject.keyword self-assembly en
dc.subject.keyword grafeeni fi
dc.subject.keyword pyyhkäisytunnelointimikroskopia fi
dc.subject.keyword atomivoimamikroskopia fi
dc.subject.keyword grafeeninanorakenteet fi
dc.subject.keyword iridium fi
dc.subject.keyword itsejärjestäyminen fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5887-0
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Liljeroth, Peter, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Morgenstern, Markus, Prof., RWTH Aachen, Germany
dc.rev Coraux, Johann, Dr., Institut Néel, CNRS & Université Joseph Fourier, France
dc.rev Laukkanen, Pekka, Dr., University of Turku, Materials Research Laboratory, Finland
dc.date.defence 2014-10-31


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse