Chemically modified and nanostructured graphene

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-09-13
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
178
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 126/2013
Abstract
After its experimental discovery in 2004, graphene has been the topic of intense research. Its extraordinary linear dispersion relation in the vicinity of the Fermi surface allows the study of relativistic quantum mechanics in a condensed-matter context. The gapless spectrum is beneficial in, for instance, optical applications as the optical absorption is nearly constant in the visible spectrum. In transistor applications, however, the absence of a gap leads to poor on-off ratios. Thus, inducing a gap is of interest for applications, and both quantum confinement as well as chemical modification can be used to achieve this goal. In this thesis, the electronic properties of modified graphene systems are studied using density-functional theory and lattice models. Additionally, a novel lattice density-functional theory approach is introduced. The chemical modification of graphene using chlorine and hydrogen is addressed considering also its chemical environment, a silicon dioxide substrate and a gaseous atmosphere treated using ab initio thermodynamics. Electronic states in finite metal-deposited graphene nanostructures with gaps induced by quantum confinement are studied together with experimental measurements. Finally, the prospect of superconductivity in rhombohedral graphite is addressed by studying flat bands in rhombohedral graphene multilayers. The results add to the understanding of the electronic properties of graphene in complex environments. We clarify the effect of the substrate in hydrogen adsorption on graphene and provide a suggestion to prepare graphene nanoribbons using chlorine to unzip carbon nanotubes. We aid in the interpretation of recent scanning tunneling microscopy experiments on metal-deposited finite graphene nanostructures, as well as provide reference data for the detection of end states in graphene ribbons. 

Grafeeni, tasomainen hunajakennomaisesti järjestäytyneistä hiiliatomeista muodostuva rakenne, on lupaava materiaali muun muassa optisiin sovellutuksiin. Tämä johtuu grafeenin vyörakenteesta, joka fermipinnan läheisyydessä muodostuu lineaarisista toisensa risteävistä energiavöistä. Täten grafeenin varauksenkuljettajat muistuttavat tietyiltä ominaisuuksiltaan relativistisia hiukkasia, mikä on poikkeuksellista kiinteän aineen fysiikassa. Energia-aukko valenssi- ja johtavuusvöiden välillä on kuitenkin toivottava joissain sovellutuksissa, esimerkiksi se mahdollistaisi voimakkaamman signaalin grafeenitransistorin tilojen välillä. Energia-aukko voidaan saada aikaan sekä liittämällä grafeeniin muita kemiallisia ryhmiä, että grafeenirakenteen dimensioita pienentämällä. Tässä väitöskirjassa tutkitaan kemiallisesti muokattujen ja äärellisten grafeenirakenteiden ominaisuuksia käyttäen tiheysfunktionaaliteoriaa ja hilamalleja, sekä esitellään grafeenin kuvaamiseen soveltuva nämä menetelmät yhdistävä hilatiheysfunktionaaliteoriamalli. Grafeenin sähköisten ominaisuuksien muokkaamista vedyn ja kloorin avulla tutkitaan huomioiden grafeenin kemiallinen ympäristö: piidioksidipinta sekä kaasuatmosfääri. Metallipinnoille syntetisoitujen grafeenihiutaleiden energiatiloja mallinnetaan yhteistyössä kokeellisten ryhmien kanssa. Lisäksi tarkastellaan suprajohtavuutta rhombohedrisesti järjestäytyneissä grafeenin monikerrosrakenteissa. Tutkimustyössä selvitettiin substraatin merkitys vedyn kiinnittymisessä grafeenin pinnalle. Lisäksi ehdotettiin menetelmää, jolla grafeeninauhoja voitaisiin valmistaa käyttämällä klooria hiilinanoputkia avaavana reagenssina. Työssä myös selitettiin teoreettisesti grafeeninanorakenteiden pyyhkäisytunnelointimikroskopiamittauksia. Samalla ennustettiin tunnusmerkkejä, joilla grafeenin reunalla olevaa vedyn määrää voidaan mahdollisesti tunnistaa pyyhkäisytunnelointimikroskopiamittausdatan perusteella. 
Description
Supervising professor
Nieminen, Risto, Aalto Distinguished Professor, Aalto University, Finland
Thesis advisor
Harju, Ari, Adjunct Professor, Aalto University, Finland
Keywords
graphene, tight-binding, functionalization, scanning tunneling microscopy, grafeeni, tight binding-malli, tiheysfunktionaaliteoria, kemiallinen muokkaaminen, pyyhkäisytunnelointimikroskopia
Other note
Parts
  • [Publication 1]: M. Ijäs, A. Harju. Lattice density-functional theory on graphene. Physical Review B, 82, 235111, 2010.
  • [Publication 2]: P. Havu, M. Ijäs, A. Harju. Hydrogenated graphene on silicon dioxide surfaces. Physical Review B, 84, 205423, 2011.
  • [Publication 3]: M. Ijäs, P. Havu, A. Harju, P. Pasanen. Spin-asymmetric graphene nanoribbons in graphane on silicon dioxide. Physical Review B, 84, 041403(R), 2011.
  • [Publication 4]: M. Ijäs, P. Havu, A. Harju. Fracturing graphene by chlorination: A theoretical viewpoint. Physical Review B, 85, 035440, 2012.
  • [Publication 5]: M. Ijäs, P. Havu, A. Harju. Interaction of chlorine with Stone-Wales defects in graphene and carbon nanotubes, and thermodynamical prospects of chlorine-induced nanotube unzipping. Physical Review B, 87, 205430, 2013.
  • [Publication 6]: S. K. Hämäläinen, Z. Sun, M. P. Boneschanscher, A. Uppstu, M. Ijäs, A. Harju, D. Vanmaekelbergh, P. Liljeroth. Quantum-confined electronic states in atomically well-defined graphene nanostructures. Physical Review Letters, 107, 236803, 2011.
  • [Publication 7]: J. van der Lit, M. P. Boneschanscher, D. Vanmaekelbergh, M. Ijäs, A. Uppstu, M. Ervasti, A. Harju, P. Liljeroth, I. Swart. Suppression of electron-vibron coupling in graphene nanoribbons contacted via a single atom. Nature Communications, 4, 2023, 2013.
  • [Publication 8]: M. Ijäs, A. Uppstu, M. Ervasti, P. Liljeroth, J. van der Lit, I. Swart, A. Harju. Electronic states in finite graphene nanoribbons: Effect of charging and defects (14 pages). Accepted for publication in Physical Review B, 2013.
  • [Publication 9]: N. Kopnin, M. Ijäs, A. Harju, T. Heikkilä. High-temperature surface superconductivity in rhombohedral graphite. Physical Review B, 87, 140503(R), 2013.
Citation