Lokaler Transport in Graphen Nanostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Tegenkamp
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254479281

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurde das epitaktische Wachstum von Graphen und Graphen Nanostrukturen auf SiC(0001) untersucht und mittels in-situ 4-Spitzen STM/SEM charakterisiert werden. Die Ausbildung der Graphen Nanostruktur (GNR) wurde dabei durch Selbstorganisation auf vorstrukturiertem SiC(0001) Substraten erreicht, so dass auf nachgeschaltete subtraktive Verfahren am Graphen verzichtet werden konnte und uns erlaubte, gezielt zigzag- und armchair-Ränder zu realisieren. Flankiert wurden diese Untersuchungen durch zahlreiche Experimente an 2D Graphen auf SiC und anderen Substraten, um ein besseres Verständnis zum Sublimationsprozess, der Stabilität des SiC Substrates, sowie dem Einfluss von SiC Stufen und dem Einfluss der Terrassen zu erhalten. Infolge der Hochtemperaturschritte lässt sich leicht nichtstöchiometrisches SiC in Oberflächen-nahen Bereichen erzeugen, wie dies anhand von TEM Messungen gezeigt wurde. Durch die Zugabe von Polymeren bei der Graphenbildung, lassen sich die Temperaturen reduzieren und eine Stufenbündelung auf der SiC- Oberfläche klein halten, so dass eine großskalige, isotrope 2D Graphenbildung über die atomaren Stufen hinweg stattfinden kann. Diese Erkenntnisse haben auch entscheidend zur Verbesserung der Prozessparameter für das selektive Wachstum der GNRs auf den SiC Seitenfacetten beigetragen. Im Ergebnis lassen sich jetzt entlang der <1-100> Richtung 40nm breite zigzag-orientierte GNR wachsen. Die mittleren freien Weglängen der Elektronen im Randkanal im ballistischen Regime korrelieren dabei mit der mittleren Terrassenlänge des SiC Substrates und unterstreichen nochmals den TEM Befund, dass die untere Kante in das SiC Substrat ankoppelt. Die SiC-Facetten entlang der <11-20> Richtung weisen im Gegensatz Stufenbündelungen auf mit dem Ergebnis, dass auf diesen Facetten halbleitende armchair-GNRs mit definierten Bandlücken wachsen. Des Weiteren haben wir und mit alternativen Herstellungsverfahren beschäftigt und u.a. an den SiC-Stufen gewachsenen Bilagen-GNRs untersucht, in denen der elektronische Transport aufgrund eines Interlagen-Hoppings sehe effizient ist und vergleichsweise hohe Mobilitäten im diffusiven Regime aufweisen. Am Beispiel von nanostrukturierten Bufferlagen Systemen und nachfolgender Interkalation von Ge konnte Klein Tunneln demonstriert werden. Interessant ist hierbei, dass sich die n- und p-dotierten Bereiche durch Mono- und Bilagen Ge-Strukturen einstellen lassen. Die ambipolaren Barrierenübergänge sind nur 5nm breit und lassen sich ballistisch beschreiben. Für den Fall, dass der innere Bereich der npn- und pnp-Strukturen kleiner als die freie Weglänge der Elektronen im dotierten 2D Graphen ist, konnten wir zeigen, dass die zweite Barriere transparent ist, kein Widerstand aufweist, und damit Klein-Tunneln entlang der Polarisator-/Analysator Anordnung dieser epitaktischen und funktionalisierten Graphen Nanostruktur zulässt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Ballistic bipolar junctions in chemically gated graphene ribbons. Sci. Rep. 5, 9955 (2015)
  J. Baringhaus, A. Stöhr, S. Forti, U. Starke, C. Tegenkamp
  
• Epitaxial graphene on SiC: modification of structural and electron transport properties by substrate pretreatment. Journal of Physics: Condensed Matter 27, 185303 (2015)
  M. Kruskopf, K. Pierz, S. Wundrack, R. Stosch, T. Dziomba, C.-C. Kalmbach, A. Müller, J. Baringhaus, C. Tegenkamp, F.J. Ahlers, H.W. Schumacher
  
• Growth and characterization of sidewall graphene nanoribbons. Appl. Phys. Lett. 106, 043109 (2015)
  J. Baringhaus, J. Aprojanz, J.S. Wiegand, D. Laube, M. Halbauer, J. Hübner, M. Oestreich, C. Tegenkamp
  
• Graphene Ribbon Growth on Structured Silicon Carbide. Annalen der Physics, 529, 1700052 (2017)
  A. Stöhr, J. Baringhaus, J. Aprojanz, S. Link, C. Tegenkamp, Y. Niu, A.A. Zakharov, C. Chen, J. Avila, M.C. Asensio, U. Starke
  
• Quasi-free-standing bilayer graphene nanoribbons probed by electronic transport. Applied Physics Letters 110, 051601 (2017)
  I. Miccoli, J. Aprojanz, J. Baringhaus, T. Lichtenstein, L.A. Galves, J. Marcelo, J. Lopes, C. Tegenkamp
  
• Minimum Resistance Anisotropy of Epitaxial Graphene on SiC. ACS Appl Mater Interfaces, Vol 10, Iss 6, 6039 (2018)
  D. Momeni Pakdehi, J. Aprojanz, A. Sinterhauf, K. Pierz, M. Kruskopf, P. Willke, J. Baringhaus, J.P. Stöckmann, G.A. Traeger, F. Hohls, C. Tegenkamp, M. Wenderoth, F.J. Ahlers, H.W. Schumacher
  
• Epitaxial graphene on 6H-SiC(0001): Defects in SiC investigated by STEM. Phys. Rev. Materials, 3, 094004 (2019)
  M. Gruschwitz, H. Schletter, S. Schulze, I. Alexandrou, C. Tegenkamp
  
• Homogeneous Large area Quasi freestanding Monolayer and Bilayer Graphene on SiC. ACS Applied Nano Materials, Vol. 2 (2), 844-552 (2019)
  D. Momeni Pakdehi, K. Pierz, S. Wundrack, J. Aprojanz, T.T.N. Nguyen, T. Dziomba, F. Hohls, A. Bakin, R. Stosch, C. Tegenkamp, F.J. Ahlers, H.W. Schumacher
  
• Wafer Scale Growth and Characterization of Edge Specific Graphene Nanoribbons for Nanoelectronics. ACS Appl Nano Mater, Vol. 2, 156-162 (2019)
  A.A. Zakharov, N.A. Vinogradov, J. Aprojanz, T.T.N. Nguyen, C. Tegenkamp, C. Struzzi, T. Yakimov, R. Yakimova, V. Jokubavicius
  
• One-dimensional confinement and width-dependent bandgap formation in epitaxial graphene nanoribbons. Nature Communications, 11, 6380 (2020)
  H. Karakachian, T.T.N. Nguyen, J. Aprojanz, A.A. Zakharov, R. Yakimova, P. Rosenzweig, C.M. Polley, T. Balasubramanian, C. Tegenkamp, S.R. Power, U. Starke