Perspektiven der Dotierung von Graphen mittels Ionenstrahlimplantation mit Ionen niedriger Energie

• Antragsteller: Professor Dr. Hans Christian Hofsäss; Professor Dr. Martin Wenderoth
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421708041

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In dem Projekt “Perspective of low energy ion beam implantation for doping of graphene” ging es um die weitere Erforschung der Möglichkeit Graphen mittels Ultra-Niedenergie Ionenimplantation zu dotieren und dessen Eigenschaften gezielt zu verändern. Die strukturellen und elektronischen Eigenschaften undotierter und dotierter Graphenschichten wurden auf atomare Skala mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie sowie mit ortsaufgelösten elektrischen Transportmessungen im Detail untersucht. Diese Ergebnisse helfen, den Dotierprozess besser zu verstehen und weiter zu entwickeln. Zu Implantation von Graphen wurde eine neue Ionenquelle entwickelt, um die Möglichkeit der Dotierung für neue Elemente zu erweitern. Diese neue Ionenquelle kombiniert Gasentladungsquellen mit dem Prinzip einer Sputterquelle. Damit stehen nun Elemente mit hohen Schmelztemperaturen und niedrigen Dampfdrücken für die Ionenimplantation zur Verfügung. Eine weitere Aufgabe war die lateral selektive Dotierung einer Probe ohne physische Masken zu verwenden, welche das Graphen schädigen können. Hierzu wurde eine elektrostatische Maske entwickelt, welche die Ionen während der Bestrahlung von einem Bereich der Probe ablenkt und dieser somit weiterhin undotiert vorliegt. Durch das Verwenden solcher elektrostatischer Masken bleibt das Graphen unbeschädigt. Wir konnten zeigen, dass Graphen mittels Ionenimplantation erfolgreich mit unterschiedlichen Elementen (Bor, Stickstoff) dotiert und ein Gradient in der Dotierkonzentration erzeugt werden kann, ein wichtiger Zwischenschritt für die Implantation von pn-Übergängen in Graphen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A comprehensive study of charge transport in Au-contacted graphene on Ge/Si(001). Applied Physics Letters, 117(2).
  Sinterhauf, Anna; Bode, Simeon; Auge, Manuel; Lukosius, Mindaugas; Lippert, Gunther; Hofsäss, Hans-Christian & Wenderoth, Martin
  
• High-Mobility Epitaxial Graphene on Ge/Si(100) Substrates. ACS Applied Materials & Interfaces, 12(38), 43065-43072.
  Aprojanz, J.; Rosenzweig, Ph.; Nguyen, T. T. Nhung; Karakachian, H.; Küster, K.; Starke, U.; Lukosius, M.; Lippert, G.; Sinterhauf, A.; Wenderoth, M.; Zakharov, A. A. & Tegenkamp, C.
  
• Substrate induced nanoscale resistance variation in epitaxial graphene. Nature Communications, 11(1).
  Sinterhauf, Anna; Traeger, Georg A.; Momeni, Pakdehi Davood; Schädlich, Philip; Willke, Philip; Speck, Florian; Seyller, Thomas; Tegenkamp, Christoph; Pierz, Klaus; Schumacher, Hans Werner & Wenderoth, Martin
  
• Breakdown of Universal Scaling for Nanometer-Sized Bubbles in Graphene. Nano Letters, 21(19), 8103-8110.
  Villarreal, Renan; Lin, Pin-Cheng; Faraji, Fahim; Hassani, Nasim; Bana, Harsh; Zarkua, Zviadi; Nair, Maya N.; Tsai, Hung-Chieh; Auge, Manuel; Junge, Felix; Hofsaess, Hans C.; De Gendt, Stefan; De Feyter, Steven; Brems, Steven; Åhlgren, E. Harriet; Neyts, Erik C.; Covaci, Lucian; Peeters, François M.; Neek-Amal, Mehdi & Pereira, Lino M. C.
  
• Unraveling the origin of local variations in the step resistance of epitaxial graphene on SiC: a quantitative scanning tunneling potentiometry study. Carbon, 184, 463-469.
  Sinterhauf, Anna; Traeger, Georg A.; Momeni, Davood; Pierz, Klaus; Schumacher, Hans Werner & Wenderoth, Martin
  
• Anomalies at the Dirac Point in Graphene and Its Hole-Doped Compositions. Physical Review Letters, 128(16).
  Pramanik, Arindam; Thakur, Sangeeta; Singh, Bahadur; Willke, Philip; Wenderoth, Martin; Hofsäss, Hans; Di Santo, Giovanni; Petaccia, Luca & Maiti, Kalobaran
  
• Laterally controlled ultra-low energy ion implantation using electrostatic masking. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 512, 96-101.
  Auge, M.; Junge, F. & Hofsäss, H.
  
• Sputter hot filament hollow cathode ion source and its application to ultra-low energy ion implantation in 2D materials. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 510, 63-68.
  Junge, Felix; Auge, Manuel & Hofsäss, Hans
  
• Lateral Controlled Doping and Defect Engineering of Graphene by Ultra-Low-Energy Ion Implantation. Nanomaterials, 13(4), 658.
  Junge, Felix; Auge, Manuel; Zarkua, Zviadi & Hofsäss, Hans