Влияние кислорода на взаимодействие графена с металлом
|
Введение 3
1 Литературный обзор 4
1.1 Кристаллическая и электронная структура графена 4
1.2 Формирование графена 7
1.3 Влияние подложки на свойства графена 8
1.4 Интеркаляция 10
1.5 Цели и задачи исследования 11
2 Экспериментальные методы 13
2.1 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия 13
2.2 Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением 15
2.3 Оборудование 17
3 Экспериментальные результаты 18
3.1 Формирование систем и особенности структуры графена на Co(0001) и Ir(111) 18
3.2 Графен на кобальте интеркалированный кислородом 19
3.3 Электронная структура графена на Ir(111) после интеркаляции кислорода 24
Заключение 27
Литература 29
1 Литературный обзор 4
1.1 Кристаллическая и электронная структура графена 4
1.2 Формирование графена 7
1.3 Влияние подложки на свойства графена 8
1.4 Интеркаляция 10
1.5 Цели и задачи исследования 11
2 Экспериментальные методы 13
2.1 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия 13
2.2 Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением 15
2.3 Оборудование 17
3 Экспериментальные результаты 18
3.1 Формирование систем и особенности структуры графена на Co(0001) и Ir(111) 18
3.2 Графен на кобальте интеркалированный кислородом 19
3.3 Электронная структура графена на Ir(111) после интеркаляции кислорода 24
Заключение 27
Литература 29
Графен - это двумерный кристалл углерода, который вызывает возрастающий интерес к изучению графеновых слоёв и систем на основе графена с момента изучения его транспортных свойств в 2004 году [1]. Благодаря своим уникальным свойствам, графен является перспективным материалом для применения в наноэлектронике: в качестве логических элементов, элементов дисплеев, солнечных батарей, электропроводящих материалов и т. д. Электронные состояния в графене обладают линейной дисперсией вблизи уровня Ферми, благодаря чему носители заряда в графене обладают рекордно высокой подвижностью. Также графен является бесщелевым полупроводником, то есть обладает нулевой запрещённой зоной. Для создания элементов электроники необходимо получать графеновые системы с заданной структурой и свойствами. Поэтому управление электронной структурой графена является одной из важнейших задач в современной физике конденсированного состояния [2].
Так как графен обладает двумерной кристаллической структурой, его свойства могут значительно меняться из-за контакта с различными подложками. Также наличие дефектов, может значительно влиять на свойства графена. Пример дефектов между зёрнами изображён на рис. 1. Границы зёрен в графене образуются путём соединения островов в начальной фазе роста. Данные дефекты можно увидеть с помощью просвечивающего электронного микроскопа или сканирующего тунельного микроскопа.
Рис. 1 Изображение просвечивающего электронного микроскопа (из работы [3]>. Видна граница между зёрнами, повёрнутыми друг относительно друга.
Но так как в большинстве случаев графен формируется на металлической подложке, получить крупномасштабную информацию о распределении границ зёрен проблематично. Для эффективного определения микроструктуры графена необходим эффективный способ выявления межзёренных границ. Предположительно, такой способ визуализации дефектов без переноса графена селективное травление границ в результате реакции с кислородом. Поэтому в данной работе исследуется взаимодействие графена на различных подложках с кислородом.
В данной работе исследовались системы графен/Co(0001) и графен/Ir(111), полученные методом осаждения из газовой фазы (CVD). Данный метод позволяет получать графеновые слои толщиной в один атом высокого качества. После синтеза системы подвергались выдержке в кислороде и были охарактеризованы поверхностно-чувствительными методами. Основным методом исследования в работе являлся метод фотоэлектронной спектроскопии, позволяющий обнаружить изменение электронной структуры графена.
Так как графен обладает двумерной кристаллической структурой, его свойства могут значительно меняться из-за контакта с различными подложками. Также наличие дефектов, может значительно влиять на свойства графена. Пример дефектов между зёрнами изображён на рис. 1. Границы зёрен в графене образуются путём соединения островов в начальной фазе роста. Данные дефекты можно увидеть с помощью просвечивающего электронного микроскопа или сканирующего тунельного микроскопа.
Рис. 1 Изображение просвечивающего электронного микроскопа (из работы [3]>. Видна граница между зёрнами, повёрнутыми друг относительно друга.
Но так как в большинстве случаев графен формируется на металлической подложке, получить крупномасштабную информацию о распределении границ зёрен проблематично. Для эффективного определения микроструктуры графена необходим эффективный способ выявления межзёренных границ. Предположительно, такой способ визуализации дефектов без переноса графена селективное травление границ в результате реакции с кислородом. Поэтому в данной работе исследуется взаимодействие графена на различных подложках с кислородом.
В данной работе исследовались системы графен/Co(0001) и графен/Ir(111), полученные методом осаждения из газовой фазы (CVD). Данный метод позволяет получать графеновые слои толщиной в один атом высокого качества. После синтеза системы подвергались выдержке в кислороде и были охарактеризованы поверхностно-чувствительными методами. Основным методом исследования в работе являлся метод фотоэлектронной спектроскопии, позволяющий обнаружить изменение электронной структуры графена.
В работе представлены результаты исследований электронной структуры систем на основе графена, интеркалированных кислородом. Две такие системы были рассмотрены в настоящей работе. Методами РФЭС и ФЭСУР была получена информация об изменении электронной структуры системы графен/Со(0001) после выдержки в кислороде и прогрева. Установлено, что атомы кислорода начинают проникать под графен уже при комнатной температуре, однако для ускорения данного процесса требуется отжиг. На РФЭС спектрах ds обнаружены две компоненты, отвечающие участкам графена, которые по-разному взаимодействуют с кислородом. Расщепление пика O 1s на две компоненты также указывает на неоднородное взаимодействие кислорода с кобальтом. Было установлено, что кислород находится преимущественно в приповерхностной области в атомарном виде без образования оксидной плёнки.
Также в работе изучены особенности электронной структуры графена при интеркаляции кислорода в межслоевое пространство между графеном и металлической подложкой. Данные ФЭСУР указывают на то, что сильное взаимодействие графена с Со(0001) постепенно ослабевает при увеличении концентрации кислорода в приповерхностной области. На спектрах ФЭСУР наблюдается сдвиг валентной зоны в сторону меньших энергий связи и уменьшение интенсивности 3d состояний Со вблизи уровня Ферми. Это указывает на уменьшение взаимодействия d оболочки с 2р состояниями графена. Сдвиг валентной зоны при интеркаляции кислорода также обнаружен в системе графен/1г(111). После прогрева в кислороде данной системы точка Дирака оказывается выше уровня Ферми, что свидетельствует о переносе заряда.
С помощью СЭМ и АСМ изучена микроструктура системы графен/1г(111). Установлено, что интеркаляция кислорода под графен приводит к образованию морщинистой структуры. Такая структура образуется из-за увеличения постоянной решётки графена при уменьшении взаимодействия между графеном и Ir(111), в результате чего образуются морщины. После дополнительного прогрева, часть кислорода деинтеркалирует и восстанавливается изначальное взаимодействие графена с подложкой. Это приводит к уменьшению количества и высоты морщин.
Сравнивая полученные результаты можно сделать вывод, что в двух рассматриваемых системах интеркаляция происходила по-разному. Для проникновения кислорода в системе графен/Со(0001) достаточно комнатной температуры. Тогда как для системы графен/1г(111) требуется отжиг в атмосфере кислорода при температуре 250 о С . Также из-за большого числа доменов повёрнутых друг относительно друга, кислород проникает под графен на Со не одинаково в разных местах. В результате чего, взаимодействие графена с кислородом неоднородно, в отличие от системы графен/1г(111).
Автор выражает глубокую благодарность Олегу Юрьевичу Вилкову за получение экспериментальных данных ДМЭ, ФЭСУР и РФЭС, Владимиру Юрьевичу Михайловскому за получение данных СЭМ, а также Кириллу Андреевичу Бокай за получение данных АСМ.
Отдельно хочется поблагодарить научного руководителя Усачёва Дмитрия Юрьевича за помощь в проведении эксперимента, обсуждении и интерпретации результатов, а также за постановку задачи данной работы.
Также в работе изучены особенности электронной структуры графена при интеркаляции кислорода в межслоевое пространство между графеном и металлической подложкой. Данные ФЭСУР указывают на то, что сильное взаимодействие графена с Со(0001) постепенно ослабевает при увеличении концентрации кислорода в приповерхностной области. На спектрах ФЭСУР наблюдается сдвиг валентной зоны в сторону меньших энергий связи и уменьшение интенсивности 3d состояний Со вблизи уровня Ферми. Это указывает на уменьшение взаимодействия d оболочки с 2р состояниями графена. Сдвиг валентной зоны при интеркаляции кислорода также обнаружен в системе графен/1г(111). После прогрева в кислороде данной системы точка Дирака оказывается выше уровня Ферми, что свидетельствует о переносе заряда.
С помощью СЭМ и АСМ изучена микроструктура системы графен/1г(111). Установлено, что интеркаляция кислорода под графен приводит к образованию морщинистой структуры. Такая структура образуется из-за увеличения постоянной решётки графена при уменьшении взаимодействия между графеном и Ir(111), в результате чего образуются морщины. После дополнительного прогрева, часть кислорода деинтеркалирует и восстанавливается изначальное взаимодействие графена с подложкой. Это приводит к уменьшению количества и высоты морщин.
Сравнивая полученные результаты можно сделать вывод, что в двух рассматриваемых системах интеркаляция происходила по-разному. Для проникновения кислорода в системе графен/Со(0001) достаточно комнатной температуры. Тогда как для системы графен/1г(111) требуется отжиг в атмосфере кислорода при температуре 250 о С . Также из-за большого числа доменов повёрнутых друг относительно друга, кислород проникает под графен на Со не одинаково в разных местах. В результате чего, взаимодействие графена с кислородом неоднородно, в отличие от системы графен/1г(111).
Автор выражает глубокую благодарность Олегу Юрьевичу Вилкову за получение экспериментальных данных ДМЭ, ФЭСУР и РФЭС, Владимиру Юрьевичу Михайловскому за получение данных СЭМ, а также Кириллу Андреевичу Бокай за получение данных АСМ.
Отдельно хочется поблагодарить научного руководителя Усачёва Дмитрия Юрьевича за помощь в проведении эксперимента, обсуждении и интерпретации результатов, а также за постановку задачи данной работы.
Подобные работы
- РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАУГЛЕРОЖИВАНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ ВЫПЛАВКЕ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛУПРОДУКТА ДСП
Диссертации (РГБ), металлургия. Язык работы: Русский. Цена: 4315 р. Год сдачи: 2016 - ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОД МИРОВОГО ОКЕАНА И ИЗУЧЕНИЕ ТЕМЫ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ГЕОГРАФИИ
Дипломные работы, ВКР, педагогика. Язык работы: Русский. Цена: 6300 р. Год сдачи: 2018 - ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЛЕДОСТОЙКИХ АНОДОВ ДЛЯ
СИСТЕМ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ СУДОВ ЛЕДОВОГО
ПЛАВАНИЯ, ЛЕДОКОЛОВ И МОРСКИХ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ НЕФТЕГАЗОДОБЫЧИ НА ШЕЛЬФЕ АРКТИЧЕСКИХ МОРЕЙ
Диссертация , машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 5750 р. Год сдачи: 2017 - ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ФУТЕРОВКИ И ГАРНИСАЖНОГО СЛОЯ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ БОЛЬШОГО ОБЪЕМА, ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ВАНАДИЙСОДЕРЖАЩИЕ ТИТАНОМАГНЕТИТЫ
Магистерская диссертация, металлургия. Язык работы: Русский. Цена: 4920 р. Год сдачи: 2021