TU Darmstadt / ULB / TUprints

Computational study of electron transport in nanocrystalline graphene

Perera, Delwin (2023)
Computational study of electron transport in nanocrystalline graphene.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023305
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

[img] Text
dissertation_perera.pdf
Copyright Information: CC BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution ShareAlike.

Download (14MB)
Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Computational study of electron transport in nanocrystalline graphene
Language: English
Referees: Albe, Prof. Dr. Karsten ; Krupke, Prof. Dr. Ralph
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 88 Seiten
Date of oral examination: 9 February 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023305
Abstract:

Over the last years graphene research has branched into many fields and sub-fields spanning from pure theory to technology. A first climax of this development was the Nobel Prize in Physics 2010. Since then new milestones have been reached increasingly focussing on the technological application of graphene. Ideally, the extraordinary properties of graphene could be directly transferred from laboratory to commercial devices. Such a straight route, however, does not exist in most cases. Designing and manufacturing graphene-based electronic devices on large scales rather poses additional questions and challenges. A major challenge is the control of dislocations and grain boundaries in graphene. These defects are typically caused by large-scale synthesis methods such as chemical vapour deposition. Defects often deteriorate pristine material properties like mechanical strength, electric conductivity or electron mobility. In this sense they are clearly undesired, but defects offer new possibilities as well. They can be used to tune for example mechanical or electronic properties and defect engineering has become an increasingly pursuit research area. In this work, we study a specific type of defect in graphene: grain boundaries at the nanometer scale. Graphene grain boundaries are extended defects but in contrast to three-dimensional materials they are line not area defects. The reduced dimensionality relates them closely to dislocations and other topological defects. Topological defects, generally, change the connectivity between atomic sites without necessarily changing the coordination. This strongly affects the electronic properties of graphene and offers possibilities to engineer electron transport that contrast with commonly used methods like doping or chemical modifications. A second source to modulate transport properties is mechanical strain. The piezoresistive effect, i.e. the change of electric response upon mechanical strain, is a well-known example. In graphene the piezoresistive effect offers interesting application possibilities in the form of transparent strain sensors due to graphene’s optical transparency and mechanical flexibility. The piezoresistive effect in graphene is also an interesting crossing point between electromechanical properties and their interaction with grain boundaries. Nanocrystalline graphene (NCG) shows a pronounced piezoresistivity suggesting that the high grain boundary density contributes somehow to it. Uncovering the role of grain boundaries for electron transport is invaluable, both theoretically and experimentally. Transport at the length scales relevant in NCG offers a quite interesting opportunity: The problem can be investigated theoretically by quantum-mechanical methods while still accessible to experimental probes. Such a complementary investigation is interesting in itself. We must acknowledge, however, that the theoretical treatment in this thesis, still uses several simplifications that cannot be mimicked in experiments, directly. First we study how the grain boundary structure influences electron transport in graphene bicrystals. We find that there are generally two transport regimes within the ballistic transport approximation: an energy gap region and, at energies beyond this gap, an ohmic region. The size of the energy gap depends on the bicrystal geometry and can be zero for some bicrystals. The gap region is insensitive to structural variations while the ohmic region is quite sensitive. This insight motivates a purely geometric picture of the emergence and size of transport gaps in graphene bicrystals. Moreover, this picture can be extended to describe a gap modulation by mechanical strain. It is therefore a useful bridge from bicrystals to piezoresistivity in graphene nanocrystals. The final topic considered in this thesis is an approximation of electron transport in nanocrystals under a uniaxial external strain. The approximate nature lies mainly in the model construction: We use hexagonally shaped grains to establish simple orientation relations between adjacent grains and to reduce the number of additional degrees of freedom. By combining conventional two-terminal transport calculations and transport samples embedded in complex absorbing potentials we find that the grain boundary network exhibits pronounced metallicity at low energies. This indicates that the enhanced piezoresistivity of NCG may be attributed to a finite-size effect. While a conclusive description of mechanically modulated conductivity in NCG could not be presented, our work establishes important technical insights into ballistic transport calculations of extended structures in general and transport across graphene grain boundaries in particular.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Im Laufe der letzten Jahre hat sich die Graphen-Forschung in viele Gebiete und Untergebiete verzweigt. Diese reichen von Grundlagenforschung bis zu technologischen Anwendungen. Ein erster Höhepunkt dieser Entwicklung war die Verleihung des Physik-Nobelpreises 2010. Seit diesem Zeitpunkt sind neue Meilensteine erreicht worden, die sich zunehmend mit der technologischen Anwendung von Graphen auseinandersetzen. Idealerweise würden die außergewöhnlichen Eigenschaften von Graphen direkt vom Labor auf kommerzielle Anwendungen übertragbar sein. Ein derartiger geradliniger Weg existiert jedoch in den meisten Fällen nicht. Entwurf und Herstellung von graphen-basierten elektronischen Komponenten in großen Mengen bereiten zudem weitere Herausforderungen. Eine große Herausforderung ist die Kontrolle von Versetzungen und Korngrenzen in Graphen. Diese Defekte treten üblicherweise bei großskaligen Synthesemethoden wie der chemischen Gasphasenabscheidung auf. Defekte setzen die intrinsischen Materialeigenschaften wie mechanische Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit oder Elektronenmobilität häufig herab. In dieser Hinsicht sind sie zweifelsohne unerwünscht. Aber Defekte bieten auch neue Möglichkeiten. Sie können beispielsweise benutzt werden, um mechanische oder elektronische Eigenschaften gezielt zu verändern. Dieses sogenannte Defect-Engineering ist zu einem bedeutsamen Forschungsfeld geworden. In dieser Arbeit betrachten wir einen speziellen Graphen-Defekttyp: Korngrenzen im Nanometerbereich. Graphen-Korngrenzen sind ausgedehnte Defekte, aber im Gegensatz zu dreidimensionalen Materialien sind sie keine Flächendefekte. Die reduzierte Dimensionalität verbindet sie eng mit Versetzungen und anderen topologischen Defekten. Generell verändern topologische Defekte die Konnektivität zwischen Atomen ohne notwendigerweise deren Koordination zu verändern. Diese Tatsache beeinflusst die elektronischen Eigenschaften von Graphen enorm und bietet die Möglichkeit, Elektronentransport in Graphen gezielt zu steuern, ohne auf übliche Verfahren wie Dotierung oder chemische Modifikation angewiesen zu sein. Eine zweite Quelle, um die Transporteigenschaften zu modulieren, ist mechanische Dehnung. Der piezoresistive Effekt, d. h. die Änderung der elektronischen Antwort unter mechanischer Dehnung, ist ein bekanntes Beispiel. Der piezoresistive Effekt bietet für Graphen interessante Anwendungsmöglichkeiten in Form transparenter Dehnungssensoren, da Graphen optisch transparent und mechanisch flexibel ist. Der piezoresistive Effekt in Graphen stellt darüber hinaus auch eine interessante Schnittstelle zwischen elektro-mechanischen Eigenschaften und deren Wechselwirkung mit Korngrenzen da. Nanokristallines Graphen zeigt eine besonders ausgeprägte Piezoresistivität, was darauf schließen lässt, dass die hohe Korngrenzdichte hierfür eine Rolle spielt. Diese Rolle der Korngrenzen für den Elektronentransport zu beleuchten, ist sowohl in theoretischer wie auch in experimenteller Hinsicht wichtig. Transport bei den Längenskalen, die für nanokristallines Graphen relevant sind, bietet auch eine interessante Möglichkeit: Das Problem kann theoretisch durch quantenmechanische Methoden untersucht werden, ist aber auch experimenteller Untersuchung zugänglich. Wie müssen allerdings bekennen, dass die theoretischen Untersuchungen in dieser Arbeit dennoch viele Vereinfachungen nutzen müssen, die experimentell nicht direkt nachgebildet werden können. Zuerst untersuchen wir, wie die Atomstruktur der Korngrenze den Elektronentransport in Graphenbikristallen beeinflusst. Wir kommen zu dem Resultat, dass generell zwei Transportbereiche in der ballistischen Transportnäherung existieren: ein Bereich mit einer Energielücke und bei Energien außerhalb dieser Lücke ein ohmscher Bereich. Die Größe der Lücke hängt von der Bikristallgeometrie ab und kann auch Null betragen für einige Bikristalle. Der Lückenbereich ist unempfindlich gegenüber strukturellen Veränderungen, während der ohmsche Bereich sehr empfindlich ist. Diese Erkenntnis motiviert, ein rein geometrisches Bild zu erstellen, das das Auftreten und die Größe von Energielücken in Graphenbikristallen vorhersagen kann. Dieses Bild kann darüber hinaus erweitert werden, um die Modulation von Lücken durch mechanische Dehnung zu beschreiben. Es ist daher nützlich als Bindeglied zwischen Bi- und Polykristallen. Das abschließende Thema dieser Arbeit ist die Annäherung an Elektronentransport in Nanokristallen unter uniaxialer mechanischer Dehnung. Die Annäherung bezieht sich hauptsächlich auf die Modellerzeugung: Wir benutzen sechseckige Körner, um eine vereinfachte Orientierungsbeziehung zwischen benachbarten Körnern zu haben und die Anzahl zusätzlicher Freiheitsgrade zu reduzieren. Durch Kombination von konventionellen Zwei-Elektroden-Transportrechnungen und Transportproben, die in ein komplexes Absorptionspotential eingebettet sind, gelangen wir zu dem Schluss, dass das Korngrenznetzwerk eine auffällige Metallizität bei niedrigen Energien aufweist. Dies deutet darauf hin, dass die erhöhte Piezoresistivität von nanokristallinem Graphen ein Finite-Size-Effekt sein könnte. Obwohl wir keine abschließende Beschreibung der mechanisch modulierten Leitfähigkeit in nanokristallinem Graphen bieten können, hat unsere Arbeit wichtige technische Erkenntnisse zu ballistischen Transportrechnungen in ausgedehnten Strukturen generell, und für Transport über Graphenkorngrenzen im Besonderen, geliefert.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-233051
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Materials Modelling
Date Deposited: 01 Mar 2023 13:01
Last Modified: 02 Mar 2023 07:17
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23305
PPN: 505396955
Export:
Actions (login required)
View Item View Item