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Multifrequency atomic force microscopy for the in-plane and out-of-plane nanomechanical characterization of graphitic surfaces

Eichhorn, Anna Lisa (2023)
Multifrequency atomic force microscopy for the in-plane and out-of-plane nanomechanical characterization of graphitic surfaces.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023856
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Multifrequency atomic force microscopy for the in-plane and out-of-plane nanomechanical characterization of graphitic surfaces
Language: English
Referees: Dietz, PD Dr. Christian ; Klitzing, Prof. Dr. Regine von
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VIII, 185 Seiten
Date of oral examination: 5 May 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023856
Abstract:

Graphene is considered as one of the most promising materials for numerous applications such as electronics, photonics, membranes, sensors, heat dissipators, lubricants and many more [1, 2]. In addition to its outstanding electronic properties, in particular, the extraordinary mechanical properties of graphene have become the focus of scientific attention. For example, it has been shown that defect-free graphene has an enormously high Young’s modulus of about 1 TPa [3]. However, little research has been done on the local influence of defects on the nanomechanical properties of graphene. Several challenges come to mind as possible reasons, such as (i) imaging graphene with atomic resolution, (ii) simultaneous analysis of sample properties parallel and perpendicular to the sample plane, (iii) preparation of adsorbate-free graphene samples, and (iv) targeted introduction of defects. To overcome the aforementioned challenges, first, an atomic force microscopy-based method was developed within this work that enables imaging of graphene in air under ambient conditions with atomic resolution. In addition, the method was designed to allow quantification of interaction forces, both, perpendicular and parallel to the graphene surface. This is particularly important to access the complete set of elastic constants of graphene. An important finding of this work is that different adsorbate types could be observed on the graphene surface shortly after the preparation of graphene samples. Therefore, a detailed analysis of the adsorbates was performed using the developed multifrequency atomic force microscopy method. Furthermore, the extent to which oxygen-plasma treatment can be used to remove adsorbates from a graphene sample stored under laboratory air conditions was examined. Adsorbate removal is a basic requirement for the targeted introduction of defects, as well as for the investigation of their influence on the local nanomechanical properties. The effect of oxygen-plasma treatment on different graphene-/graphite-samples was additionally investigated by Raman spectroscopy.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Graphen gilt als eines der vielversprechendsten Materialien für zahlreiche Anwendungsbereiche wie z.B. für Elektronik, Photonik, Membranen, Sensoren, Wärmeableiter, Schmiermittel und viele mehr [1, 2]. Neben den besonderen elektronischen Eigenschaften, sind insbesondere auch die außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften von Graphen in den Fokus der Wissenschaft gerückt. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass defektfreies Graphen ein enorm hohes Elastizitätsmodul von etwa 1 TPa [3] aufweist. Wenig erforscht ist allerdings der lokale Einfluss von Defekten auf die nanomechanischen Eigenschaften von Graphen. Als mögliche Ursache für dieses Defizit kommen damit verbundene Herausforderungen in Frage wie z.B. (i) die Abbildung von Graphen mit atomarer Auflösung, (ii) die gleichzeitige Analyse von Probeneigenschaften parallel und senkrecht zur Probenebene, (iii) die Herstellung adsorbatfreier Graphenproben, sowie (iv) das gezielte Einbringen von Defekten. Um die genannten Herausforderungen zu überwinden, wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst eine Rasterkraftmikroskopie-basierte Methode entwickelt, die die Abbildung von Graphen mit atomarer Auflösung an Luft unter Umgebungsbedingungen ermöglicht. Zudem wurde die Methode dahingehend entwickelt, dass eine Quantifizierung von Wechselwirkungskräften sowohl senkrecht als auch parallel zur Graphenoberfläche erfolgen kann. Dies ist insbesondere wichtig, um die Gesamtheit aller elastischen Konstanten von Graphen zugänglich zu machen. Eine wichtige Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass bereits kurz nach der Herstellung von Graphenproben verschiedene Adsorbat-Typen auf der Graphenoberfläche beobachtet werden konnten. Deshalb erfolgte mithilfe der entwickelten multifrequenten Rasterkraftmikroskopie-Methode eine detaillierte Analyse der Adsorbate. Des Weiteren wurde überprüft, inwiefern eine Behandlung mit Sauerstoff-Plasma dazu dienen kann, eine unter Laborbedingungen gelagerte Graphenprobe von Adsorbaten zu befreien. Dies ist eine Grundvoraussetzung für das gezielte Einbringen von Defekten, sowie für die Untersuchung von deren Einfluss auf die lokalen nanomechanischen Eigenschaften. Die Auswirkung der Sauerstoff-Plasma Behandlung auf verschiedene Graphit-/Graphenproben wurde zusätzlich mittels Raman-Spektroskopie untersucht.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-238563
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 500 Science
500 Science and mathematics > 530 Physics
500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Physics of Surfaces
Date Deposited: 05 Jul 2023 12:02
Last Modified: 23 Aug 2023 12:50
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23856
PPN: 509303161
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