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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
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (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.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Eichhorn, Anna Lisa
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Multifrequency atomic force microscopy for the in-plane and out-of-plane nanomechanical characterization of graphitic surfaces
Sprache: Englisch
Referenten: Dietz, PD Dr. Christian ; Klitzing, Prof. Dr. Regine von
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: VIII, 185 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 5 Mai 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023856
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23856
Kurzbeschreibung (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.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

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.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-238563
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Physics of Surfaces
Hinterlegungsdatum: 05 Jul 2023 12:02
Letzte Änderung: 06 Jul 2023 05:28
PPN:
Referenten: Dietz, PD Dr. Christian ; Klitzing, Prof. Dr. Regine von
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 5 Mai 2023
Export:
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