Electronic properties of selected carbon nanostructures characterized in ultra-high-vacuum conditions.

Wykonano pomiary próbek grafenu epitaksjalnego na 4H-SiC oraz oligomerów molekuł o strukturze donor-akceptor-donor (DAD) na powierzchni rutylu TiO2(011)-(2✕1) z wykorzystaniem komplementarnych technik: Skaningowej Mikroskopii Tunelowej (STM) oraz Kątowo-Rozdzielczej Spektroskopii Fotoemisyjnej (ARPES/UPS). Wykorzystanie obu technik pozwoliło uzyskać zarówno lokalną (STM) jak i globalną (ARPES) informację o badanych układach.Dzięki wykorzystaniu skonstruowanej uprzednio walizki próżniowej oraz specjalnego nośnika na próbki kompatybilnego z dwoma systemami próbki mogły być przenoszone między systemami w warunkach Ultra-Wysokiej Próżni (UHV) i możliwe było wykorzystanie aparatury znajdującej się w różnych miejscach do badania tej samej próbki.W przypadku modelowego układu, którym jest epitaksjalny grafen przede wszystkim przetestowana została skuteczność procedury transportu próbek w warunkach UHV. Badania gęstości stanów elektronowych potwierdziły brak występowania przerwy wzbronionej grafenu i występowanie charakterystycznej liniowej zależności dyspersyjnej. Zauważono również efekt elektrostatycznego domieszkowania grafenu, w postaci przesunięcia punktu Diraca o ok. 0,5 eV w kierunku niższych energii. Z wykorzystaniem eksperymentów STM zauważono struktury wyspowe, które uznano za obszary grafenu monowarstwowego wzrastającego na warstwie buforowej. Zobrazowano też ciekawą, pasową strukturę modulacji pochodzącą od warstwy buforowej, która jest różna od często obserwowanych modulacji o strukturze quasi (6x6). Pokazuje to, że warstwa buforowa badanej próbki miała lokalnie inną strukturę niż to zwykle ma miejsce. Sprawdzono wpływ zmian napięcia między ostrzem a próbką na obraz struktury modulacyjnej na obrazie monowarstwy i potwierdzono osłabienie widoczności modulacji dla niższych napięć.Inicjowana termicznie polimeryzacja molekuł DAD na powierzchni ditlenku tytanu z prekursorów Br-DAD-Br powiodła się. Wykonując pomiar długości łańcucha molekularnego potwierdzono występowanie wiązań kowalencyjnych. Zaobserwowano, że badane łańcuchy wykazują preferencję do ułożenia wzdłuż rzędów rekonstrukcji TiO2(011) oraz na krawędziach tarasów powierzchni. Potwierdzono elastyczność uzyskanej struktury oraz przeanalizowano ułożenie łańcucha na powierzchni. Zbadano gęstość stanów pustych (STS) oraz obsadzonych (UPS). Krzywe UPS potwierdziły wystąpienie stanów molekularnych w obszarze przerwy wzbronionej ditlenku tytanu.

Samples of epitaxial graphene on 4H-SiC and donor-acceptor-donor (DAD) structure oligomers sythesized on rutile TiO2(011)-(2✕1) were characterized using complementary techniques: Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy (STM/STS) and Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy (ARPES/UPS). This approach allowed to obtain both local (STM) and global (ARPES) information about investigated systems. Constructed Ultra-High-Vacuum (UHV) suitcase together with a special sample holder enabled transfer of samples between two experimental systems under UHV conditions. Thus it was possible to use instruments located in different places to study the same sample.In the case of a model system - epitaxial graphene - primarily effectiveness of sample transport procedure was tested. Electronic properties of graphene studied using STS and ARPES confirmed lack of band gap in graphene and existence of distinctive linear dispersion relation. Dirac point of graphene exhibited shift of about 0,5 eV below Fermi level, reflecting electrostatic doping of studied graphene samples. In STM experiments island structures were observed, which were attributed to areas of monolayer graphene growing on buffer layer. Interesting, bond-like structure of buffer-layer-induced modulations was also discovered. This structure is different than usually observed quasi (6✕6) one, which indicated that buffer layer of the sample exhibited locally different than usual structure. Bias depenant STM imaging of graphene monolayer confirmed attenuation of buffer-layer-induced modulations for low bias voltages.In the case of DAD oligomers experiments confirmed successful thermally induced polymerization on rutile titanium dioxide (011). Detailed analysis of STM measurements of molecular chains proved existence of covalent bonds within the oligomers. Moreover, despite observed flexibility of oligomers, they were seen to prefere arrangement along reconstruction rows and terrace edges of TiO2(011)-(2✕1) surface. Complementary approach allowed to determine both unoccupied (STS) and occupied (UPS) electronic states of oligomers. Particularly UPS spectra confirmed presence of molecular states within the band gap of titanium dioxide.