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Two dimensional cluster lattices on graphene moires on dense packed metal surfaces

Subject Area Experimental Condensed Matter Physics
Term from 2007 to 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 57381995
 
Final Report Year 2014

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes wurden Struktur, Bindung und Wachstum von zweidimensionalen Gittern aus Metallclustern auf dem Moiré von Graphen mit Ir(111) untersucht. Dazu wurde zunächst die Struktur und Bindung von Graphen auf Ir(111) experimentell präzise vermessen. Ab initio Rechnungen, die die dominierende van der Waals Wechselwirkung berücksichtigen reproduzieren die experimentellen Ergebnisse und zeigen, dass Graphen auf Ir(111) physisorbiert ist und die Bindung durch attraktive und repulsive chemische Wechselwirkungen mit Moiréperiodizität moduliert wird. Das System ermöglicht die Bildung von Clustergittern, weil sich unter dem deponierten Metall an je einer Stelle in der Moiréeinheitszelle diamantartiger Kohlenstoff bildet, der Bindung des Kohlenstoff sowohl zum Cluster als auch an das Substrat ermöglicht. Die Perfektion der Clustergitter ist so hoch, dass sich durch Röntgenbeugung, ähnlich wie bei der Proteinkristallographie, die innere Struktur der Cluster bestimmen lässt. Dies ermöglicht erstmals die Perspektive, die Veränderungen der Clusterstruktur während der Katalyse mit hoher Genauigkeit zu verfolgen. Adsorption und Desorption von einfachen Gasen wie H2, O2, und CO sowie die CO-Oxidation wurden für Ptbzw. Au Clustergitter untersucht. Bei der Begasung von Pt Clustern mit CO wurden dabei adsorptionsinduzierte Änderungen der Clusterform und für besonders kleine Cluster aus ca. 10 Atomen erstmals ein Sintern durch Smoluchowski Reifung, also durch adsorptionsinduzierte Diffusion der Cluster als Einheit, beobachtet. Ein praktischer Einsatz der Cluster in der Katalyse erfordert es, die Clustergitter auch auf billigeren Substraten herzustellen – wie im Projekt durch Clustergitter auf Ir-Blechen demonstriert - sowie ein Sintern unter Reaktionsbedingungen und bei erhöhten Temperaturen zu verhindern. Zur Verhinderung des Sinterns von Clustern wird auf Basis der bisherigen Experimente als erster Schritt eine Funktionalisierung des Graphens im Zwischenraum der Cluster durch Reaktion mit Radikalen vorgeschlagen. Es wurden Verfahren entwickelt, um Clustergitter hoher Perfektion aus Materialien wie Fe, Co, Rh oder Eu für nanomagnetische Untersuchungen herzustellen. Sofern ferromagnetische Kopplung der Momente im Cluster festgestellt werden konnte, so blieben bei der maximal im Moirétemplat ohne Koaleszenz erzielbaren Clustergröße, die Cluster auch bei 10 K superparamagnetisch, zeigten keine Anisotropie und keine magnetische Kopplung. Eine völlig neue Perspektive eröffnete sich bei den Untersuchungen zum Clusterwachstum, als bei erhöhten Temperaturen die Interkalation des deponierten Materials in Form eines durch das Moiré bestimmten Musters festgestellt werden konnte. Diese Interkalationsmuster sind mit einem Muster starker lokaler Dotierung verknüpft. Es wurde gezeigt, dass die Bindungsstärke von Adsorbaten an Graphen durch die Dotierung stark verändert wird. Hiermit öffnet sich die Perspektive, durch lokale Dotierung chemische Muster in Graphen zu schreiben und damit ein vielseitiges lithographisches Verfahren zu entwickeln.

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