Titelaufnahme

Titel
Focused ion beam synthesis, photoluminescence and Raman spectroscopy of nanopatterned graphite / Markus Glaser
VerfasserGlaser, Markus
Begutachter / BegutachterinBertagnolli, Emmerich ; Lugstein, Alois
Erschienen2011
UmfangVII, 108 Bl. : aIll., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2011
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Fokussierter Ionenstrahl / FIB / Graphit / Raman / Spektroskopie / Photolumineszenz / PL / GNS / Graphen
Schlagwörter (EN)Focused Ion Beam / FIB / Graphite / Raman / Spectroscopy / Photoluminescence / PL / GNS / NIR / Graphene
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-42823 Persistent Identifier (URN)
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Focused ion beam synthesis, photoluminescence and Raman spectroscopy of nanopatterned graphite [30.34 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die aktuellen Forschungen zu Graphen und dessen einzigartigen physikalischen Eigenschaften führten zur Bildung eines neuen Technologiefeldes, genannt Graphen-Elektronik, welches in Transistoren oder optoelektronischen Bauelementen Anwendung findet. Da Graphen eine Einzellage eines Graphitkristalls ist, rückten die Untersuchungen von Graphen die komplexen physikalischen Eigenschaften von Graphit neuerlich in den Fokus der Forschung. Vor kurzem wurde von uns mit Hilfe der fokussierten Ionenstrahl Technologie eine neuartige Methode zur Extraktion von Graphitschichten auf der Oberfläche einer synthetischen 'Highly Oriented Pyrolytic Graphite' Probe präsentiert. Diese 'Graphit-Nano-Segel' weisen eine planare Oberfläche und Dicken im Bereich von einigen zehn bis hundert Nanometern auf. Bei Kathodolumineszenz-Spektroskopie Messungen konnte Lumineszenz an den Graphitsegeln nachgewiesen und mit Hilfe von Nah-Infrarot Photolumineszenz-Spektroskopie bestätigt werden. Mögliche Anwendungsgebiete für diesen Effekt wären in optoelektronischen Bauelementen für Telekommunikationssysteme oder als Fluoreszenzmarker in organischem Gewebe für biotechnologische Untersuchungen.

Der Schwerpunkt dieser Diplomarbeit liegt auf der Prozessierung von Graphit-Nano-Segeln mit Hilfe des fokussierten Ionenstrahls und der Charakterisierung dieser Proben mittels Mikro-Raman- und Photolumineszenz-Spektroskopie.

Die Parameter für die erfolgreiche Herstellung von Graphit-Nano-Segeln werden beschrieben und der Prozess der fokussierten Ionenstrahl Bearbeitung wird im Detail analysiert. Untersuchungen der Struktur des Graphitsegels mittels Raman-Spektroskopie ergaben eine kristalline Struktur mit geringer Fehlordnung. Weiters wurde eine dünne amorphe Schicht an der Rückseite identifiziert, welche ähnliche Eigenschaften wie die durch den Ionenstrahl strukturierte Probenoberfläche aufweist.

Mit Hilfe von Photolumineszenz-Spektroskopie konnte ein Spektrum im nahen Infrarot detektiert werden, welches eine charakteristische Struktur zwischen 1200-1600 nm aufweist. Dieses Spektrum konnte ebenfalls an anderen Graphitproben bestimmter Dicke gemessen werden.

Hierzu wurden synthetische und natürliche Graphitflocken mit ähnlichen Dimensionen wie die mittels fokussierter Ionenstrahl Bearbeitung hergestellten Graphitsegel mit Hilfe von mechanischer Exfoliation extrahiert. Diese Lumineszenz im nahen Infrarotbereich konnte nur an Graphitflocken mit Dicken von 30-150 nm festgestellt werden. Bei dünneren Proben oder am Graphitsubstrat war keine Lumineszenz messbar.

In Aufheizexperimenten wurde der Einfluss einer Sauerstoff- oder Formiergasatmosphäre auf die Graphit-Nano-Segel bei hohen Temperaturen untersucht. Anhand von Raman-Spektroskopie Untersuchungen werden Ausheileffekte in den ungeordneten Graphitstrukturen nach dem Erhitzen der Proben gezeigt.

Zusammenfassung (Englisch)

The recent research on graphene and its unique physical properties led to the emergence of a new field of technology, called graphene electronics, with applications in transistors or optoelectronic devices. As graphene is a single layer of a graphite crystal, the research on graphene also brought the complex physical properties of graphite back into the center of attention.

Recently the focused ion beam technology was utilized to present a novel approach for extracting graphite sheets on the bulk surface of a synthetic highly oriented pyrolytic graphite specimen. These 'graphite nano sheets' exhibit a planar surface and thicknesses from tens to hundreds of nanometers. Cathodoluminescence spectroscopy yielded luminescence from the graphite sheets, which was confirmed by near-infrared photoluminescence spectroscopy. An application of these graphite sheets in optoelectronic devices for telecommunication systems or as a fluorescent marker in organic tissue for biological research is suggested.

The focus of this diploma thesis is on the focused ion beam processing of graphite nano sheets as well as their characterization with micro-Raman and photoluminescence spectroscopy.

Parameters for successful graphite nano sheet formation are presented and the focused ion beam process is investigated in detail. With Raman investigation, the graphite sheet structure was found to be crystalline with slight disorder. Furthermore a thin amorphous layer was identified on the back side, which exhibits similar properties as the ion beam milled box on the sample surface.

With photoluminescence spectroscopy a near-infrared spectrum with a characteristic structure between 1200-1600 nm was detected. It is shown, that this characteristic spectrum can be detected from several graphitic specimens with certain thicknesses. For this, synthetic and natural graphite flakes with dimensions similar to the focused ion beam processed nano sheets were extracted by mechanical exfoliation. This near-infrared luminescence was detected from graphite flakes with thicknesses of 30-150 nm and no luminescence was observable for thinner specimens as well as bulk graphite.

With tempering experiments the influence of oxygen and forming gas atmospheres on graphite nano sheets at elevated temperatures was investigated. Annealing effects in the disordered graphite structures after specimen heating are shown with Raman spectroscopy investigation.