graphene, nanostructures, scanning tunneling microscopy, nanofabrication, transport measurements
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)
70 %
Ortelius classification: Solid state physics
Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences)
30 %
Ortelius classification: Large scale hydropower plants
Panel
Physics
Department or equivalent
Institute of Technical Physics and Materials Science (Research Center of Natural Sciences)
Starting date
2010-10-01
Closing date
2013-09-30
Funding (in million HUF)
12.189
FTE (full time equivalent)
2.39
state
closed project
Summary in Hungarian
A grafén nanoszerkezetek előállításának különös jelentőségét az adja, hogy a grafén alapvető elektromos és mágneses tulajdonságait kontrollálhatjuk, amennyiben jól meghatározott méretű és élekkel rendelkező nanoszerkezeteket hozunk létre belőle. Elméleti számítások segítségével már számos érdekes és újszerű jelenséget jósoltak meg grafén nanoszerkezetekben, azonban ezek kísérleti ellenőrzésére alig akad példa. Ennek legfőbb oka, hogy a grafén nanoszerkezetek tulajdonságai kritkus módon függenek méreteiktől (nanométeres skálán) és az éleik kristálytani irányától. A jelenleg elterjedt nanomegmunkálási módszerek nem képesek ezt a pontosságot elérni, ezért nem lehet az elméleti modellhez hasonló, jól meghatározott szerkezetű és elű, grafén nanostruktúrákat létrehzoni a megjósolt jelenségek vizsgálatára. Az itt javasolt kutatás keretében, adaptálnánk az általunk korábban kifejlesztett STM litográfián alapuló nanomegmunkálási módszert, amely lehetővé tenné atomi skálán is jól definiált mérettel és élekkel rendlekező grafén nanoszerkezetek előállítását szigetelő hordozón, amelyek így hozzáférhetővé válnak a transzport mérések számára, lehetővé téve elektromos tulajdonságaik vizsgálatát. A pásztázó alagútmikroszkóp által biztosított nanométeres pontosságú megmunkálás, illetve a létrehozott nanoszerkezetek atomi felbontású leképezése , az elektromos transzport mérésekkel kombinálva, lehetővé teszi az atomi szerkezet és az elektromos tulajdonságok közötti összefüggések módszeres feltérképezését grafénban, azaz a grafén nanoszerkezetek fizikájának alaposabb feltárását, valamint, jő esélyel. újszerű, (kvantumos) jelenségek és tulajdonságok megifgyelését grafén nanoszerkezetekben.
Summary
The importance of fabricating graphene nanostructures is given by the fact that fundamental properties of graphene can be controlled by designing its size and shape at the nanometer scale. A series of novel and exciting phenomena have been theoretically predicted for graphene nanostructures, but almost none of them have been experimentally verified so far. The main difficulty is that controlling the electronic and magnetic properties of graphene nanostructures requires the control of their size at the nanometer scale and the ability to fabricate crystallographically well oriented edges. The conventional nanofabrication methods cannot achieve these requirements. Within this project, we propose to develop an adopted and improved version of the STM lithography method developed by us recently, which will allow the fabrication of graphene nanostructures with controlled size and edge types, lying on an insulating substrate, therefore accessible for subsequent transport measurements for electronic characterization. The combination of atomic resolution STM imaging and nanofabrication facility with transport measurements will allow us to systematically map the atomic structure – electronic properties relationship of graphene, therefore to explore the rich physics of graphene nanostructures, which most probably will also make possible the observation of novel phenomena and properties.
Final report
Results in Hungarian
Grafén nanoszerkezetek nagypontosságú létrehozása kulcsfontosságú a grafén alapú elektronikai eszközök kialakításában. A jelenleg rendelkezésre álló nanomegmunkálási módszerek precizitása viszont nem éri el a grafén eszközök megbízható működéséhez szükséges közel atomi pontosságot. A jelen projekt keretében két olyan saját módszert dolgoztunk ki, illetve fejlesztettünk tovább, amely a grafén jelenleg létező legpontosabb megmunkálását teszi lehetővé. Az STM litográfiával előállított nanoszalagok esetében először sikerült a szalagok atomi szerkezete és elektromos tulajdonságai közötti kapcsolatot kísérletileg feltárni. Megmutattuk, hogy úgy a karosszék, mint a cikk-cakk élű grafén szalagokban tiltott sáv nyitható, de míg a karosszék típusú szalagok esetében ez a kvantum-bezártságból, addig a cikk-cakk élű szalagok esetében az elektron-elektron kölcsönhatásból adódik. A másik, általunk kidolgozott nanomegmunkálási módszer segítségével, grafén membránok atomi szerkezetét nanométer alatti pontossággal sikerült modulálni mechanikai feszültség segítségével. Bebizonyítottuk, hogy a grafén nanoméretű deformációinak leírására nem alkalmazható a klasszikus mechanika, azokat csak a atomok közötti kötések kvantumos természetének figyelembevételével írhatjuk le. Ugyanakkor kimutattuk, hogy a grafén nanohullámok segítségével, szabályozhatjuk a töltéssűrűség eloszlást, létrehozva egy úgynevezett elektromos szuperrácsot, amely számos jövőbeli alkalmazás alapját képezheti.
Results in English
The high precision fabrication of graphene nanostructures is one of the fundamental challenges in the realization of graphene based nanoelectronics. The nanofabrication methods available so far lack the required almost atomic precision to define reliably operating graphene devices . Within the present project, we have developed two techniques, which are the most precise methods for nanoengineering graphene. We have experimentally established for the first time the fundamental relations between the atomic structure of graphene nanoribbons, fabricated by STM lithography, and their electronic properties. We have demonstrated that ribbons with armchair edges display a quantum confinement gap, while in the zigzag edged graphene nanoribbons a gap can open due to the electron-electron interactions. Another nanoengineering method developed by us enables the modulation of the atomic structure of suspended graphene nanomembranes with sub-nanometer precision by strain-engineering. We have demonstrated that the continuum mechanics breaks down for the nanoscale out-of-plane deformations of graphene, and a microscopic model considering the quantum mechanical nature of atomic bonds is required to interpret the experimental results. Furthermore, we have shown that graphene nanoripples can modulate the electron density distribution on a graphene membrane, giving rise to electronic superlattices of nanometer periodicity that can open the way towards various applications.
Biro LP; Nemes-Incze P; Dobrik G; Hwang C; Tapaszto, L;: Graphene nanopatterns with crystallographic orientation control for nanoelectronic applications, Diamond and Related Materials, 2011
Tapasztó L; Dumitrica T; Kim SJ; Nemes-Incze P; Hwang C; Biró LP:: Breakdown of continuum mechanics for nanometre-wavelength rippling of graphene, Nature Physics, 2012
Dobrik G; Tapasztó L; Biró LP;: Selective etching of armchair edges in graphite, Carbon, 2013
Tapasztó L; Nemes-Incze P; Dobrik G; Biró LP: Nanopatterning of graphene with crystallographic orientation control, Budapest Neutron Center User Meeting 27 November 2010 (invited talk), 2010
Tapasztó L; Nemes-Incze P; Dobrik G; Hwang C; Biró LP: Grain boundaries in graphene, European Materials Reserch Society Spring Meeting, Nice, France 9-13 May (oral presentation), 2011
Tapasztó L; Nemes-Incze P; Dobrik G; Hwang C; Biró LP: Graphene from large area sheets to nanostructures, Processes in Isotopes and Molecules 2011, Cluj-Napoka Romania 27-31 October (invited plenary lecture), 2011
Tapasztó L; Nemes-Incze P; Dobrik G; Hwang C; Biró LP: Szemcsehatárok grafénban: atomi és elektronszerkezet, MTA Fizikai Tudományok Osztálya 2011. évi közgyűlés, május 4, (meghívott előadás), 2011
Tapaszto L; Dobrik G; Nemes-Incze P; Fogarassy Zs; Kim SJ; Szabo PJ; Labar J; Rummeli M; Hwang C; Biro LP: Structure of large area graphene on BN films, European Materials Reserch Society Spring Meeting, Strassbourg, France 14-18 May (oral presentation), 2012
Tapasztó L; Dumitrica T; Kim SJ; Nemes-Incze P; Hwang C; Biró LP;: Strain engineering nanometer-wavelength periodic graphene ripples, European Materials Research Society (E-MRS) 2013 SPRING MEETING May 27-30, 2013, Strasbourg, France (oral presentation), 2013
Tapasztó L; Dumitrica T; Kim SJ; Nemes-Incze P; Hwang C; Biró LP;: Strain engineering sub-nanometer wavelength periodic ripples in graphene, The 16th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications, July 2-5, 2013, Jeju, Korea, 2013
Tapasztó L; Dumitrica T; Kim SJ; Nemes-Incze P; Hwang C; Biró LP;: 5. Strain-engineering sub-nanometer wavelength periodic ripples in graphene beyond the limits of continuum mechanics, International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, IWEPNM 2013, March 2-9, 2013, Kirchberg in Tirol, Austria, 2013
Nemes–Incze P; Tapasztó L; Dobrik G; Magda G; Jin X; Hwang C; Biró LP;: Graphene nanoribbons with zigzag and armchair edges prepared by scanning tunneling microscope lithography on gold substrates, European Materials Research Society (E-MRS) 2013 SPRING MEETING, Symposium I, May 27-31, 2013, Strasbourg, France, 2013
