Die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Graphen-Membranen

Abstract

Zweidimensionale Materialien sind interessant für Innovationen in vielen Bereichen, wie beispielsweise in der Sensorik, in elektronischen Bauteilen bis hin zu Anwendungen bei Filtertechniken. Die experimentelle Untersuchung von atomar dünnen freitragenden Membra- nen ist allerdings schwierig und viele Informationen zu mechanischen Eigenschaften basieren nur auf Simulationsrechnungen. In der vorliegenden Arbeit wurden erstmals die mecha- nischen Eigenschaften von industriell produzierten freitragenden Graphen-Membranen mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie untersucht. Dabei wird die Dominanz der attraktiven elektrostatischen Wechselwirkung zwischen der Tunnelspitze und der Oberfläche bei klei- nen Tunnelströmen ausgenutzt. Die Wö ̈lbung der Graphen-Membran wird beruührungslos durch das Anlegen einer Spannungsrampe im Tunnelkontakt kontrolliert. Durch die Aufnahme von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen konnten so die mechanischen Eigenschaften einer freitragenden Graphen-Membran direkt nachgewiesen werden. Ortsfeste zeitabhängige Messungen mit dem Tunnelmikroskop zeigen, dass sich die freitragende Membran nicht wie eine gespannte Pauke in Ruhe verhällt, sondern eher der Oberfla ̈che eines Sees mit verschieden aperiodischen Wellenbewegungen ähnelt. Die STM-Messungen wurden ergaänzt durch Indentationexperimente mit dem Rasterkraftmikroskop und liefern Ergebnisse zur Oberfla ̈chenspannung und der Hamakerkonstanten der freitragenden Graphen-Membran.

Twodimensional materials have the potential for technical innovations in many fields reaching from sensor technology, new electronic components and to applications in filtration techniques. Atomically thin membranes are challenging in handling and many informations about mechanical properties originate from simulation techniques only. In the present work the mechanical properties of industrial produced graphene membranes have been in- vestigated for the first time applying Scanning Tunneling Microscopy. The technique used the sensitive distance dependence of the tunneling current and the attractive electrostatic force dominating for low tunneling currents. This offers a non-contact mode to bulge the membrane at low forces by applying voltage ramps in the tunneling regime yielding information of the Young’s modulus of strained graphene in good agreement with atomistic calulations. Local time resolved measurements indicate that the freestanding graphene membrane does not behaves like a drum-head and more shows a behaviour simular to the aperiodic motion of waves on a lake. The STM experiments are complemented by indenta- tion experiments with the Scanning Force Microscope yielding information of the surface energy and the Hamaker constant of the freestanding graphene membrane.