Modification of the Electronic Structure of Few-Layer Graphene Grown on β-SiC(001) by Neutral Red Dye

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Graphene layers on semiconducting substrates, modified using covalent and non-covalent chemical functionalization, can be utilized for fabrication of hybrid structures combining physical properties of graphene and organic molecules. In this paper the results of investigations of the atomic and electronic structure of ultrathin graphene layers on β-SiC/Si(001) wafers modified using phenazine dye Neutral Red are presented. Continuous graphene films consisting on several atomic layers were synthesized on β-SiC/Si(001) wafers using high-temperature annealing in ultrahigh vacuum. The synthesized graphene layers were chemically modified in a solution of diazonium salt of the Neutral Red dye under white light illumination. The results of the scanning tunneling microscopy and spectroscopy experiments demonstrate the formation of a composite phenazine/graphene structure with a large energy gap in all surface regions. The molecules can be oriented preferentially parallel and perpendicular to the graphene layers and form locally ordered structures with rectangular and oblique unit cells. The electronic energy spectrum and band energy gap in different surface areas depend on the local atomic structure and the molecule’s orientation relative to the surface. According to the density functional theory calculations, local modifications of the electronic structure and band energy gap can be related to deformations (compression or extension) of the phenazine dye molecules because of their interaction with the topmost graphene layer.

About the authors

A. N. Chaika

Institute of Solid State Physics of the RAS

Author for correspondence.
Email: chaika@issp.ac.ru
Russia, 142432, Chernogolovka

I. M. Aristova

Institute of Solid State Physics of the RAS

Email: chaika@issp.ac.ru
Russia, 142432, Chernogolovka

References

  1. Wallace P.R. // Phys. Rev. 1947. V. 71. P. 622. https://www.doi.org/10.1103/PhysRev.71.622
  2. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V, Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., Grigorieva I.V., Firsov A.A. // Science. 2004. V. 306. P. 666. https://www.doi.org/10.1126/science.1102896
  3. Aristov V.Yu., Urbanik G., Kummer K., Vyalikh D.V., Molodtsova O.V., Preobrajenski A.B., Hess C., Büchner B., Vobornik I., Fujii J., Panaccione G., Ossipyan Yu.A., Knupfer M. // Nano Lett. 2010. V. 10. P. 992. https://www.doi.org/10.1021/nl904115h
  4. Chaika A.N., Molodtsova O.V., Zakharov A.A., Marchenko D., Sánchez-Barriga J., Varykhalov A., Shvets I.V., Aristov V.Y. // Nano Res. 2013. V. 6. P. 562. https://www.doi.org/10.1007/s12274-013-0331-9
  5. Chaika A.N., Molodtsova O.V, Zakharov A.A., Marchenko D., Sánchez-Barriga J., Varykhalov A., Babenkov S.V., Portail M., Zielinski M., Murphy B.E., Krasnikov S.A., Lübben O., Shvets I.V., Aristov V.Y. // Nanotechnology. 2014. V. 25. P. 135605. https://www.doi.org/10.1088/0957-4484/25/13/135605
  6. Chaika A.N., Aristov V.Y., Molodtsova O.V. // Prog. Mater. Sci. 2017. V. 89. P. 1. https://www.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.04.010
  7. Wu H.-C., Chaika A.N., Huang T.-W., Syrlybekov A., Abid M., Aristov V.Y., Molodtsova O.V., Babenkov S.V., Marchenko D., Sánchez-Barriga J., Mandal P.S., Varykhalov, A.Y., Niu Y., Murphy B.E., Krasnikov S.A., Lübben O., Wang J.J., Liu H., Yang L., Zhang H., Abid M., Janabi Y.T., Molotkov S.N., Chang C.-R., Shvets I. // ACS Nano. 2015. V. 9. P. 8967. https://www.doi.org/10.1021/acsnano.5b02877
  8. Wu H.-C., Chaika A.N., Hsu M.-C., Huang T.-W., Abid M., Abid M., Aristov V.Y., Molodtsova O.V., Babenkov S.V., Niu Y., Murphy B.E., Krasnikov S.A., Lübben O., Liu H., Chun B.S., Janabi Y.T., Molotkov S.N., Shvets I.V., Lichtenstein A.I., Katsnelson M.I., Chang C.-R. // Nat. Commun. 2017. V. 8. P. 14453. https://www.doi.org/10.1038/ncomms14453
  9. Aristov V.Yu., Chaika A.N., Molodtsova O.V., Babenkov S.V., Locatelli A., Mentes T.O., Sala A., Potorochin D., Marchenko D., Murphy B., Walls B., Zhussupbekov K., Shvets I.V. // ACS Nano. 2019. V. 13. P. 526. https://www.doi.org/10.1021/acsnano.8b07237
  10. Ouerghi A., Ridene M., Balan A., Belkhou R., Barbier A., Gogneau N., Portail M., Michon A., Latil S., Jegou P., Shukla A. // Phys. Rev. B. 2011. V. 83. P. 205429. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.83.205429
  11. Gogneau N., Balan A., Ridene M., Shukla A., Ouerghi A. // Surf. Sci. 2012. V. 606. P. 217. https://www.doi.org/10.1016/j.susc.2011.09.021
  12. Ouerghi A., Balan A., Castelli C., Picher M., Belkhou R., Eddrief M., Silly M.G., Marangolo M., Shukla A., Sirotti F. // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 101. P. 021603. https://www.doi.org/10.1063/1.4734396
  13. Abe S., Handa H., Takahashi R., Imaizumi K., Fukidome H., Suemitsu M. // J. Appl. Phys. 2011. V. 50. P. 070102. https://www.doi.org/10.1143/JJAP.50.070102
  14. Velez-Fort E., Silly M.G., Belkhou R., Shukla A., Sirotti F., Ouerghi A. // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 103. P. 083101. https://www.doi.org/10.1063/1.4818547
  15. Gogneau N., Ben GouiderTrabelsi A., G. Silly M., Ridene M., Portail M., Michon A., Oueslati M., Belkhou R., Sirotti F., Ouerghi A. // Nanotechnol. Sci. Appl. 2014. V. 7. P. 85. https://www.doi.org/10.2147/NSA.S60324
  16. Hens P., Zakharov A.A., Iakimov T., Syväjärvi M., Yakimova R. // Carbon. 2014. V. 80. P. 823. https://www.doi.org/10.1016/j.carbon.2014.09.041
  17. Suemitsu M., Jiao S., Fukidome H., Tateno Y., Makabe I., Nakabayashi T. // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2014. V. 47. P. 094016. https://www.doi.org/10.1088/0022-3727/47/9/094016
  18. Zhou S.Y., Gweon G.-H., Fedorov A., First d. P.N., De Heer W., Lee D.-H., Guinea F., Neto A.C., Lanzara A. // Nat. Mater. 2007. V. 6. P. 770. https://www.doi.org/10.1038/nmat2003
  19. Xia F., Farmer D.B., Lin Y.-m., Avouris P. // Nano Lett. 2010. V. 10. P. 715. https://www.doi.org/10.1021/nl9039636
  20. Choi J., Kim K.J., Kim B., Lee H., Kim S. // J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. P. 9433. https://www.doi.org/10.1021/jp9010444
  21. Niyogi S., Bekyarova E., Itkis M.E., Zhang H., Shepperd K., Hicks J., Sprinkle M., Berger C., Lau C.N., de Heer W.A, Conrad E.H., Haddon R.C. // Nano Lett. 2010. V. 10. P. 4061. https://www.doi.org/10.1021/nl1021128
  22. Georgakilas V., Otyepka M., Bourlinos A.B., Chandra V., Kim N., Kemp K.C., Hobza P., Zboril R., Kim K.S. // Chem. Rev. 2012. V. 112. P. 6156. https://www.doi.org/10.1021/cr3000412
  23. Martin D.P., Tariq A., Richards B.D.O., Jose G., Krasnikov S.A., Kulak A., Sergeeva N.N. // Chem. Commun. 2017. V. 53. P. 10715. https://www.doi.org/10.1039/C7CC05158A
  24. Sergeeva N.N., Chaika A.N., Walls B., Murphy B.E., Walshe K., Martin D.P., Richards B.D.O., Jose G., Fleischer K., Aristov V.Y., Molodtsova O.V., Shvets I.V., Krasnikov S.A. // Nanotechnology. 2018. V. 29. P. 275705. https://www.doi.org/10.1088/1361-6528/aabf11.
  25. Potorochin D.V., Chaika A.N., Molodtsova O.V., Aristov V.Yu., Marchenko D.E., Smirnov D.A., Makarova A.A., Walls B., Zhussupbekov K., Walshe K., Shvets I.V., Ciobanu A.S., Rabchinskii M.K., Ulin N.V., Baidakova M.V., Brunkov P.N., Molodtsov S.L. // Appl. Surf. Sci. 2022. V. 585. P. 152542. https://www.doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.152542
  26. Cardona P.-J., Soto C., Martin C., Giquel B., Agusti G., Guirado E., Sirakova T., Kolattukudy P., Julian E., Luquin M. // Microbes Infect. 2006. V. 8. P. 183. https://www.doi.org/10.1016/j.micinf.2005.06.011
  27. Wang Y.T., Zhao F.L., Li K.A., Tong S.Y. // Analytica Chimica Acta. 1999. V. 396 P. 75. https://www.doi.org/10.1016/S0003-2670(99)00365-7
  28. LaManna J.C., McCracken K.A. // Anal. Biochem. 1984. V. 142. P. 117. https://www.doi.org/10.1016/0003-2697(84)90525-6
  29. Fautz R., Husein B., Hechenberger C. // Mutat. Res. 1991. V. 253. P. 173. https://www.doi.org/10.1016/0165-1161(91)90130-Z
  30. Fischer B.B., Krieger-Liszkay A., Eggen R.I. // Environ. Sci. Technol. 2004. V. 38. P. 6307. https://www.doi.org/10.1021/es049673y
  31. Fischer B.B., Krieger-Liszkay A., Eggen R.I. // Plant Sci. 2005. V. 168. P. 747. https://www.doi.org/10.1016/j.plantsci.2004.10.008
  32. Goicoechea J., Zamarreño C.R., Matias I., Arregui F. // Sensors and Actuators B: Chemical. 2008. V. 132. P. 305. https://www.doi.org/10.1016/j.snb.2008.01.056
  33. Bauldreay J., Archer M. // Electrochimica Acta. 1983. V. 28. P. 1515. https://www.doi.org/10.1016/0013-4686(83)85210-4
  34. Jana A.K., Bhowmik B.B. // J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 1999. V. 122. P. 53. https://www.doi.org/10.1016/S1010-6030(98)00467-5
  35. Jana A.K. // J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 2000. V. 132. P. 1. https://www.doi.org/10.1016/S1010-6030(99)00251-8
  36. Giannozzi P., Andreussi O., Brumme T., Bunau O., Buongiorno Nardelli M., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., Ceresoli D., Cococcioni M., Colonna N., Carnimeo I., Dal Corso A., de Gironcoli S., Delugas P., DiStasio R.A., Ferretti A., Floris A., Fratesi G., Fugallo G., Gebauer R., Gerstmann U., Giustino F., Gorni T., Jia J., Kawamura M., Ko H.-Y., Kokalj A., Küçükbenli E., Lazzeri M., Marsili M., Marzari N., Mauri F., Nguyen N.L., Nguyen H.-V., Otero-de-la-Roza A., Paulatto L., Poncé S., Rocca D., Sabatini R., Santra B., Schlipf M., Seitsonen A.P., Smogunov A., Timrov I., Thonhauser T., Umari P., Vast N., Wu X., Baroni S. // J. Phys.: Condens. Matter. 2017. V. 29. P. 465901. https://www.doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79
  37. Perdew J.P., Zunger A. // Phys. Rev. B. 1981. V. 23. P. 5048. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.23.5048
  38. Liu G., Gan Y., Quhe R., Lu P. // Chem. Phys. Lett. 2018. V. 709. P. 65. https://www.doi.org/10.1016/j.cplett.2018.08.029
  39. Horcas I., Fernández R., Gómez-Rodríguez J.M., Colchero J., Gómez-Herrero J., Baró A.M. // Rev. Sci. Instrum. 2007. V. 78. P. 013705. https://www.doi.org/10.1063/1.2432410

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (1MB)
Indexing metadata
3.

Download (368KB)
Indexing metadata
4.

Download (1MB)
Indexing metadata
5.

Download (763KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 А.Н. Чайка, И.М. Аристова

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».