Grafen materiał XXI wieku!?

Transkrypt

1 Grafen materiał XXI wieku!? Badania grafenu w aspekcie jego zastosowań w sensoryce i metrologii Tadeusz Pustelny

2 Plan prezentacji: 1. Wybrane właściwości fizyczne grafenu 2. Grafen materiał 21-go wieku? 3. Badania grafenu 4. Sensory na bazie grafenu 5. Badania własne grafenu wybrane przykłady 6. Podsumowanie

3 Masowy udział pierwiastków w Ziemi:

4

5

6 Najważniejsze właściwości fizyczne grafenu: - sieć krystaliczna dwuwymiarowa: a = nm; - największy stosunek powierzchni do objętości; - bardzo dobra przewodność ciepła: ( W/mK); - niewielka rezystancja; - bardzo wysoka ruchliwość elektronów: μ = cm²/vs; - bardzo wysoka prędkość przepływu elektronów: 1/300 c; - niemal całkowita przezroczystość optyczna; - nieprzezroczystość dla transmisji cząsteczkowej; - niezwykle wysoka wytrzymałość mechaniczna: γ 1TPa; - kwantowy efekt Halla.

7 Struktura sieci krystalicznej grafenu Teoretyczna zależność struktury grafenu od wektora falowego [1]

8

9 Kwantowy efekt Halla Kwantowy efekt Halla (B = 14T, T = 4K) [2]

10 Techniki badania i obrazowania warstw grafenu: - mikroskopia optyczna; - mikroskopia sił atomowych AFM; - skaningowa mikroskopia elektronowa SEM; - transmisyjna mikroskopia elektronowa TEM; - spektroskopia Ramana; - rentgenowska spektroskopia fluorescencyjna XFS; - spektroskopia AES; - spektroskopia zaniku fotoluminescencji; - spektroskopia plazmonów powierzchniowych; - techniki interferencyjne (w tym: Michelsona oraz Fabry-Perot a).

11 Mikroskopia optyczna Obrazy mikroskopii optycznej warstw grafenu (warstwowy 1L, 2L, 3L) na 300nm SiO2 podłożu Si ([1,4])

12 Mikroskopia Sił Atomowych AFM Obrazy AFM: struktura grafenu na 6H-SiC(0001) po wygrzaniu w Ar w T=1650 C, p = 900 mbar [5]

13 Mikroskopia Sił Atomowych AFM Obrazy AFM: a) oraz c) struktury tlenku grafenu oraz b) oraz d) struktury chemicznie redukowane [5]

14 Transmisyjna Mikroskopia Elektronowa TEM Obrazy pojedynczej warstwy grafenu otrzymane metodą TEM [6]

15 Spektroskopia Ramana Widma ramanowskie warstw grafenowych [6]

16 Możliwości zastosowania grafenu w fotonice Analiza teoretyczna domieszkowanych warstw grafenu oraz badania eksperymentalne sugerują, że zostanie on wykorzystany w: - przezroczystych elektrodach; - fotodetektorach; - ekranach dotykowych; - elementach świecących; - elementach fotowoltaicznych; - filtrach optycznych; - ogranicznikach mocy optycznej; - elementach układów terahercowych.

17 Struktury fotoelektryczne Fotosensor w układzie: metal-tlenek grafenu [11] Wysoka przewodnośc elektryczna i dobra przepuszczalność optyczna są podstawą fotoprzewodzących sensorów i baterii słonecznych.

18 Bateria słoneczne Bateria słoneczne w strukturze z zastosowaniem grafenu: a): złoto/barwnik spiro-ometad/tio2/grafen c): charkterystyka prądowo-napięciowa) [1].

19 Bateria słoneczne Bateria słoneczna: nieorganiczna i organiczna [11]

20 Sensory na bazie grafenu - sensory gazów - biosensory - sensory pola elektrycznego - sensory pola magnetycznego - sensory własności mechanicznych

21 Sensory gazów Zasada działania sensorów z warstwą grafenu (oraz zredukowanego tlenku grafenu): - zmiany przewodności elektrycznej; - zmiany pojemności elektrycznej; - wpływ absorpcji molekuł gazów na właściwości struktury FET; - zmiany warunków propagacji akustycznej fali powierzchniowej; - zmiany warunków propagacji fali (modu) optycznego; - zmiany właściwości fizycznych rezonatora kwarcowego QCM;

22 Rezystancyjne sensory gazów na bazie grafenu Rezystancyjny sensor gazy na bazie grafenu a. - praktyczna realizacja; b. - idea sensora rezystancyjnego;

23 Sensory gazów Zmiany oporności pod działaniem różnych gazów o stężeniu 1ppm [7] - NH3 oraz CO domieszkowanie donorowe; - H2O oraz NO2 domieszkowanie akceptorowe.

24 Sensory gazów Tranzystorowa struktura sensorowa na bazie grafenu Charakterystyki sensorowe na działanie NH 3 [ 10 ]

25 Sensory gazów badania własne Rezystancyjne sensory gazów na bazie grafenu badania własne

26 Sensory gazów u konfiguracji z ASW badania własne Sensor z akustyczną falą powierzchniową [2] - efekt akustoelektryczny; - zmiany obciążenia masowego falowodu.

27 Sensory gazów na SAW Sensor z akustyczną falą powierzchniową [ 5 ] - efekt akustoelektryczny;

28 Grafenowy sensor gazów typu QCM a) b) Charakterystyka sensorowa - zmiany Δf

29 Grafenowy sensor gazów typu QCM badania własne Stanowiska do detekcji gazów metodą QCM

30 Sensory pola magnetycznego Grafenowa struktura Halla (Rozmiar poprzeczny sondy Halla 1um) [12] - miniaturowe rozmiary; - bardzo wysokie częstotliwości pracy 10GHz; - duża czułość;

31 Badania własne grafenu wybrane przykłady Możliwości badawcze Katedry Optoelektroniki Politechniki Ślaskiej: - badania topografii powierzchni metodami mikroskopii optycznej; - badania topografii powierzchni metodami mikroskopii sił atomowych; - badania topografii metodami mikroskopii konfokalnej; - badania topografii metodami mikroskopii w polu bliskim; - badania składu chemicznego metodami spektroskopii ramanowskiej; - badania właściwości optycznych warstw metodali elipsometrii spektralnej; - badania właściwości optycznych warstw metodali propagacji modowej; - badania właściwości optycznych warstw metodali spktroskopii transmisyjnej; - badania właściwości elektrycznych grafenu metodami spektroskopii plazmonowej.

32 Badania propagacji modów w strukturze falowodwej z warstwą grafenu badania własne Stanowisko do wyznaczania charakterystyk modowych

33 Badania propagacji modów w strukturze falowodwej z warstwą grafenu badania własne 1,525 TM TE n 1,520 1,515 1, [ m] Typowy profil refrakcyjny dla wymiany jonowej Na + - K+ Rejestracja światła rozproszonego

34 Badania propagacji modów w strukturze falowodowej z warstwą grafenu badania własne Światło rozproszone dla obu polaryzacji światłowód planarny pokryty grafenem ( na zdjęciu fragment skali milimetrowej )

35 Badania transmisji światła w układzie szkło-grafen badania własne 104 x szklo 98 grafen dlugosc fali [nm] Transmisja światła przy prostopadłym padaniu na grafen Pojedyncza warstwa grafenu absorbuje 2,3% przechodzącego światła w zakresie nm. 900

36 Badania właściwości optycznych warstw grafenu metodą elipsometrii spektralnej badania własne Współczynniki: załamania n oraz absorpcji grafenu na SiC

37 Badania właściwości optycznych warstw grafenu metodą elipsometrii spektralnej badania własne Elipsometr spektralny Sentech SE 850

38 Badania topografii grafenu metodą AFM badania własne

39 Badania topografii grafenu metodą AFM badania własne

40 Badania topografii grafenu metodą AFM badania własne Grafen na podłożu SiC

41 Badania topografii grafenu metodą AFM badania własne

42 Badania topografii grafenu metodą spektroskopii ramana badania własne NTEGRA Spectra firmy NT MDT

43 Gazowe stanowisko badawcze badania własne Stanowisko do badań struktur sensorowych w różnych atmosferach gazowych

44 Refleksja końcowa Wyniki badań wskazują, że grafen jest materiałem niezwykle atrakcyjnym dla: - elektroniki; - optoelektroniki; - magazynowania energii; - sensorów chemicznych i biochemicznych; - sensorów pola magnetycznego; - sensorów pola elektrycznego; - sensorów naprężeń; - sensorów drgań; - inżynierii materiałowej (w materiałach kompozytowych);

45 DZIĘKUJĘ

46