Grafen materiał XXI wieku!?

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Grafen materiał XXI wieku!?"

Błażej Kania
9 lat temu
Przeglądów:

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

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

3 Masowy udział pierwiastków w Ziemi:

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.

rezystancja; - bardzo wysoka ruchliwość elektronów: μ = 200 000 cm²/vs; - bardzo wysoka prędkość przepływu elektronów: 1/300

7 Struktura grafenu Struktura pasmowa grafenu jednowarstwowego Struktura grafenu: a) jednowarstwowego; b) dwuwarstwowego symetrycznego c) dwuwarstwowego niesymetrycznego [1]

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).

rentgenowska spektroskopia fluorescencyjna XFS; - spektroskopia AES; - spektroskopia zaniku

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

12 Mikroskopia Sił Atomowych AFM Obrazy AFM: a) oraz c) struktury tlenku grafenu oraz b) oraz d) struktury chemicznie redukowane

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

14 Spektroskopia Ramana Widma ramanowskie warstw grafenowych [6]

15 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.

elektrodach; - fotodetektorach; - ekranach dotykowych; - elementach świecących; - elementach

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

elektryczna i dobra przepuszczalność optyczna są

17 Bateria słoneczne Bateria słoneczne w strukturze z zastosowaniem grafenu: a): złoto/struktira S + /Si - /Grafen c): charkterystyka prądowo-napięciowa) [1].

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

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

20 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;

na właściwości struktury FET; - zmiany warunków propagacji akustycznej fali powierzchniowej; -

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

22 Sensory gazów Zmiany oporności pod działaniem różnych gazów o stężeniu 1ppm [7] - NH 3 oraz CO domieszkowanie donorowe; - H 2 O oraz NO 2 domieszkowanie akceptorowe.

23 Sensory gazów Sensor rezystancyjny na bazie tlenku grafenu: a) sensor NO 2 ; b) sensor NH 3 [ 12 ]

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

25 Sensory gazów cd. Tranzystorowa struktura sensorowa na bazie grafenu Sensor rezystancyjny w układzie Pt/Grafen

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

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

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

29 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.

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

31 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 )

32 Badania transmisji światła w układzie szkło-grafen badania własne x szklo 96 grafen dlugosc fali [nm] Transmisja światła przy prostopadłym padaniu na grafen Pojedyncza warstwa grafenu absorbuje 2,3% przechodzącego światła w zakresie nm.

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

34 Badania topografii grafenu metodą AFM badania własne

35 Badania topografii grafenu metodą AFM badania własne

36 Badania topografii grafenu metodą AFM badania własne

37 Badania topografii grafenu metodą AFM badania własne

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

39 Literatura [1] V. Singh et al., Graphene based materials: Past, present and future, Progress in Materials Science, vol. 56, p. 1178, [2] E. W. Hill et al., Graphene Sensors, IEEE Sensors Journal, vol. 11, no. 12, p. 3161, [3] P. Blake et al., Making graphene visible, Appl. Phys. Lett., vol. 91,no. 6, p , [4] A. N. Obraztsov et al., Raman scattering characterization of CVD graphite films, Carbon, vol. 46, no. 6, p. 963, [5] C. Chen et al., Performance of monolayer graphene nanomechanical resonators with electrical readout, Nat. Nano, vol. 4, no. 12, p. 861, [6] T. J. Booth et al., Macroscopic graphene membranes and their extraordinary stiffness, Nano Lett., vol. 8, no. 8, p. 2442, [7] Z.-B. Liu et al.,. J Phys Chem B, vol. 113, p. 9681, [8] L.M. Veca et al.. Chem Commun, p. 2565, [9] C.-H. Lu et al., A graphene platform for sensing biomolecules, Angew Chem Int Ed, vol.48, p. 4785, [10] A. Sinitskii et al., Graphene nanoribbon devices produced by oxidative unzipping of carbon nanotubes, ACS Nano, vol. 4, p. 5405, [11] J.H. Lee Eduardo et al., Contact and edge effects in graphene devices, Nat Nanotechnol, vol. 3, p. 486, [12] I. Jung et al., Tunable electrical conductivity of individual graphene oxide sheets reduced at low temperatures, Nano Lett, vol. 8, p. 4283, 2008.

40 DZIĘKUJĘ KATEDRA OPTOELEKTRONIKI

Podobne dokumenty

Grafen materiał XXI wieku!?

Grafen materiał XXI wieku!? Badania grafenu w aspekcie jego zastosowań w sensoryce i metrologii Tadeusz Pustelny Plan prezentacji: 1. Wybrane właściwości fizyczne grafenu 2. Grafen materiał 21-go wieku?