عنوان پایان‌نامه
بررسی تشدید پلاسمون های سطحی در مجاورت گرافین
- رشته تحصیلی
- فیزیک- حالت جامد
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73644;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73644
- تاریخ دفاع
- ۲۴ بهمن ۱۳۹۴
- دانشجو
- مینا محتجب
- استاد راهنما
- یاسر عبدی
- چکیده
- در این پژوهش ابتدا به بررسی تشدید پلاسمون‌های سطحی نانوذرات نقره در مجاورت صفحات گرافینی پرداختیم و سپس با استفاده از ترکیب نانوذرات نقره و گرافین حسگرهایی نوری با اصول عملکردی جدیدی تهیه نمودیم، که در آن‌ها شناسایی گاز بر مبنای تغییرات در طیف‌های پلاسمونی نانوذرات رخ می‌دهد. در ابتدا ذکر این نکته حائز اهمیت است که در تمامی این پژوهش منظور از گرافین، صفحات گرافینی است که از کاهش شیمیایی اکسیدگرافین تهیه شده‌اند و در اصل هرجا که به گرافین اشاره شد منظور اکسید گرافین کاهش‌یافته(RGO ) می‌باشد. برای سنتز اکسید گرافین کاهش‌یافته ابتدا از روش بهبودیافت? هامرز اکسیدگرافین را تهیه نمودیم و سپس به کمک عامل کاهند? هیدرازین طی یک فرآیند شیمیایی، گروه‌های عامل‌دار اکسیژنی را جدا نموده و به اکسید گرافین کاهش‌یافته رسیدیم. برای سنتز نانوذرات نقره از روش شیمیایی پلی‌ٌاُل بهبودیافته استفاده کردیم. شایان ذکر است که چون ما در این پژوهش در حال بررسی چندین اثر مختلف بودیم، برای رسیدن به نتیجه‌ای قطعی و قابل اطمینان در هر بررسی و هم‌چنین اطمینان از تکرارپذیر بودن پاسخ‌ها، در هر مرحله برای چندین نمونه مختلف آزمون‌ها تکرار گردید. در بررسی اثر گرافین بر نانوذرات نقره جابهجایی ?-? نانومتری در قل? پلاسمونی نانوذرات به سمت طول‌موج‌های بیش‌تر(انتقال به قرمز) و هم‌چنین پهن‌شدگی در قله‌ها مشاهده شد که این مشاهدات در تأیید با سایر کارهای مشابه صورت گرفته در این زمینه است. سپس ساختارهای نانوذرات نقره را در مجاورت گاز‌ها و بخارات مختلف قرار دادیم و مشاهده شد که با اعمال گاز به نمونه‌ها جابهجایی در قل? پلاسمونی نانوذرات رخ می‌دهد که در بین گازهای اعمالی شامل اکسیژن، آرگون و بخارات اتانول، استون و آب بهترین پاسخ‌ها برای بخار اتانول مشاهده شد و برای ppm ??? غلظت بخار فرودی در حدود ? تا ? نانومتر در نمونه‌های مختلف جابهجایی به سمت طول‌موج‌های کم‌تر (انتقال به آبی) رخ داد. به همین دلیل بقی? آزمون‌ها تحت بخار اتانول صورت گرفت. در ادامه برای بهبود پاسخ‌دهی نانوذرات به بخارات اعمالی، آن‌ها را در مجاورت صفحات گرافینی قرار دادیم و مشاهده شد که در این حالت همان‌طور که فرض کرده‌بودیم، گرافین باعث بهبود حسگری شد. بدین‌صورت که علاوه بر تغییرات قل? پلاسمونی که به دلیل حضور نانوذرات رخ می‌دهد، یک تغییر شدت محسوس در حدود ??/?? برای نمونه‌هایی که در آن‌ها گرافین در زیر نانوذرات قرار دارد و ??/??? برای نمونه‌هایی که گرافین بالای نانوذرات قرار دارد، مشاهده‌می‌شود. در ادامه نیز با طراحی یک چیدمان خاص بر مبنای فتودیود توانستیم تغییرات شدت مشاهده شده در طیف‌ها را به صورت کمی برحسب نمودارهای جریان- زمان بیان کنیم. که در بین کارهای مشابه مشاهده شده، این اولین‌بار است که چنین کاری صورت گرفته است. در این حالت نیز در تأیید نتایج بخش طیف‌سنجی برای نانوذرات بدون گرافین ?/?? حساسیت‌پذیری به بخار اتانول مشاهده شد و با افزودن گرافین این حساسیت‌پذیری افزایش یافت که برای ساختارهای گرافین در زیر نانوذرات تا ?/?? بهبود پاسخ و برای ساختارهای برعکس گرافین در روی نانوذرات تا ?? بهبود حسگری داشتیم. در فاز دوم این پژوهش بر آن شدیم تا با کمک یک مدل شبیه‌سازی شده نتایج تجربی به‌دست‌آمده را اعتبارسنجی نماییم. بدین منظور از نرم‌افزار شبیه‌سازی 5 COMSOL Multiphysics استفاده شد و توانستیم هم رفتار نانوذرات تنها و هم رفتار نانوذرات در مجاورت گرافین را زمانی‌که تحت اعمال بخار قرار می‌گیرند، مدل کنیم و برای مدل‌سازی این‌گونه فرض شد، که زمانی‌که نمونه در مجاورت ملکول‌های گازی قرار می‌گیرد بین آن‌ها واکنش‌های اکسایش-کاهشی رخ می‌دهد که در طی آن الکترون بین دو نمونه جا‌به‌جا می‌شود و بسته به نوع گاز اعمالی باعث کاهش یا افزایش حامل‌های بار نانوذرات و گرافین و به دنبال آن تغییر در تابع دی‌الکتریک آن‌ها می‌شود، که با اعمال این تغییرات در تابع دی‌الکتریک توانستیم تغییرات دیده‌شده در طیف‌های پلاسمونی را به خوبی باز‌تولید نماییم.
- Abstract
- In this research first we have studied the surface plasmon resonance of Ag nanoparticles in the vicinity of graphene sheets. Then, we have utilized Ag nanoparticles/graphene structures to develop optical sensors with novel functional principle in which gas sensing will take place on the basis of variations occuring in the plasmonic spectra of nanoparticles. Throughout this thesis, graphene means graphene sheets which were synthesized by chemical reduction of graphene oxide. So, everywhere through this thesis which has been mentioned to graphene it means reduced graphene oxide (RGO). In order to synthesize reduced graphene oxide, we utilized the modified Hummers method at the first step to produce graphene oxide. Subsequently, through a chemical reaction, oxygen functional groups have been removed to obtain graphene. Ag nanoparticles were synthesized using chemical modified Polyol method. The experiments have been repeated in each step in order to obtain certain and reliable results in addition to verifying the repeatability of outcomes. We observed 5-6 nm shift in the plasmonic peak of Ag nanoparticles toward the higher wavelengths (redshift) and broadening of the plasmonic peak when examining the effect of graphene on Ag nanoparticles. Then, we exposed synthesized Ag nanoparticles with various gases and vapours. We observed shift in the plasmonic peak of nanoparticles when samples were in contact with different gases including Oxygen, Argon, Ethanol, and Acetone vapour. The best responses were observed under the effect of the Ethanol vapour, in which for vapour concentration of 100 ppm approximately 4-7 nm shift toward lower wavelengths (blueshift) for various samples was occured. For that reason, the subsequent experiments were carried out under the effect of the Ethanol vapour. Then , for improving nanoparticles response to the applied vapour we arranged them in the vicinity of graphene. We observed that this modification, in accordance with our assumption, improved the sensitivity. By adding graphene to the nanoparticle structure, shifting of plasmonic peak as well as a sensible change in its intensity were observed which was roughly 4.23 percent for the graphene-in-below and 12.11 percent for the graphene-in-above structure. Then, we expressed the observed intensity variations quantitatively based on current-time graphs by designing a special photodiod configuration which is pioneer among available related literature. In this situation 1.8 percent sensitivity to the Ethanol vapour for nanoparticles without graphene was observed which verified the previous spectroscopy results. By adding graphene this sensitivity was increased which for the graphene-in-below up to 2.5 percent response improvement and for the graphene-in-above structure up to 4 percent sensitivity improvemet were observed. We validated our experimental results agianst one simulated model in the second phase of this research. Simulation was performed in COMSOL Multiphysics-5 software and behavior of isolated nanoparticles as well as nanaparticles in the vicinity of graphene after vapour exposure was investigated. This simulation is based on this assumption that contact between the sample and gas molecules will lead to redox reaction. During these reactions, electron transfer between gas and sample molecules. Based on the type of applied gas this electron transfer will lead to decrease or increase of electron charge density of the nanoparticles and graphene and consequently variations in their dielectric function. By applying the aforementioned adjustments to the dielectric function of our model we could perfectly reproduce the observed spectral variations. Keywords: Ag nanoparticle, Localized surface plasmons resonance, graphene, gas sensor
