عنوان پایان‌نامه
بررسی اثر استرین بر روی خواص الکتریکی لایه های گرافین و اکسید گرافین
- رشته تحصیلی
- فیزیک- حالت جامد
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 67002
- تاریخ دفاع
- ۳۱ شهریور ۱۳۹۳
- استاد راهنما
- یاسر عبدی
- چکیده
- موضوع مورد مطالعه در این پایان نامه سنتز گرافین و مشتقات آن و بررسی خواص الکتریکی آنها تحت استرین به صورت تجربی می باشد. گرافین به روش لایه برداری مکانیکی و اکسید¬گرافین به روش شیمیایی هامرز اصلاح شده تهیه شد. اکسید¬گرافین ماده¬ای نارسانا است و جریان خیلی کمی را از خود نشان می دهد، به منظور افزایش جریان آن، از روش کاهش پلاسمایی با استفاده از پلاسمای هیدروژن در دماهای پایین تر از دمای ذوب زیرلایه استفاده کردیم، تا ضمن کاهش اکسید گرافین آسیبی به زیرلایه انعطاف پذیر پلی اتیلن ترفتالات که دمای ذوب پایینی دارد، نرسد. با کاهش اکسید گرافین سه ساختار متفاوت از گرافین به وجود می آید که جداگانه مورد مطالعه قرار گرفت. فلزی از جنس تیتانیوم روی زیرلایه انعطاف پذیر پلی اتیلن ترفتالات با روش لایه نشانی تبخیر فیزیکی، لایه نشانی شد و با استفاده از روشهای فوتولیتوگرافی استاندارد، الکترودهای شانه¬ای الگودهی شد و ساختارهای گرافینی روی الکترودها قرار دادیم. به منظور ایجاد استرین به صورت کنترلی و دقیق، سیستمی طراحی و ساخته شد که می تواند زیرلایه را از دو طرف جابجا کند، جابجایی زیرلایه باعث خم شدن آن به داخل(خارج) می شود و استرین منفی(مثبت) به وجود می آید. به دلیل چسبندگی خوب گرافین و مشتقات آن به الکترودها، این استرین به گرافین منتقل می شود و ساختار آن را تغییر می دهد. سیستم ساخته شده می‌تواند تغییر طولی با دقت 10 میکرومتر را ایجاد کند. نمونه های آماده شده از سه ساختار کم لایه گرافین، اکسید‌گرافین و اکسید گرافین کاهش یافته، تحت استرین قرار گرفتند. نتایج به دست آمده پاسخ بهتر اکسید‌گرافین کاهش یافته را نسبت به دو نمونه دیگر نشان می دهد. مقادیر به دست آمده برای ضریب مقیاس به ترتیب 373، 60 و 1.9 را برای اکسید‌گرافین کاهش یافته، گرافین و اکسید گرافین می باشد. با از بین بردن عوامل ایجاد کننده خطا و آماده سازی بهینه نمونه، توانستیم پاسخ آن را نسبت به نمونه های گزارش شده قبلی گرافینی افزایش دهیم. پاسخ های این ساختارها تحت افزایش و کاهش استرین کاملاً تکرار پذیر و قابل اعتماد در اندازه گیری های متوالی است. همچنین ساختار های کم لایه و چند لایه از اکسید گرافین کاهش یافته مورد مطالعه و مقایسه قرار گرفتند که نتایج نشان می دهد پاسخ ساختاری که کمترین شفافیت را داشت، 51.9 است که کمتر از پاسخ دو ساختار دیگر با مقادیر 370 و 390 می باشد. به عبارتی با بیشتر شدن ضخامت لایه، پاسخ آن به اعمال استرین تقریباً یکسان ثابت شده و تغییری نمی کند. در ادامه کار، ساخت یک سیستم فشارسنجی از این ساختارها را با مکانیزم تغییر مقاومت در اثر تغییر فشار مد نظر قرار دادیم. به همین منظور نمونه آزمایشگاهی قطعه فشارسنج طراحی و ساخته شد. تحت فشارهای مختلف زیرلایه حرکت می کند و ساختار گرافینی که در سمت دیگر آن قرار دارد، این تحرکات را حس می کند و با تغییر مقاومت آنها را به نمایش می گذارد. نتایج آزمایشات مختلف نشان می دهد که برای فشار های کمتر از اتمسفر(خلاء)، این قطعه در محدوده 1 تا 706 تور پاسخ خیلی خوبی به تغییرات فشار دارد. و می توان از آن در ساخت فشارسنج های سیستم‌های خلاء استفاده کرد. برای فشارهای بالای اتمسفر، پاسخ این سیستم تا حدود 6-5 اتمسفر تکرار پذیر است. اما با افزایش فشار، زیرلایه تغییر انعطاف ناپذیری پیدا می کند و پاسخ قطعه را برگشت ناپذیر می کند. همچنین بررسی پاسخ فشارسنج در اندازه¬گیری های چرخه¬ای، نشان می دهد که در یک چرخه فشار، نمونه هیچگونه پسماندی از خود نشان نمی دهد. این فشارسنج، اولین نمونه ساخته شده از ساختارهای گرافینی است. دقت اندازه گیری شده این وسیله در حدود 3/0% مقیاس کل است که خطای مقیاس کل نامیده می شود. در مقایسه با فشارسنج های موجود در صنعت که خطاهایی در محدوده 5/1-075/0 درصد مقیاس کل دارند، دقت خوبی محسوب می شود. کلید واژه: گرافین، اکسید گرافین، استرین، خواص الکتریکی، ضریب مقیاس، حسگر فشار
- Abstract
- During the past decade since Graphene has been syntesized, extensive research works have been done on its properties. For example, electrical properties of Graphene change under strain, i.e., if we apply a mechanical force on Graphene, its atomic structure achanges and this varies its electrical properties. Moreover, in the layered samples, relative motion of layers can also change the structure and resistance. Generally, in electronic systems having controlled variable resistance has an important role, especially if this resistance can be made in micro and nano scales, it can play a remarkable role in the electronic devices in future. Our goal in this thesis is to synthesize Graphene and its derivatives and to analyze their electrical properties experimentally. Graphene is produced with cleavage method and Graphene oxide is prepared with Hummers enhanced method. These methods can produce single layer, few layer and multi layer structures in different conditions. Graphene oxide is a nonconductor having a very low electric current flow. To increase this current, we reduced it by hydrogen plasma bombardment at a temperature below the melting point of its substrate (flexible Polyethylene Terephthalate, which has a low melting point). Reduction of Graphene oxide resulted in three different structures of Graphene which were studied separately. We deposited a Titanium layer on the flexible substrate with physical vapor deposition method and using standard photolithographic methods, we patterned the comb-like electrodes and the Graphene structures were then put on the electrodes. To produce controlled strain in the samples, we designed and built a system that can move the substrate from two sides, whose movement cause it to bend toward inside (outside) and we have negative (positive) strain. Because of good adhesion of Graphene and its derivatives to electrodes, the strain transfers to Graphene and changes its structure. The designed system can produce a movement with 10 ?m accuracy. The three prepared specimens, few layer graphene, graphene oxide and reduced graphene oxide were strained. The obtained results show that the reduced graphene oxide has a better response to strain than the other two. By eliminating the sources of errors and optimizing the sample preparation, we could increase its response compared to previously reported graphene samples. We showed that the response of these structures under increasing and decreasing strain is completely reproducible. In addition, structures of few layer and more layer reduced graphene oxide were also studied and compared, the results show that the response of them is almost identical to the applied strain. In another work, making a pressure gauge based on the mechanism of change in resistance due to pressure change was considered. A sample holder was designed and built for this purpose. The prepared sample is placed in the holder and the substrate being in connection from the other side with a chamber having different air pressures, moves differently under different pressures and the graphene structure that is located on the other side, senses the movements of the substrate by the changes of its resistance. Various experimental results show that for pressures less than atmospheric pressure (vacuum), this manometer has a very good response to changes in pressure in the range of 1 to 706 Torr. It can be used in the manufacture of pressure gauge of vacuum systems. For the pressures higher than atmosphere, up to 6 atm, the response of the system is repeatable. But with increasing pressure, substrate rigidity will deteriorate and the response of the device becomes irreversible. This barometer is the first prototype made of graphene structures. The device measuring precision in about 0.1% of full scale output (full scale deflection). Compared to the pressure gauges used in industry whose error ranges from 0.075 to 1.5 % full scale, the accuracy is good.
