عنوان پایان‌نامه
بررسی خواص الکتریکی صفحات گرافن و اکسید گرافن برای ساخت ادوات الکترونیکی
- رشته تحصیلی
- فیزیک- حالت جامد
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 5315
- تاریخ دفاع
- ۲۹ بهمن ۱۳۹۲
- دانشجو
- بهاره ولی پور
- چکیده
- ربن ماده‌ای با ساختمانهای مختلف است. در بین این ساختارها گرافین دارای ساختاری دو بعدی است که تا قبل از سال 2004، بر طبق نظریه مرمرین، وجودش در جهان غیرممکن کربن ماده‌ای با ساختمانهای مختلف است. در بین این ساختارها گرافین دارای ساختاری دو بعدی است که تا قبل از سال 2004، بر طبق نظریه مرمرین، وجودش در جهان غیرممکن بود. اما در این سال آندره گایم و کنستانتین نوولسف توانستند این ماده ارزشمند را که دارای خواص منحصر بفردی متعددی است به دست آورند. در این پروژه قصد داشتیم به بررسی عملکرد اکسید گرافین در ترانزیستورهای اثر میدان و نیز در حسگرهای رطوبتی بپردازیم. برای این منظور ابتدا به روش لایه‌نشانی بخار فیزیکی یک لایه فلز کروم را بر روی زیرلایه شیشه‌ای لایه‌نشانی نموده و سپس به کمک فوتولیتوگرافی الکترودهای شانه‌ای را روی آن ایجاد کردیم. اکسید گرافین را به روش شیمیایی هامرز تولید کرده و یک لایه از آن را روی الکترودها قرار دادیم. سپس نانوذرات دی اکسید تیتانیوم را به روش لایه‌نشانی بخار شیمیایی روی نمونه لایه‌نشانی کردیم. مشاهده شد که هنگامی که نانوذرات دی اکسید تیتانیوم در کنار اکسید گرافین قرار می‌گیرند، انتقال الکترون‌ها از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم به شبکه اکسید گرافین موجب بهبود جریان تا 6 برابر می‌شود. پس آزمایشات خود را در حضور نانوذرات دی اکسید انجام دادیم. کیفیت صفحات اکسید گرافین و نیز نانوذرات لایه‌نشانی شده بر روی صفحات اکسید گرافین به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شدند. از جمله آزمایش‌های انجام شده در این پروژه قرار دادن قطره آب بر روی نمونه و اعمال ولتاژ دریچه به قطره آب بود که مشاهده شد با افزایش ولتاژ دریچه رسانایی بهتر می‌شود. در آزمایشی دیگر به نمونه در حضور و عدم حضور قطره آب نور فرابنفش را به مدت زمان‌های مختلف تابانده و سپس جریان عبوری را اندازه‌گیری نمودیم. مشاهده شد که با افزایش مدت زمان تابش و در نتیجه افزایش جفت الکترون-حفره‌های تولید شده جریان به میزان خوبی بهبود می‌یابد. در آزمایش بعدی که پس از تاباندن نور فرابنفش به نمونه به آن ولتاژ دریچه هم اعمال کردیم، جریان بسیار بهتر از حالت قبل شد. اعمال همزمان ولتاژ دریچه به میزان 6 ولت و نیز تاباندن نور فرابنفش به مدت 30 دقیقه باعث شد تا رسانایی 400 برابر بیشتر از حالتی که تنها از صفحات اکسید گرافین استفاده کردیم شود. همچنین این شرایط موجب افزایش 3 برابری جریان نسبت به حالتی شد که در آن ولتاژ دریچه تنها 2 ولت بود. همچنین تأثیر اثر نور مرئی را نیز بر روی نمونه بررسی نموده و مشاهده شد که در حضور قطره آب تابش نور مرئی موجب افزایش جریان می‌شود. سپس میزان حساسیت نمونه به بخار آب را در دمای اتاق اندازه‌گیری نمودیم. حساسیت را در شرایط مختلف مانند ولتاژهای مختلف چشمه و دررو و نیز پس از تابش نور فرابنفش در مدت زمان‌های مختلف اندازه‌گیری نمودیم. مشاهده شد که بهترین پاسخ به بخار آب پس از تاباندن 60 دقیقه نور فرابنفش حاصل شد. میزان حساسیت نمونه بدون حضور نانوذرات دی اکسید تیتانیوم نیز بررسی شد. دیده شد که در اکسید گرافین که نیمرسانای نوع p است با جذب آب جریان به نصف کاهش می‌یابد که علت این امر خارج شدن الکترون‌ها از شبکه اکسید گرافین و انتقال آنها به مولکول‌های آب می‌باشد. در آزمایشی دیگر ابتدا اکسید گرافین را به مدت نیم ساعت در معرض گاز هیدروژن قرار داده و سپس نانوذرات دی اکسید تیتانیوم را روی آن لایه‌نشانی نمودیم. مشاهده شد که هیدروژن‌دهی اکسید گرافین به بهبود جریان و نیز بهبود پاسخ نمونه به بخار آب کمک می‌کند. پاسخ نمونه اکسید گرافین کاهیده در کنار نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم 1/8 برابر نمونه اکسید گرافین در کنار نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم شد. طیف‌سنجی رامان مربوط به صفحات اکسید گرافین و نیز صفحات اکسید گرافین هیدروژن‌دهی شده بررسی شدند. در نهایت طی یک آزمایش پاسخ نمونه را به بخار محلول‌های اسیدی بررسی نموده که مشاهده کردیم با کاهش pH پاسخ بسیار افزایش می‌یابد. بدین صورت که با افزایش مقدار اسید فسفریک در محلول تا 0/2 درصد پاسخ نمونه 1/8 برابر بیشتر از پاسخ به بخار آب خالص بود. کلمات کلیدی: گرافین، اکسید گرافین، اکسید گرافین کاهیده، روش شیمیایی هامرز، نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم
- Abstract
- Carbon has different structures, graphite and diamond have 3D structures, graphene has 2D structure, carbon nanotube has 1D structure and fullerene has almost zero-dimensional structure. Among them, graphene sometimes considered as a super material, which until 2004 according to Mermerin’s theory nobody thought it would really exist in the world. In 2004 Geim and Novoselov observed a Graphene sheet for the first time. Graphene has some unique characteristics such as, large density of careers, low resistance, large Yong’s modulus, etc. In this thesis we have looked over the electrical behavior of graphene, using TiO¬2 nanoparticles deposited on it, UV and visible irradiation of the sample, putting water droplet on it, bombarding the sample with hydrogen gas, changing the gate voltage, exposing the sample to water vapor and acidic solution vapor. Graphene Oxide (GO) was made by Hummer’s enhanced method. Cr comb-like electrodes with a thickness of 100 nm were deposited on a silicon substrate, putting, subsequently Graphene sheets on top of them. TiO¬2¬ nanoparticles were also deposited by CVD methods. It was observed that the more UV radiation incidenting upon the sample, the more current is produced by it. The reason is that when UV irradiates TiO¬2¬, the electrons will gain enough energy to jump from the valance band to the conduction band of TiO¬2¬ and then go to the conduction band of GO. So, the recombination time increases and current will be enhanced. When a water droplet is put on the surface of our sample, the electron-hole pair will change the water molecules to OH- and H+ ions. The protons will react with hydroxyl groups of GO and reduce them. So, the current will increase up to 2 times more than the current of the sample without water droplet. Since the gate voltage would help to increase the ionization of water molecules, we have varied the gate voltage to see the effect. It was observed that the current of the sample containing GO/ TiO2 nanoparticles and water droplet, being exposed to UV irradiation for 30 minutes and having a gate voltage of 6 volt, is about 3 times more than the sample with the same condition except for having a gate voltage of 2 volt, and is 45 times more than the sample without water droplet and gate voltage. This result shows the significant effect of UV irradiation and gate voltage on the conductivity of GO. The effect of visible irradiation was also studied which was observed that the visible light only increases the current of the GO/TiO2 nanoparticles with water droplet by a factor of 1.2 more than its current in darkness. The response to the water vapor was also studied for different samples. The first sample was GO sheets. The water vapor decreases the current because GO is a p-type semiconductor and loses electrons when the water molecules are in contact with it. The second sample was GO/ TiO2 nanoparticles. The response to humidity of this sample was studied in three different Vsd in darkness and under UV irradiation. As Vsd increased the response of the sample increased in darkness but was almost constant under UV irradiation. It was also observed that the response under UV irradiation is more than twice the response in darkness. The third sample was Graphan/ TiO2 nanoparticles. The response under UV irradiation was by a factor of 1.2 less than the response in darkness. The effect of UV irradiation was again studied with another test. The response to water vapor after 0, 10, 20, 30, 40, 50 and 60 minutes UV irradiation was studied which showed that the response increases by the increasing the UV irradiation time. These devices can be used as humidity sensors with high sensitivity. Finally, the response to acidic solution vapor was also studied. It was observed that by the decreasing the pH of the solution, the current will increase. Keywords: Graphene oxide, Titanium dioxide nanoparticles, Graphan, UV and visible irradiation.
