Σύνθεση, χαρακτηρισμός και μελέτη του γραφενίου ως υπόστρωμα SERS

Abstract

Το γραφένιο είναι μια δισδιάστατη μορφή άνθρακα με μοναδικές ηλεκτρικές, οπτικές και μηχανικές ιδιότητες. Η παρούσα εργασία εστιάζεται στη σύνθεση γραφενίου και στον χαρακτηρισμό του. Επιπλέον, μελετάται η εφαρμογή του, σε συνδυασμό με μεταλλικά νανοσωματίδια σαν υπόστρωμα στην μελέτη του φαινομένου της επιφανειακής ενίσχυσης σκέδασης Raman (Surface Enhanced Raman Scatternig – SERS). Αρχικά συνθέτουμε το γραφένιο μέσω της μηχανικής αποφλοίωσης του γραφίτη. Με την τεχνική αυτή, διαχωρίζουμε τα γραφιτικά φύλλα με τη χρήση κολλητικής ταινίας. Η κολλητική ταινία στη συνέχεια πιέζεται στην επιφάνεια καθαρού υποστρώματος 285nm SiO2/Si, και με τη διαδικασία αυτή εναποτίθεται γραφένιο σε διάφορα πάχη στην επιφάνεια του υποστρώματος. Στη συνέχεια με τη χρήση οπτικού μικροσκοπίου έχουμε πρώτη προσεγγιστική εικόνα σχετικά με το πάχος του γραφενίου. Το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (Atomic Force Microscopy – AFM) μας δίνει εικόνες μορφολογίας και προσδιορίζει με ακρίβεια το πάχος του δείγματος, ενώ την επιβεβαίωση του αριθμού των στρωμάτων γραφενίου, μας την παρέχει η φασματοσκοπία micro-Raman. Ακολουθεί ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων, με ηλεκτρικές μετρήσεις (I-V) σε ένα εύρος θερμοκρασιών και μια μελέτη του μηχανισμού αγωγιμότητας. Στη συνέχεια, στα χαρακτηρισμένα δείγματα, εναποθέτουμε μεταλλικά νανοσωματίδια με τη μέθοδο της ιοντοβολής και μελετάμε το φαινόμενο SERS. Αρχικά εναποτίθενται νανοσωματίδια πλατίνας (μεγέθους 4-8 nm), εμβαπτίζουμε το δείγμα σε διάλυμα ροδαμίνης (R6G) και μελετάμε πως επηρεάζει την ενίσχυση στην κορυφή 612 cm-1 η παρουσία ή μη γραφενίου και έπειτα τις μεταβολές στην ενίσχυση ανάλογα με τον αριθμό των στρωμάτων. Τέλος, εναποθέτουμε νανοσωματίδια αργύρου στα οποία αναμένεται εντονότερη ενίσχυση στο φάσμα της ροδαμίνης και πραγματοποιούμε μια πρώτη προσπάθεια να μελετήσουμε την αλληλεπίδραση του συγκεκριμένου μετάλλου με το γραφένιο, σαν επέκταση της μελέτης του φαινομένου SERS.

Graphene, is a system with ideal two-dimensional (2D) character and unique electrical, optical, and mechanical properties. In this study, we focus on aspects related to synthesis and Raman characterization of graphene samples. Moreover, we examine the combination of single- or few-layer graphene with metallic nanoparticles as surface enhanced Raman scattering (SERS) substrate for the characterization of rhodamine (R6G) molecules. Firstly, we obtain graphene from micromechanical cleavage of graphite. The top layer of a high-quality graphite crystal is removed by a piece of adhesive tape. By glue and rive these graphitic flakes on the adhesive tape several times graphite becomes thinner. The adhesive tape is then pressed against a 285nm SiO2/Si substrate. With this simple yet effective procedure graphene of various thicknesses - even monolayer graphene with area up to tens of microns - can be transferred onto the surface of the substrate, producing high quality graphene crystallites. Graphene onto 285 nm silicon oxide is visible with an optical microscope. Moreover, we use Atomic Force Microscopy (AFM) in order to measure thickness of graphene and also study the morphology. And the exact number of layers we obtain, are identified by micro-Raman spectroscopy. Subsequently, the samples are characterized by I-V electrical measurements at various temperatures.

Another intresting study is the use of graphene SERS substrate for the characterization of rhodamine (R6G) molecules. In this work, platinum nanoparticles are deposited on characterized samples using DC magnetron spattering (the size of nanoparticles is ~4-8 nm). The samples are immersed in rhodamine (R6G) solution, and are studied by micro-Raman spectroscopy. We study the enhanchament achieved at the specra of rhodamine with the presence of graphene compared to its absence and also how the number of graphene layers affect these results. Finally we deposit silver nanoparticles and we obtain some preliminary results which need to be further confirmed.