Ανάπτυξη δομών γραφενίου σε υποστρώματα υγρών καταλυτών

Παναγιωτόπουλος, Ραφαήλ; Panagiotopoulos, Rafail

dc.contributor.author	Παναγιωτόπουλος, Ραφαήλ	el
dc.contributor.author	Panagiotopoulos, Rafail	en
dc.date.accessioned	2022-11-28T07:38:35Z
dc.date.available	2022-11-28T07:38:35Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56255
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23953
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Γραφένιο	el
dc.subject	Χημική εναπόθεση ατμών	el
dc.subject	Graphene	en
dc.subject	Chemical Vapor Deposition	en
dc.subject	Liquid metal alloy substrates	en
dc.title	Ανάπτυξη δομών γραφενίου σε υποστρώματα υγρών καταλυτών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Επιστήμη Υλικών	el
heal.classification	Material science	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-07-06
heal.abstract	Το γραφένιο από την ανακάλυψη του από τους Geim και Novoselov το 2004 έχει απασχολήσει την επιστημονική κοινότητα εξαιτίας των μοναδικών του ηλεκτρονικών, θερμικών, οπτικών και μηχανικών ιδιοτήτων. Οι ιδιότητες αυτές του έχουν αποδώσει δικαίως τον τίτλο του υπερυλικού και το έχουν φέρει στο προσκήνιο σε μία σειρά τεχνολογικών εφαρμογών αιχμής. Αισθητήρες, φωτοβολταϊκά κελιά και οθόνες αφής είναι μόνο λίγες από τις εφαρμογές αυτές, ενώ η φύση του γραφενίου ως ημιαγωγός μηδενικού χάσματος και η δυνατότητα διάνοιξης του χάσματος αυτού έχουν φέρει στην επιφάνεια προσπάθειες να αντικαταστήσει το πυρίτιο σε ηλεκτρονικές διατάξεις. Η σύνθεση του έχει επιτευχθεί με μία πληθώρα μεθόδων, ωστόσο ιδιαίτερο βιομηχανικό ενδιαφέρον εμφανίζει η χημική εναπόθεση ατμών. Κατά την χημική εναπόθεση ατμών η εναπόθεση γίνεται με τη χρήση προδρόμων αερίων πάνω σε κατάλληλο υπόστρωμα, με την παράλληλη προσφορά ενέργειας, εν προκειμένω την προσφορά θερμότητας. Τα πιο συνηθισμένα υποστρώματα είναι το νικέλιο και ο χαλκός, που εμφανίζουν χαμηλή και υψηλή διαλυτότητα σε άνθρακα αντίστοιχα, και άλλα μέταλλα μετάπτωσης όπως παλλάδιο, ιρίδιο και ασήμι. Στην προσπάθεια να ελαττωθεί η απαιτούμενη θερμοκρασία και συνεπώς το ενεργειακό κόστος της διεργασίας έχουν αξιοποιηθεί διάφορα μέταλλα, κράματα μετάλλων, αλλά και μέταλλα που τήκονται στην θερμοκρασία της εναπόθεσης. Αυτά τα «υγρά μέταλλα» έχουν ομαλή επιφάνεια, λόγω απουσίας περιοχών αυξημένης επιφανειακής ενέργειας, οπότε δίνουν γραφένιο χωρίς όρια κρυσταλλιτών και ατέλειες σε ελαττωμένη θερμοκρασία. Στην προσπάθεια να μειωθεί περαιτέρω η θερμοκρασία και να αυξηθεί η καταλυτική δράση εξετάζεται η χρήση κραμάτων αυτών των υγρών μετάλλων με άλλα μέταλλα που εμφανίζουν σημαντική καταλυτική δράση στην εναπόθεση γραφενίου. Εν προκειμένω μελετάται η καταλυτική δράση κραμάτων παλλαδίου-γαλλίου, χαλκού-γαλλίου και νικελίου-γαλλίου σε συστάσεις, όπου βάσει των διαγραμμάτων ισορροπίας φάσεων, στην θερμοκρασία της εναπόθεσης προκύπτει υγρό διάλυμα. Από την πειραματική διαδικασία προκύπτει πως η χρήση τέτοιων κραμάτων είναι αποτελεσματική μέθοδος, καθώς επιτυγχάνεται η εναπόθεση γραφιτικών δομών και συγκεκριμένα πολυστρωματικού οξειδίου του γραφενίου, ακόμη και σε θερμοκρασίες της τάξεως των 400oC. Αυτό αποδεικνύει πως είναι ικανοί να καταλύσουν την πυρόλυση των προδρόμων και την πυρηνοποίηση στοιβάδων γραφενίου σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες από ότι χρησιμοποιούνται βιβλιογραφικά, ανοίγοντας τον δρόμο για την οικονομικότερη σύνθεση γραφενίου, που αποτελεί καταλυτικό παράγοντα για την χρήση του μαζικά σε τεχνολογικές εφαρμογές. Tην βέλτιστη καταλυτική δράση είχαν τα κράματα παλλαδίου-γαλλίου, σύστασης 2 at% σε παλλάδιο και συγκεκριμένα αυτό στο οποίο έγινε χημική εναπόθεση ατμών στους 500oC για δύο ώρες και έδωσε λόγο κορυφών I2D/IG = 0,34.	el
heal.abstract	Graphene has attracted the interest of the scientific community ever since its discovery by Geim and Novoselov in 2004, because of its unique electronic, thermal, optical and mechanical properties. These properties have awarded it the title of “supermaterial” and have placed it at the forefront of several state-of-the-art applications. Sensors, solar cells and touch screens are only a few of the aforementioned applications. Meanwhile, graphene’s zero bandgap semiconducting nature and the ability to modify this gap have brought about the effort to gradually replace silicon in electronic systems. Graphene has been successfully synthesized by several methods, with chemical vapor deposition (CVD) being one of the most industrially viable. CVD makes use of precursor gases that are deposited on suitable substrates, supported by an energy source (currently heat transfer). The most commonly used substrates for graphene CVD are nickel and copper, that display low and high carbon solubility respectively, and other transition metals such as palladium, iridium and silver. In an attempt to reduce the required temperature and make the process more energy and cost efficient, a number of other substrates have been deployed, such as metal alloys and metals that melt at the given deposition temperature. These “liquid” metals have a smooth surface without sites of higher surface energy, so they provide graphene without grain boundaries and significant defects. In search of methods to further reduce the temperature and increase the catalytic action of the substrates, the use of alloys of these liquid metals with other transition metals used in graphene deposition is tested. In the present thesis the use of palladium-gallium, copper-gallium and nickel-gallium alloys is examined, with compositions that allow the formation of liquid solution in the given deposition temperature, as dictated by the phase diagrams of the studied systems. The experimental procedure proved that such alloys are quite effective, as they allowed the deposition of graphitic structures and more specifically multilayer graphene oxide, at temperatures as low as 400oC. This proves that such catalysts are capable of enabling the pyrolysis of the precursors (e.g. methane) and the nucleation of graphene layers at temperatures far lower than those found in literature, thus paving the way towards a cost-efficient method of graphene synthesis that will have a catalytic effect in its broad use in technology and industrial applications. The best results were achieved by deposition on palladium-gallium alloys consisting of 2 at% palladium at 500oC for 2 hours. The deposited graphene oxide film had a peak intensity ratio of I2D/IG = 0,34.	en
heal.advisorName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Καρώνης, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	99 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false