Σύνθεση και χρήση υγρών κραμάτων για την ανάπτυξη χαμηλής θερμοκρασίας δομών γραφενίου

Καρούντζου, Γεωργία; Karountzou, Georgia

dc.contributor.author	Καρούντζου, Γεωργία	el
dc.contributor.author	Karountzou, Georgia	en
dc.date.accessioned	2024-04-08T08:57:35Z
dc.date.available	2024-04-08T08:57:35Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59124
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26820
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
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	Υγρά κράματα	el
dc.subject	Χημική εναπόθεση ατμών	el
dc.subject	Σύνθεση	el
dc.subject	Κατάλυση	el
dc.subject	Graphene	en
dc.subject	Liquid alloys	en
dc.subject	Chemical vapor deposition	en
dc.subject	CVD	en
dc.subject	Synthesis	en
dc.subject	Catalysis	en
dc.title	Σύνθεση και χρήση υγρών κραμάτων για την ανάπτυξη χαμηλής θερμοκρασίας δομών γραφενίου	el
dc.title	Synthesis and application of liquid alloys for low-temperature graphene growth	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Επιστήμη Υλικών	el
heal.classification	Materials Science	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-10-30
heal.abstract	Η ανακάλυψη του γραφενίου έχει απασχολήσει την επιστημονική κοινότητα για τη πληθώρα εφαρμογών, όπως αισθητήρες και φωτοβολταϊκές κυψελίδες. Συγκεκριμένα οι αξιοσημείωτες ιδιότητες αναφέρονται στις οπτικές, την ηλεκτρική αγωγιμότητα, τη μηχανική αντοχή και τη θερμική αγωγιμότητα. Το 2004 οι A. K. Geim και K. S. Novoselov από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ κατάφεραν να αποσπάσουν ένα ενιαίο στρώμα γραφενίου από γραφίτη μέσω της μικρομηχανικής αποφλοίωσης. Πλέον μία από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους σύνθεσης γραφενίου είναι η χημική εναπόθεση ατμών (CVD). Γενικότερα, στη χημική εναπόθεση ατμών, χρησιμοποιούνται συχνά ως καταλύτες, μέταλλα όπως ο χαλκός σε υψηλές θερμοκρασίες λόγω των πλεονεκτικών καταλυτικών του ιδιοτήτων και λόγω του ότι παρά τις υψηλές θερμοκρασίες εναπόθεσης, παραμένει σε στερεά κατάσταση λόγω του υψηλού σημείου τήξης του. Στη συνέχεια, η μέθοδος συνδυάζεται με την μηχανική αποφλοίωση ώστε να αποσπαστεί το στρώμα του γραφενίου από την επιφάνεια του καταλύτη κάτι που οδηγεί στην παραγωγή γραφενίου σε μεγάλη κλίμακα. Ως επί το πλείστον, η παραγωγή γραφενίου είναι μία δαπανηρή μέθοδος και ενεργειακά μη αποδοτική λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που απαιτούνται. Επιπλέον, κατά την διαδικασία λήψης του γραφενίου από την επιφάνεια του καταλύτη, τα όρια των κόκκων στα μεταλλικά υποστρώματα μπορούν να δημιουργήσουν ατέλειες με αποτέλεσμα την υποβάθμιση των ιδιοτήτων. Έτσι, έχει αναπτυχθεί ενδιαφέρον ως προς τα υγρά υποστρώματα, στα οποία υπάρχουν ενδείξεις για την ανάπτυξη γραφενίου χωρίς ατέλειες λόγω της απουσίας κρυσταλλικού πλέγματος και κατ’ επέκταση ορίων κόκκων (grain boundaries). Στην παρούσα διπλωματική εξετάζεται το ενδεχόμενο της χρήσης της χημικής εναπόθεσης ατμών σε χαμηλές θερμοκρασίες σε υπόστρωμα υγρών κραμάτων. Το κλειδί για την επιτυχή ανάπτυξη γραφενίου σε χαμηλή θερμοκρασία είναι τα υγρά υποστρώματα. Η ιδέα έγκειται στη χρήση κραμάτων στα οποίο το ένα μέταλλο έχει χαμηλό σημείο τήξης, ώστε το κράμα να είναι υγρό στη χαμηλή θερμοκρασία διεξαγωγής του πειράματος και το άλλο μέταλλο είναι κάποιος ενεργός καταλύτης στη διεργασία ανάπτυξης γραφενίου. Η λογική είναι το υγρό υπόστρωμα να διευκολύνει την ανάπτυξη γραφενίου στην επιθυμητή χαμηλή θερμοκρασία και στην συνέχεια, αφού το γραφένιο ληφθεί από την επιφάνειά του, να μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί, κατά τρόπο παρόμοιο με την παραγωγή γυαλιού σε υγρά υποστρώματα οξειδίου του κασσίτερου. Τα κράματα που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία για την καταλυτική τους δράση στην ανάπτυξη γραφενίου χαμηλής θερμοκρασίας ήταν γαλλίου-νικελίου και γαλλίου-αργύρου-χαλκού. Η επιλογή των κραμάτων πραγματοποιήθηκε βάσει των διαγραμμάτων φάσεων, έτσι ώστε να προκύπτουν υγρά κράματα στη ζητούμενη θερμοκρασία εναπόθεσης (500oC). Από τα αποτελέσματα των πειραμάτων προκύπτει ότι επιτυγχάνεται, για πρώτη φορά, η εναπόθεση πολυστρωματικού οξειδίου του γραφενίου και πιθανώς, δι-στρωματικού γραφενίου με λίγες ατέλειες στο κρυσταλλικό του πλέγμα, σε θερμοκρασία της τάξεως 500°C και σε συνδυασμό με 6 ανόπτηση σε θερμοκρασία 600°C, για 4 ώρες εναπόθεσης χρησιμοποιώντας κράμα γαλλίου-άργυρου-χαλκού (91at% Ga, 3at% Ag, 6at% Cu). Ως εκ τούτου, αποδεικνύεται η καταλυτική δράση των υγρών υποστρωμάτων σε χαμηλές θερμοκρασίες, αναδεικνύοντας, ταυτόχρονα, μια νέα, καινοτόμα προσέγγιση στην ανάπτυξη γραφενίου.	el
heal.abstract	The discovery of graphene has attracted the interest of scientific community for the variety of applications, such as sensors and photovoltaic cells. In particular, the remarkable properties refer to optical, electrical conductivity, mechanical strength and thermal conductivity. In 2004, A. K. Geim and K. S. Novoselov from the University of Manchester succeeded in extracting a single layer of graphene from graphite through micromechanical exfoliation. Nowadays, one of the most widely used methods of graphene synthesis is chemical vapour deposition (CVD). Generally, in chemical vapour deposition, metals such as copper are often used as catalysts at high temperature because of its advantageous catalytic properties and due to the fact that despite the high deposition temperature, it remains in a solid state owing to its high melting point. The method is then combined with mechanical exfoliation to remove the graphene layer from the surface of the catalyst, which leads to the production of graphene on a large scale. For its most part, graphene production is a costly method and energy inefficient mainly due to the high temperature required. In addition, during the process of obtaining graphene from the catalyst surface, grain boundaries on the metal substrates can create defects resulting in the degradation of graphene properties. Thus, interest has been risen in liquid substrates, for which there is evidence for the growth of graphene without defects due to the absence of a crystal lattice and consequently, grain boundaries. In the present thesis, the use of low-temperature chemical vapour deposition on liquid alloy substrates is considered. The key to the successful low-temperature graphene growth is the liquid catalysts. The idea is to use alloys in which the first metal is a low melting point one, so that the alloy is liquid at the targeted experimental low temperature and the other metal is an active catalyst in the graphene growth process. The rationale is that the liquid substrate facilitates graphene growth at the desired low temperature and then, after graphene is removed from its surface, it can be reused, in a way similar to glass production on liquid tin oxide substrates. The alloys investigated in the present work for their catalytic activity on low-temperature graphene growth were gallium-nickel and gallium-silver-copper. The alloys were selected on the based on the corresponding phase diagrams, so as to obtain liquid alloys at the targeted deposition temperature (500oC). The experimental results show that the deposition of multilayer graphene oxide and, possibly, bilayer graphene with few defects in its crystal lattice is obtained, for the first time, at 500oC and in combination with thermal annealing at 600oC for 4 hours of CVD using a gallium-silver-copper alloy (91at% Ga, 3at% Ag, 6at% Cu). Hence, the catalytic activity of liquid substrates at the low experimental temperature is demonstrated, highlighting, at the same time, a new, innovative approach for graphene growth.	en
heal.advisorName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Κυρίτσης, Απόστολος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	84 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false