Διεργασίες λέιζερ στο γραφένιο

Abstract

Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία αποσκοπεί στην σύνθεση, στον χαρακτηρισμό και στην εκτύπωση του γραφενίου, μέσω της τεχνικής LIFT σε συμβατικές επιφάνειες πυριτίου, καθώς και σε εύκαμπτα πολυμερικά υποστρώματα (PEN), που πιθανώς θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές αίσθησης χημικών αερίων. Αρχικά γίνεται μία εισαγωγή στις ιδιότητες και τα γενικότερα χαρακτηριστικά του δισδιάστατου αυτού υλικού με σκοπό την καλύτερη κατανόηση της φύσης και συμπεριφοράς του. Στα πρώτα 2 κεφάλαια παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο όσον αφορά στις μεθόδους σύνθεσης και γενικότερα στη χημεία του γραφενίου μέσω της ανάμειξής του με πολυμερικές μήτρες και μεταλλικά νανοσωματίδια. Ακολούθως, το κεφάλαιο 3 πραγματεύεται τη κατασκευή χημικών αισθητήρων και συγκεκριμένα αισθητήρων με βάση το γραφένιο, ενώ στο 4ο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική περιγραφή των τεχνικών εκτύπωσης υλικών με τη χρήση λέιζερ όπως η τεχνική πρόσθιας εκτύπωσης υλικών (LIFT) η οποία και εφαρμόστηκε στην παρούσα εργασία. Τα δύο τελευταία κεφάλαια της παρούσας εργασίας αφορούν στην παρουσίαση των πειραμάτων και του χαρακτηρισμού που έλαβε χώρα. Πιο αναλυτικά, στο 5ο κεφάλαιο, περιγράφονται οι μέθοδοι σύνθεσης που χρησιμοποιήθηκαν και οι οποίες είναι: α)σύνθεση γραφενίου μέσω οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων (Hummers-Offemann) και β)σύνθεση γραφενίου μέσω αποφλοίωσης του γραφίτη σε οργανικούς διαλύτες. Τα δείγματα που συντέθηκαν χαρακτηρίστηκαν με τη χρήση ηλεκτρικών μετρήσεων (I-V), μετρήσεων φασματοσκοπίας Raman και μετρήσεων απορρόφησης στο υπεριώδες-ορατό (UV/Vis) και ακολούθως εκτυπώθηκαν με τη χρήση της τεχνικής LIFT σε διαφορετικά υποστρώματα. Η επιτυχία της εκτύπωσης των διαλυμάτων γραφενίου σε διάφορες επιφάνειες προσφέρει τη δυνατότητα εισαγωγής του υλικού αυτού σε χημικούς αισθητήρες. για την ανίχνευση υγρασίας, αιθανόλης, μεθανόλης και άλλων αναλυτών, όπου το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως το μέσω αίσθησης του αισθητήρα.

This Master Thesis aims towards the synthesis, characterization and printing, via the LIFT technique, of graphene on conventional silicon as well as flexible polymer substrates, that could be used for chemical sensors applications. Firstly, there is an introduction about graphene's properties and characteristics of this 2D material, in order to better understand its behavior. The first two chapters, deal with the theoretical background, regarding graphene's synthesis methods and chemistry by mixing graphene with polymer matrices or even metallic nanoparticles. Moreover, in chapter 3, there is an introduction about chemical sensors based on graphene, while in chapter 4, takes place a thorough description of material printing by means of laser printing techniques, such as the Laser Induced Forward Transfer, method that has been used in the current thesis. The last 2 chapters deal with the experiments and the characterization that took place. More specifically, in chapter 5, the synthesis methods that have been used are being presented and are: a)graphene synthesis by redox reactions (Hummers-Offemann) and b)graphene synthesis by liquid phase exfoliation of graphite in organic solvents. The synthesized samples were firstly characterized by means of micro-Raman spectroscopy, electrical measurements and absorption spectroscopy before being printed, by the LIFT technique on different substrates. The successful printing of graphene on various surfaces offers the possibility of incorporating this material into chemical sensors, for the detection of humidity, ethanol, methanol and other analytes, where graphene could be used as the sensing element.