Enhancement of the electrical properties of graphene for electronic devices

Abstract

Bir atom kalınlığında iki boyutlu bir malzeme olan grafen, olağanüstü özelliklerinden dolayı elektronik ve optoelektronik uygulamalarda kullanılmak üzere büyük ilgi görmektedir. Bant boşluğu bulunmayan grafene yeni özellikler katmak yada varolan özelliklerini uygulamalar için istenilen seviyeye getirmek son zamanlarda çalışılan önemli bir konudur. Yüzey aktarımı yoluyla katkılama, kovalent olmayan bir bağ kurarak ve yapıyı bozmadan grafenin elektriksel özelliklerini değiştirmek için kullanılan temel yöntemlerden biridir. Bu tez çalışmasında santimetre ölçekli, yüksek kalitede grafen filmler kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile sentezlenmiş ve çeşitli tek katman olabilen moleküller kullanılarak elektriksel özellikleri değiştirilmiştir. Öncelikle, bakır folyo, mekanik-kimyasal parlatma yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. Daha sonra grafen, hazırlanan bu bakır folyolar üzerinde atmosferik basınçta kimyasal buhar biriktirme yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Sentezlenen filmler analiz edilmek için farklı altlıklar üzerine transfer edilmiştir. Yapılan analiz çalışmaları sonucunda bakır yüzeyinin ve büyüme koşullarının grafenin büyümesinde önemli bir rol oynadığı belirlenmiştir. Ek olarak, grafenin levha direnci ve hareketliliği Hall Effect ölçüm cihazı kullanılarak ölçülmüştür. Sentezlenen grafenin levha direnci yaklaşık 718 Ω/sq ve optik geçirgenliği % 96.8 bulunmuştur. Daha sonra, yüzey transfer yöntemiyle grafen filmlere kendi kendine tek katman olabilen (SAM) molekülleri kullanılarak katkılama yapılmıştır. Kullanılan 4-Florofenil boronik asit, 3,4- Diflorofenil boronik asit, 3,4,5-Trimetoksifenil boronik asit, Bor trifluorür dietil eterat, TPA ve CAR SAM moleküllerinin grafenin yük taşıyıcılarının yoğunluğunu değiştirdiği ve dolayısıyla grafen filmlerin elektriksel özelliklerini değiştirdiği belirlenmiştir. Sonuç olarak, SAM moleküllerinin türüne bağlı olarak grafenin taşıyıcı türünün kontrollü olarak p-tipinden n-tipe dönüştürülebilir olduğu ve grafenin elektriksel özelliklerinin SAM ile modifiye edilebilir olduğu bulunmuştur. Sonuçlarımız, grafenin elektriksel özelliklerinin başarıyla değiştirildiğini ayrıca elektronik ve optoelektronik uygulamalar için uygun bir malzeme olarak kullanılabileceğini göstermektedir.

Graphene, a one-atom-thick two-dimensional material, has drawn great interest for many electronic and optoelectronic applications due to its extraordinary properties. The properties of the graphene can be modified with different chemical methods and introduced new properties, which widens its potential for applications. The non-covalent modification of graphene is one of the basic techniques for modifying the electrical properties of graphene without disrupting the structure.In this thesis, the high-quality graphene has been synthesized and electrical properties of graphene have been tuned by using self-assembly monolayers (SAMs). For graphene synthesis, copper foil pre-treatment was performed using the mechanical-chemical polishing method. Afterwords, graphene films were synthesized on pre-cleaned copper foil by atmospheric pressure chemical vapor deposition under the optimized conditions. It was found that copper surface and growth conditions play a significant role in high-quality graphene growth. Additionally, sheet resistance and mobility of graphene were measured by Hall Effect measurement system. The sheet resistance of graphene was found about 718 Ω/sq with 96.8% of transmittance. Furthermore, obtained graphene was doped with surface transfer method using various SAMs including 4-Fluorophenyl boronic acid, 3,4-Difluorophenyl boronic acid, 3,4,5-Trimethoxyphenyl boronic acid, Boron trifluoride dimethyl etherate, TPA and CAR. It has been found that SAMs modify the density of its charge carriers, thus, the electrical properties of graphene films have been altered. As a result, depending on the type of SAMs the carrier type of graphene can controllably be changed from p-type to n-type and the electrical properties of graphene could be modified by several SAMs. We believed that this study could open up a wide range of possibilities for electronic and optoelectronic applications.