Functionalized CVD grown graphene for gas sensing applications

Abstract

Grafen, bir atom kalınlıgında sp2 baglı karbon atomlarının petek yapı örgüsünde dizildigi iki boyutlu bir malzemedir. Eşsiz mekanik mukavemete sahip, sıfır boşluklu bir yarı iletkendir. Yüksek elektron mobilitesine ve oda sıcaklıgında en düşük özdirençe sahip malzemedir. Kenar özelliklerini kimyasal modifikasyon ile degiştirerek az tabakalı grafene yeni manyetik özellikler kazandırılabilir. Olagandışı elektronik özelliklere sahip olmasının yanı sıra, tek katmanlı grafen önemli gaz algılama kabiliyetine sahiptir. Gaz moleküllerinin adsorpsiyonu ile yerel taşıyıcı konsantrasyonu modifiye edilir ve direnci degişir. Grafenin yüksek elektron hareket kabiliyeti, geniş alan omik teması ve metal iletkenligi, arka plandaki gürültüyü azaltmaya yardımcı olur ve böylece milyarda bir se- ˘ viyedeki parçaları ve hatta atomik aralıktaki küçük moleküler degişiklikleri tespit etmek için son derece hassas bir cihaz yapar. Bu tezde, Kimyasal Buhar Briktirme (KBB) yöntemi ile büyütülen grafen filmler, sensör özelliklerinin zehirli gazların algılanmasında iyileştirilmesi adına ilk defa kendiliginden organize tek katmanlarla fonsiyonelleştirildi ve anizotropik H2 a¸sındırma yöntemleri uygulandı. Karakterizasyon teknikleri; Optik Mikroskop, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), Kelvin Uç Kuvvet Mikroskobu (KPFM), Raman Spektroskopisi, Kuvars Kristal Mikroterazi (QCM) ve amperometrik ölçüm teknikleri, metal ince filmlerin, grafen katmanlarının ve gaz emilen film yapılarının ara¸stırılmasında kullanılmı¸stır. Sonuçların gösterdigine göre grafen filmlerin KBB modifikasyonu ile CO ve NH ˘ 3 emilim kapasitesi arttırılmış ve periyodik tersinir tepki özellikleri iyileştirilmiştir. Direnç ölçümleri frekans degişim sonuçları ile uyumludur. Uygulanan aşındırma işlemi ile sensörlerin neme hassasiyetleri de önemli ölçüde azaltılmıştır.

Graphene is a two dimensional one-atom thick sheet of sp2 bonded carbon atomsarranged in a honeycomb lattice structure. It has high electron mobility and it is the materialwith the lowest resistivity at room temperature. By changing the edge properties withchemical modification, few-layer graphene may gain new magnetic properties. Besideshaving unusual electronic properties, single-layer graphene has important gas sensingcapability. With the adsorption of the gas molecules, the local carrier concentration ofgraphene is modified and its resistance is altered. The high mobility, large area ohmiccontact and metallic conductivity of graphene help to reduce the background noise andthus make it highly sensitive device even small molecular changes at atomic ranges.In this dissertation, Chemical Vapor Deposition (CVD) grown graphene layerswere functionalized by self-assembled monolayers (SAMs) and etched anisotropically byH2 for the first time to improve sensor characteristics for toxic gas sensing. CO, CO2,NH3 gases were used as target molecules. Characterization techniques such as OpticalMicroscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM),Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), Raman Spectroscopy, Quartz Crystal Microbalance(QCM) and amperometric measurements were used for the investigation of the metalthin film, graphene layers and gas adsorbed film structures.Results indicate that the SAM modification enhanced CO and NH3 absorbing capabilityof graphene films and also improved their periodic reversible response characteristics.The resistivity results are consistent with frequency change results. Humiditysensitivity of sensors are also decreased significantly due to the applied etching process.