Μελέτη της αλληλεπίδρασης γραφενίου/πολυμερικού υποστρώματος μέσω φασματοσκοπίας Raman

• Κύριος συγγραφέας: Σερεμέτης, Λάμπρος
• Άλλοι συγγραφείς: Γαλιώτης, Κωνσταντίνος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2014
• Θέματα: Γραφένιο; Φασματοσκοπία Raman; Graphene; Raman spectroscopy; 620.5

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο παρασκευής και μηχανικών ιδιοτήτων συνθέτων υλικών στο ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ στη πάτρα. Το κύριο μέρος της παρούσης μεταπτυχιακής εργασίας είναι η μεταφορά μονού στρώματος γραφενίου σε υποστρώματα PDMS και ο χαρακτηρισμός του μέσω της φασματοσκοπίας Raman καθώς επίσης και η μελέτη της αλληλεπίδρασης του γραφενίου με το υπόστρωμα. Και τέλος, εξίσου σημαντικό μέρος αποτελεί η θερμομηχανική μελέτη του μονοστρωματικού γραφενίου, το οποίο έχει αναπτυχθεί στην επιφάνεια του χαλκού. Πιο αναλυτικά, το πρώτο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας αποτελεί μια πρώτη εισαγωγή στο γραφένιο, όπου απαντά σε διάφορα ερωτήματα όπως, πως ανακαλύφθηκε, τι είναι, τι ιδιότητες έχει, πως παρασκευάζεται, ποία είναι η δομή του (κρυσταλλική, ηλεκτρονική) και σε πολλά άλλα. Στη συνέχεια, στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι πειραματικές τεχνικές, οι φασματοσκοπικές μέθοδοι καθώς και οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν κατά την εκπόνηση της διατριβής. Για τον χαρακτηρισμό και την μελέτη του γραφενίου πάνω σε διάφορα υποστρώματα (PDMS, PMMA, Si/SiO2, χαλκού) χρησιμοποιούνται, κυρίως, η φασματοσκοπία Raman, αλλά και η οπτική μικροσκοπία, η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και η διάταξη θέρμανσης-ψύξης (THMS600) της εταιρίας Linkam. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι διαδικασίες παρασκευής των προς μελέτη δοκιμίων. Αρχικά αναλύουμε τον τρόπο με τον οποίο παρασκευάσαμε δοκίμια PDMS (πoλυδιμέθυλο σιλοξάνιο). Η πρώτη μέθοδος περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο το γραφένιο, το οποίο έχει αναπτυχθεί σε υπόστρωμα χαλκού, μεταφέρεται σε άλλο υπόστρωμα, ενώ η δεύτερη μέθοδος (scotch tape method) περιγράφει πως μεταφέρουμε το γραφένιο από τον γραφίτη με χρήση κολλητικής ταινίας. Τέλος, αναλύουμε τον τρόπο με τον οποίο παρασκευάσαμε δοκίμια (πολυμεθακριλικός-μεθυλεστέρας) PMMA/Gr/Cu τα οποία χρησιμοποιήσαμε για την έρευνά μας. Το τέταρτο κεφάλαιο αποτελεί μια φασματοσκοπική μελέτη του γραφενίου. Περιγράφει το πρώτο μέρος των πειραματικών δεδομένων που αναφέρονται στην μελέτη του γραφενίου το οποίο τοποθετήσαμε σε υπόστρωμα PDMS. Για την μελέτη αυτή διαθέτουμε δυο δείγματα. Και στα δυο αυτά δείγματα έχουμε τοποθετήσει φύλλα γραφενίου πάνω σε PDMS. Στο πρώτο δείγμα έχουμε ακολουθήσει την μέθοδο της μικρομηχανικής αποφλοίωσης για να μεταφέρουμε το γραφένιο στην επιφάνεια του PDMS, ενώ στο δεύτερο έχουμε μεταφέρει γραφένιο, αφού πρώτα έχει αναπτυχθεί σε χαλκό με την μέθοδο CVD. Στο πρώτο μας δείγμα έχουμε μεταφέρει εκτός από μονά στρώματα γραφενίου, διπλά και τριπλά στρώματα αυτού. Επίσης, στο δεύτερο δείγμα, με κατάλληλη επεξεργασία έχουμε αναπτύξει ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο οπών. Σκοπός μας, λοιπόν, είναι η μελέτη και η ανάλυση της συμπεριφοράς του γραφενίου στην επιφάνεια του PDMS καθώς και η σύγκριση αυτής με άλλα υποστρώματα. Επίσης μελετάμε τις διαφορές, όσον αφορά των διαφορετικών μεθόδων μεταφοράς του γραφενίου που χρησιμοποιήσαμε, μεταξύ των δυο δειγμάτων που διαθέτουμε. Επιχειρούμε, δηλαδή, με την χαρτογράφηση των δειγμάτων μας να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο τοποθετήθηκε (κάθισε) το γραφένιο πάνω στην επιφάνεια του υποστρώματος αλλά και τον τρόπο που αλληλεπιδρά με αυτό. Επιπρόσθετα παραθέτουμε και αναλύουμε φάσματα Raman για ένα, δύο και τρία στρώματα γραφενίου. Και τέλος, ερευνούμε τη διαφορετική συμπεριφορά του γραφενίου σε υπόστρωμα (supported graphene) και στον αέρα (suspended graphene). Στο πέμπτο κεφάλαιο ασχολούμαστε με την συμπεριφορά του γραφενίου, το οποίο αναπτύχθηκε στην επιφάνεια του χαλκού με τη μέθοδο της χημικής εναπόθεσης ατμών. Πρωταρχικός μας στόχος είναι η μελέτη της αλληλεπίδρασης του γραφενίου με το υπόστρωμα του χαλκού και κατ’ επέκταση η θερμομηχανική συμπεριφορά της μονής στρώσης γραφενίου, η οποίας εκτιμάται με τη θερμοκρασιακή εξάρτηση από την φασματοσκοπία Raman στην περιοχή θερμοκρασιών μεταξύ -1500C και 2400C. Για να επιτευχθεί η θερμοκρασιακή εξάρτηση του γραφενίου, τα φάσματα Raman λήφθηκαν και κατά την ψύξη και την θέρμανση των δειγμάτων με χρήση της διάταξής THM600 της εταιρίας Linkam. Στη συνέχεια σε αντίστοιχο δείγμα γραφενίου πάνω σε χαλκό εναποθέτουμε PMMA με τρείς διαφορετικούς ρυθμούς στροφών (4000rpm, 5000rpm, 6000rpm), με σκοπό να διαπιστώσουμε εάν και πώς με την εναπόθεση του πολυμερούς το φύλλο του γραφενίου επηρεάστηκε σε σχέση με πριν.