Synthesis and characterization of CVD graphene on copper: Towards the fabrication of synthetic graphene suspensions

Author

Sempere Nomen, Bernat

Director

Colominas Guardia, Carles

Date of defense

2017-03-10

Pages

196 p.



Department/Institute

Universitat Ramon Llull. IQS

Abstract

El grafè està composat per una capa de carboni de només un àtom de gruix, agrupats en una matriu hexagonal. Es pot entendre com una de les làmines que formen el grafit. Se l’ha anomenat el material meravellós del segle XXI degut a les seves excepcionals propietats i les aplicacions potencials que se’n desprenen. Actualment, es pot trobar dipositat sobre diferents substrats, principalment per “Chemical Vapour Deposition” (CVD), i partícules o suspensions formades per plaquetes de grafè obtingudes per exfoliació de grafit. La producció de grafè per CVD resulta en capes policristal·lines de gran qualitat, en relació a la seva estructura monocapa, la baixa densitat de defectes i la seva puresa. Per contra, en els materials exfoliats pràcticament no hi ha control sobre la mida o el nombre de capes resultant en suspensions de grafè multicapa o grafit molt prim i, molts cops, amb elevat contingut d’oxigen. Aquesta tesi s’enfoca a la síntesi d’un nou tipus de producte de grafè, en concret, una suspensió de partícules de grafè sintètic de gran qualitat amb una estructura monocapa i una distribució de mida de partícula estreta i controlable. Per assolir aquest objectiu, s’han de combinar diversos avenços en la síntesi i transferència de grafè sintètic. En primer lloc, s’ha dissenyat i construït un reactor CVD capaç de produir grafè monocapa i s’han estudiat les condicions que, en conjunció amb restriccions de cabal dins el reactor, permeten controlar la mida dels grans del grafè. En segon lloc, s’ha desenvolupat un mètode simple, robust i repetible basat en l’oxidació foto-catalítica del coure a través dels límits de gra del grafè per tal de calcular la mida dels grans. Finalment, s’ha sintetitzat grafè sobre substrats amb elevades àrees superficials i s’ha transferit directament a suspensions amb , i sense, tensioactius mitjançant processos electroquímics. Les mostres de grafè al llarg del treball s’han caracteritzat mitjançant tècniques de microscòpia òptica, SEM, AFM i espectroscòpia Raman. THz-TDS s’ha emprat tant per a determinar i estudiar la qualitat del grafè com per avaluar la influència de la mida de gra en la conductivitat als THz. A més a més, la conductivitat del grafè s’ha mesurat mitjançant contactes metàl·lics micro-fabricats. Aquests han permès mesurar grafè a través de varies distàncies i, també, a través d’un únic límit de gra i dins illes de grafè monocapa i bicapa. La caracterització de les suspensions de grafè sintètic mitjançant efecte Tyndall i espectroscòpia Raman, després de filtar-les, confirma la presència de partícules de grafè monocapa en les suspensions aquoses que contenen quantitats mínimes de surfactant.


El grafeno está compuesto per una capa de carbono de tan sólo un átomo de grosor, agrupados en una matriz hexagonal. Se puede entender como una de les láminas que forman el grafito. Se lo ha nombrado como el material maravilloso del siglo XXI debido a sus excepcionales propiedades i las aplicaciones potenciales que se derivan de ellas. Actualmente, se puede comprar depositado sobre distintos sustratos, principalmente por “Chemical Vapour Deposition” (CVD), y partículas o suspensiones formadas per plaquitas de grafeno obtenidas por exfoliación de grafito. La producción de grafeno por CVD resulta en capas poli-cristalinas de gran calidad, en relación a su estructura mono-capa, la baja densidad de defectos y su pureza. Por contra, en los materiales exfoliados prácticamente no hay control sobre la medida o el número de capas que se traduce en suspensiones de grafeno multi-capa o grafito muy delgado y, en muchos casos, con un elevado contenido de oxígeno. Esta tesis se enfoca a la síntesis de un nuevo tipo de producto de grafè, en concreto, una suspensión de partículas de grafeno sintético de gran calidad con una estructura mono-capa y una distribución de medida de partícula muy estrecha i controlable. Para conseguir este objetivo, se tienen que combinar varios avances en la síntesis y transferencia de grafeno sintético. En primer lugar, se ha diseñado y construido un reactor CVD capaz de producir grafeno mono-capa y se han estudiado las condiciones que, en conjunción con restricciones de caudal dentro el reactor, permiten controlar la medida de los granos del grafeno. En segundo lugar, se ha desarrollado un método simple, robusto y repetible basado en la oxidación foto-catalítica del cobre a través de los límites de grano del grafeno con el fin de calcular la medida de los granos. Finalmente, se ha sintetizado grafeno sobre sustratos con grandes áreas superficiales y se ha transferido directamente a suspensiones con, y sin, tenso-activo mediante procesos electroquímicos. Las muestras de grafeno a lo largo del trabajo se han caracterizado mediante técnicas de microscopia óptica, SEM, AFM i espectroscopia Raman. THz-TDS se ha utilizado tanto para determinar y estudiar la calidad del grafeno, así como, per avaluar la influencia de la medida de grano en la conductividad a los THz. A demás, la conductividad del grafeno se ha medido mediante contactos metálicos micro-fabricados. Estos han permitido medir grafè a través de varias distancias y, también, a través de un único límite de grano y dentro de islas de grafeno mono-capa y bi-capa. La caracterización de les suspensiones de grafeno sintético mediante efecto Tyndall y espectroscopia Raman, después de filtrarlas, confirma la presencia de partículas de grafeno mono-capa en las suspensiones acuosas que contienen cantidades mínimas de surfactante.


Graphene is a one-atom thick layer of carbon, tightly packed in a hexagonal lattice. It can be seen as each one of the layers that form graphite. It has been called the wonder material of the XXI century, because it has amazing properties that opens the possibility for many applications. Presently, it can be found in the market as both films deposited on different substrates, mainly by Chemical Vapour Deposition (CVD), and particles or suspensions consisting of graphene platelets produced by exfoliation of graphite. CVD graphene results in polycrystalline films commonly of high quality, in relation to monolayer structure, low density of defects and purity. On the other hand, exfoliated materials show almost no control over the size nor the number of layers which results in suspensions of multilayer graphene or even thin graphite flakes, often with high oxygen content. This thesis is aimed at synthesizing a new kind of graphene product, consisting of a suspension of synthetic graphene flakes of high quality, monolayer structured with narrow and controllable particle size distributions. To achieve this goal, different developments on graphene synthesis and transfer methods have been combined. First, a CVD reactor was built, able to produce monolayer graphene and experimental conditions to tailor graphene grain size were studied using gas flow restrictions inside the reactor. Second, a simple, robust and repetitive method based on photocatalytic oxidization of copper through graphene’s grain boundaries was developed in order to measure graphene grain size. Finally, graphene was deposited onto high area copper substrates and subsequently transferred to suspension using an electrochemical approach with and without surfactants. Graphene samples are characterized throughout the work by optical microscopy, SEM, AFM and Raman Spectroscopy. To evaluate the quality of produced graphene samples, THz Time Domain Spectroscopy (THz-TDS) was also used and the influence of grain size on the THz conductivity was explored. Moreover, electrical contacts were microfabricated to allow the measurement of graphene conductivity across several lengths as well as across single grain boundaries and monolayer and bilayer islands. Characterization using Tyndall effect and Raman spectroscopy after filtration of synthetic graphene suspensions, confirms that monolayer graphene flakes can be found on aqueous suspension containing minimal amounts of surfactant.

Keywords

Graphene; CVD; Grain size; Grain Boundaries; Grafeno

Subjects

546 - Inorganic chemistry; 66 - Chemical technology. Chemical and related industries

Knowledge Area

Enginyeria, indústria i construcció

Documents

Tesi_Bernat_Sempere.pdf

11.71Mb

 

Rights

ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.

This item appears in the following Collection(s)