Protecting graphene from atmospheric dopants with the use of an organic self-assembled monolayer

Lander Verstraete
Grafeen: van wondermateriaal to­t langdurig stabiele toepassingenMet de ontdekking van grafeen in 2004 werd, voor het eerst in de geschiedenis, een 2D materiaal geproduceerd. Dit merkwaardige materiaal trok meteen de aandacht van wetenschappers over de hele wereld omwille van zijn werkelijk ongeziene eigenschappen. Al snel werden tal van potentiële revolutionaire toepassingen voorgesteld, gaande van sterke en lichte materialen tot flexibele touchscreens en ultrasnelle transistors.

Protecting graphene from atmospheric dopants with the use of an organic self-assembled monolayer

Grafeen: van wondermateriaal to­t langdurig stabiele toepassingen

Met de ontdekking van grafeen in 2004 werd, voor het eerst in de geschiedenis, een 2D materiaal geproduceerd. Dit merkwaardige materiaal trok meteen de aandacht van wetenschappers over de hele wereld omwille van zijn werkelijk ongeziene eigenschappen. Al snel werden tal van potentiële revolutionaire toepassingen voorgesteld, gaande van sterke en lichte materialen tot flexibele touchscreens en ultrasnelle transistors. Vooral op het gebied van elektronica heeft grafeen het potentieel een ware technologische revolutie te veroorzaken. De integratie van grafeen in elektronische toepassingen vormt echter ook ernstige uitdagingen. Zo zijn grafeengebaseerde elektronische toepassingen niet stabiel wanneer deze worden blootgesteld aan de atmosfeer. Dit wordt toegeschreven aan de aanwezigheid van zuurstof en water in de buurt van het grafeenoppervlak. Wanneer deze moleculen adsorberen op het grafeenoppervlak, zorgt een proces genaamd dopering ervoor dat de elektronische eigenschappen van het grafeen sterk beïnvloed worden. In dit eindwerk werd daarom onderzocht of een zelf-geassembleerde pentacontaanlaag in staat is om het grafeenoppervlak te passiveren.

Wat is grafeen?

Grafeen is een 2D materiaal opgebouwd uit enkel koolstofatomen gerangschikt in een honinggraatstructuur. In feite is grafeen niets anders dan één grafietlaagje, zoals iedereen er wellicht al meerdere heeft geproduceerd wanneer hij/zij aantekeningen maakte met een potlood. Gedurende lange tijd werd echter verondersteld dat 2D materialen niet konden bestaan in een 3D wereld. De officiële ontdekking ervan in 2004 kwam dan ook als een ware schok voor de wetenschappelijke wereld, waarbij een volledig nieuw onderzoeksdomein werd geopend, namelijk dat van 2D materialen.

Wat maakt grafeen zo bijzonder?

Sinds zijn ontdekking heeft grafeen de wetenschappelijke wereld keer op keer met verstomming geslagen met de onthulling van werkelijk ongeziene eigenschappen. Zo is grafeen niet enkel het dunste materiaal ter wereld, het is tevens vrij elastisch en tot 100 maal sterker dan staal. Dit maakt grafeen uitermate geschikt voor het produceren van ultrasterke en toch vederlichte materialen. Toeval of niet, maar de Servische nummer 1 van de wereld, Novak Djokovic, won eerder dit jaar het tennistoernooi van Wimbledon met een raket gebaseerd op grafeentechnologie.

Wat grafeen echt bijzonder maakt, is zijn unieke elektronische structuur met een elektronische mobiliteit tot 100 maal hoger dan het conventionele silicium. Grafeen wordt daarom vaak bestempeld als het materiaal bij uitstek voor de productie van de volgende generatie transistors, het hart van elke computer. Als grafeen zijn verwachtingen kan waarmaken, spreken we binnenkort misschien niet langer van ‘Silicon Valley’, maar van ‘Graphene Valley’. Andere veelbelovende toepassingen zijn flexibele touchscreens, transparante elektrodes voor verbeterde zonnecellen en LED-verlichting, ultragevoelige gassensoren, etc.

Het lijstje aan bijzondere eigenschappen en mogelijke toepassingen reikt nog veel verder, maar het is nu al duidelijk dat grafeen zijn naam als ‘wondermateriaal’ niet heeft gestolen. De ontdekkers van grafeen werden daarom in 2010, niet onverwacht, bekroond met de Nobelprijs Fysica.

De uitdagingen

Grafeen mag dan wel bestempeld worden als een wondermateriaal, het heeft nog een lange weg af te leggen vooraleer het zal zorgen voor een technologische revolutie. Ondanks het feit dat grafeen van lagere kwaliteit reeds gebruikt wordt als composietmateriaal voor het verstevigen van een select aantal producten, blijft het wachten op de eerste wereldschokkende toepassing.

Dit laatste kan enkel gerealiseerd worden wanneer de bijzondere eigenschappen van grafeen ten volle benut kunnen worden, en daar schuilt het grootste probleem. Grafeen van hoge kwaliteit kan op dit moment enkel op laboschaal geproduceerd worden. Wanneer grafeen echter de markt wil veroveren, zal het erop aankomen dit hoogkwalitatieve grafeen ook op grotere schaal te kunnen produceren. Bovendien mag de productieprijs de kwalitatieve meerwaarde van de toepassing niet overschrijden om economisch rendabel te zijn.

Een bijkomende uitdaging vormt de productie van langdurig stabiele toepassingen. De hoge gevoeligheid van grafeen voor geadsorbeerde moleculen aan z’n oppervlak maakt het enerzijds mogelijk ultragevoelige gassensoren te ontwikkelen, anderzijds leidt dit ook tot onstabiele en ongecontroleerde eigenschappen. Wanneer grafeen wordt blootgesteld aan de atmosfeer, veranderen zijn elektronische eigenschappen drastisch ten gevolge van een proces genaamd dopering.

Oppervlaktepassivering

Het hoeft weinig betoog dat commerciële grafeentoepassingen langdurige stabiliteit aan de atmosfeer vereisen. Hier biedt oppervlaktepassivering een mogelijke oplossing. Dit houdt in dat een dunne laag materiaal wordt aangebracht op het grafeenoppervlak, die een fysische barrière vormt tussen zuurstof en water uit de atmosfeer enerzijds en het grafeen anderzijds. Deze aanpak moet het mogelijk maken om de langdurige prestaties van grafeengebaseerde elektronische toepassingen te verbeteren.

Van cruciaal belang hierbij is dat de gekozen passiveringslaag zelf de elektronische eigenschappen van het grafeen niet verstoort. Hiervoor werd geopteerd voor een zelf-geassembleerde pentacontaanlaag. Omwille van zijn chemische structuur – pentacontaan is een lineair alkaan bestaande uit 50 koolstofatomen – verstoort pentacontaan de elektronische eigenschappen van grafeen niet. Bovendien kan pentacontaan vrij eenvoudig worden aangebracht op het grafeenoppervlak, simpelweg door onderdompelen van grafeen in sterk verdunde tolueenoplossingen. Tijdens het onderdompelen zorgt een fundamenteel chemisch proces, genaamd zelf-assemblage, ervoor dat hoogkwalitatieve netwerken van pentacontaan gevormd worden aan het oppervlak.

Ten slotte werd het oppervlaktepassiveringspotentieel van dergelijke pentacontaanlaag getest. Het bleek technisch echter vrij ingewikkeld om de invloed van atmosferische deeltjes op het gepassiveerde grafeenoppervlak te testen. Daarom werd gekozen voor het aanbrengen van amines op het gepassiveerde grafeenoppervlak. Van amines is namelijk geweten dat het sterke doperingsmiddelen voor grafeen zijn, net zoals zuurstof en water uit de atmosfeer. Metingen toonden aan dat door het passiveren van het grafeenoppervlak met pentacontaan het doperingseffect veroorzaakt door de amines zo goed als volledig vermeden kan worden.

Samengevat kan er dus gesteld worden dat het passiveren van grafeen door middel van een zelf-geassembleerde pentacontaanlaag een groot potentieel vertoont om langdurig stabiele toepassingen te realiseren. Op deze manier vormt dit onderzoek een stapje in de richting van de commerciële doorbraak van grafeen en de technologische revolutie die daarmee wordt verondersteld gepaard te gaan.

Bibliografie

Aguirre, C.M. et al., 2009. The role of the oxygen/water redox couple in suppressing electron conduction in field-effect transistors. Advanced Materials, 21(30), pp.3087–3091.

Anon, File:AFM schematic (EN).svg - Wikimedia Commons. Available at: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:AFM_schematic_(EN).svg [Accessed April 30, 2015a].

Anon, The Nobel Prize in Physics 2010. Available at: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/ [Accessed May 16, 2015b].

Balandin, A.A., 2011. Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials. Nature materials, 10(8), pp.569–581.

Banwell, C.N. & McCash, E., 1994. Fundamentals of molecular spectroscopy 4th ed.,

Bao, W. et al., 2010. Lithography-free fabrication of high quality substrate-supported and freestanding graphene devices. Nano Research, 3(2), pp.98–102.

Berger, C. et al., 2006. Electronic confinement and coherence in patterned epitaxial graphene. Science, 312(5777), pp.1191–1196.

Binnig, G. et al., 1982. Surface studies by scanning tunneling microscopy. Physical Review Letters, 49(1), pp.57–61.

Binnig, G., Quate, C. & Gerber, C., 1986. Atomic force microscope. Physical Review Letters, 56(9), pp.930–933.

Binnig, G. & Rohrer, H., 2000. Scanning tunneling microscopy. IBM JOURNAL OF RESEARCH AND DEVELOPMENT, 44(1-2), pp.279–293.

Blake, P. et al., 2007. Making graphene visible. Applied Physics Letters, 91(6).

Bonaccorso, F. et al., 2010. Graphene photonics and optoelectronics. Nature Photonics, 4(9), pp.611–622.

Bruna, M. et al., 2014. Doping dependence of the Raman spectrum of defected graphene. ACS Nano, 8(7), pp.7432–7441.

Chakrapani, V. et al., 2007. Charge transfer equilibria between diamond and an aqueous oxygen electrochemical redox couple. Science, 318(5855), pp.1424–1430.

Chen, J.-H. et al., 2008. Intrinsic and extrinsic performance limits of graphene devices on SiO2. Nature nanotechnology, 3(4), pp.206–209.

Cheng, Z. et al., 2011. Toward intrinsic graphene surfaces: a systematic study on thermal annealing and wet-chemical treatment of SiO2-supported graphene devices. Nano letters, 11(2), pp.767–771.

Cyr, D.M. et al., 1996. Functional group identification in scanning tunneling microscopy of molecular adsorbates. Journal of Physical Chemistry, 100(32), pp.13747–13759.

Dan, Y. et al., 2009. Intrinsic response of graphene vapor sensors. Nano Letters, 9(4), pp.1472–1475.

Das, A. et al., 2008. Monitoring dopants by Raman scattering in an electrochemically top-gated graphene transistor. Nature nanotechnology, 3(4), pp.210–215.

Dean, C.R. et al., 2010. Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. Nature nanotechnology, 5(10), pp.722–726.

Du, X. et al., 2008. Approaching ballistic transport in suspended graphene. Nature nanotechnology, 3(8), pp.491–495.

Elias, D.C. et al., 2009. Control of graphene’s properties by reversible hydrogenation: evidence for graphane. Science, 323(5914), pp.610–613.

Ferrari, A.C. et al., 2006. Raman spectrum of graphene and graphene layers. Physical Review Letters, 97(18).

Garcia, R. & Pérez, R., 2002. Dynamic atomic force microscopy methods. Surface Science Reports, 47, pp.197–301.

Geim, A.K. & Novoselov, K.S., 2007. The rise of graphene. Nature Materials, 6(3), pp.183–191.

Giancarlo, L.C. et al., 2000. Molecular photography in the undergraduate laboratory: identification of functional groups using scanning tunneling microscopy. Journal of Chemical Education, 77(1), pp.66–71.

Gilbert, E.P., White, J.W. & Senden, T.J., 1994. Evidence for perpendicular n-alkane orientation at the liquid/graphite interface. Chemical Physics Letters, 227(4-5), pp.443–446.

Grosso, D., 2011. How to exploit the full potential of the dip-coating process to better control film formation. Journal of Materials Chemistry, 21(43), pp.17033–17038.

Van Haesendonck, C., Course material: scanning probe microscopy.

Hwang, E., Adam, S. & Sarma, S., 2007. Carrier transport in two-dimensional graphene layers. Physical Review Letters, 98(18).

Ishigami, M. et al., 2007. Atomic structure of graphene on SiO2. Nano letters, 7(6), pp.1643–1648.

Jalili, N. & Laxminarayana, K., 2004. A review of atomic force microscopy imaging systems: application to molecular metrology and biological sciences. Mechatronics, 14, pp.907–945.

Jee, H.G. et al., 2009. Pentacene as protection layers of graphene on SiC surfaces. Applied Physics Letters, 95(9), pp.57–60.

Jiang, D. & Chen, Z., 2013. Graphene chemistry: theoretical perspectives 1st ed., John Wiley & Sons, Ltd.

Kang, C.G. et al., 2013. Mechanism of the effects of low temperature Al2O3 passivation on graphene field effect transistors. Carbon, 53, pp.182–187.

Kim, W. et al., 2003. Hysteresis caused by water molecules in carbon nanotube field-effect transistors. Nano letters, 3(2), pp.193–198.

Klekachev, A. V. et al., 2012. SHG/2PF microscopy of single and multi-layer graphene. In R. Jakubiak, M. Eich, & J.-M. Nunzi, eds. Optical Processes in Organic Materials and Nanostructures. SPIE-INT SOC OPTICAL ENGINEERING, 1000 20TH ST, PO BOX 10, BELLINGHAM, WA 98227-0010 USA.

Lafkioti, M. et al., 2010. Graphene on a hydrophobic substrate : doping reduction and hysteresis suppression under ambient conditions. Nano letters, 10(4), pp.1149–1153.

Landau, L., 1937. Zur Theorie der phasenumwandlungen II. Phys. Z. Sowjetunion, 11, pp.26 – 35.

Lee, C. et al., 2008. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science, 321(5887), pp.385–388.

Lee, J. et al., 2012. Multi-finger flexible graphene field effect transistors with high bendability. Applied Physics Letters, 101(25).

Lee, J.E. et al., 2012. Optical separation of mechanical strain from charge doping in graphene. Nature communications, 3(1024).

Lee, S.L. et al., 2014. Forced to align: flow-induced long-range alignment of hierarchical molecular assemblies from 2D to 3D. Journal of the American Chemical Society, 136(11), pp.4117–4120.

Leenaerts, O., Partoens, B. & Peeters, F., 2008. Adsorption of H2O, NH3, CO, NO2, and NO on graphene: a first-principles study. Physical Review B, 77(12).

Lemme, M.C. et al., 2007. A graphene field-effect device. IEEE Electron Device Letters, 28(4), pp.282–284.

Lemme, M.C., 2010. Current status of graphene transistors. Solid State Phenomena, 156-8, pp.499–509.

Levesque, P.L. et al., 2011. Probing charge transfer at surfaces using graphene transistors. Nano letters, 11(1), pp.132–137.

Li, B. et al., 2013. Toward tunable doping in graphene FETs by molecular self-assembled monolayers. Nanoscale, 5(20), pp.9640–9644.

Li, P. et al., 2014. Graphene-based transparent electrodes for hybrid solar cells. Frontiers in Materials, 1(26), pp.1–7.

Li, X. et al., 2008. Chemically derived, ultrasmooth graphene nanoribbon semiconductors. Science, 319(5867), pp.1229–1232.

Li, Z. et al., 2013. Effect of airborne contaminants on the wettability of supported graphene and graphite. Nature Materials, 12(10), pp.925–931.

Liao, L., Bai, J., Qu, Y., et al., 2010. High-kappa oxide nanoribbons as gate dielectrics for high mobility top-gated graphene transistors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107(15), pp.6711–6715.

Liao, L., Bai, J., Cheng, R., et al., 2010. Sub-100 nm channel length graphene transistors. Nano letters, 10(10), pp.3952–3956.

Lilienfeld, J.E., 1930. Method and apparatus for controlling electric currents.

Lim, Y.D. et al., 2012. Si-compatible cleaning process for graphene using low-density inductively coupled plasma. ACS Nano, 6(5), pp.4410–4417.

Liu, Z., Bol, A.A. & Haensch, W., 2011. Large-scale graphene transistors with enhanced performance and reliability based on interface engineering by phenylsilane self-assembled monolayers. Nano Letters, 11(2), pp.523–528.

Long, B. et al., 2012. Non-covalent functionalization of graphene using self-assembly of alkane-amines. Advanced Functional Materials, 22(4), pp.717–725.

Malard, L.M. et al., 2009. Raman spectroscopy in graphene. Physics Reports, 473(5-6), pp.51–87.

Mali, K.S. et al., 2015. Nanostructuring graphene for controlled and reproducible functionalization. Nanoscale, 7(5), pp.1566–1585.

Mattevi, C. et al., 2012. Solution-processable organic dielectrics for graphene electronics. Nanotechnology, 23(34).

Meyer, J.C. et al., 2007. The structure of suspended graphene sheets. Nature, 446(7131), pp.60–63.

Miwa, R.H. et al., 2011. Doping of graphene adsorbed on the a-SiO2 surface. Applied Physics Letters, 99(16), pp.13–16.

Moore, G.E., 1965. Cramming more components onto integrated circuits. Electronics, 38(8).

Morozov, S. et al., 2008. Giant intrinsic carrier mobilities in graphene and its bilayer. Physical Review Letters, 100(1).

Moser, J., Barreiro, A. & Bachtold, A., 2007. Current-induced cleaning of graphene. Applied Physics Letters, 91(16).

Nistor, R.A. et al., 2012. Doping of adsorbed graphene from defects and impurities in SiO2 substrates. Physical Review B, 86(4), pp.1–5.

Novoselov, K.S. et al., 2012. A roadmap for graphene. Nature, 490(7419), pp.192–200.

Novoselov, K.S. et al., 2004. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 306(5696), pp.666–669.

Novoselov, K.S. et al., 2005. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature, 438(7065), pp.197–200.

Partoens, B. & Peeters, F.M., 2006. From graphene to graphite: Electronic structure around the K point. Physical Review B, 74(7).

Peierls, R., 1935. Quelques propriétés typiques des corps solides. Annales de l’institut Henri Poincaré, 5(3), pp.177–222.

Piot, L. et al., 2005. Structural evolution of hexa-peri-hexabenzocoronene adlayers in heteroepitaxy on n-pentacontane template monolayers. Journal of the American Chemical Society, 127(46), pp.16245–16250.

Pirkle, A. et al., 2011. The effect of chemical residues on the physical and electrical properties of chemical vapor deposited graphene transferred to SiO2. Applied Physics Letters, 99(12), pp.28–31.

Prado, M.C. et al., 2011. Two-dimensional molecular crystals of phosphonic acids on graphene. ACS nano, 5(1), pp.394–8.

Reddy, D. et al., 2011. Graphene field-effect transistors. Journal of Physics D: Applied Physics, 45(1).

Reich, S. et al., 2002. Tight-binding description of graphene. Physical Review B, 66(3).

Riedl, C., Coletti, C. & Starke, U., 2010. Structural and electronic properties of epitaxial graphene on SiC(0 0 0 1): a review of growth, characterization, transfer doping and hydrogen intercalation. Journal of Physics D: Applied Physics, 43(37).

Rohr, C. et al., 2011. Predicting the influence of a p2-symmetric substrate on molecular self-organization with an interaction-site model. Chemical communications, 47(6), pp.1800–1802.

Romero, H.E. et al., 2008. n-Type behavior of graphene supported on Si/SiO2 substrates. ACS nano, 2(10), pp.2037–2044.

Ryu, S. et al., 2010. Atmospheric oxygen binding and hole doping in deformed graphene on a SiO2 substrate. Nano letters, 10(12), pp.4944–4951.

Sagade, A.A. et al., 2015. Highly air stable passivation of graphene based field effect devices. Nanoscale, 7(8), pp.3558–3564.

Schedin, F. et al., 2007. Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene. Nature materials, 6(9), pp.652–655.

Schwierz, F., 2010. Graphene transistors. Nature nanotechnology, 5(7), pp.487–496.

Schwierz, F., 2013. Graphene transistors : status , prospects , and problems. Proceedings of the IEEE, 101(7), pp.1567–1584.

Seo, Y. & Jhe, W., 2008. Atomic force microscopy and spectroscopy. Reports on Progress in Physics, 71(1).

Shin, D. et al., 2012. A facile route to recover intrinsic graphene over large scale. ACS nano, 6(9), pp.7781–7788.

Smith, E. & Dent, G., 2004. Modern Raman spectroscopy - a practical approach, John Wiley & Sons, Ltd.

Sur, U.K., 2012. Graphene: a rising star on the horizon of materials science. International Journal of Electrochemistry, 2012.

Tan, Y. et al., 2007. Measurement of scattering rate and minimum conductivity in graphene. Physical Review B, 99(24), pp.10–13.

Vazquez-Mena, O. et al., 2015. Resistless nanofabrication by stencil lithography: a review. Microelectronic Engineering, 132, pp.236–254.

Wallace, P., 1947. The band theory of graphite. Physical Review, 71(9), pp.622–634.

Wang, L. et al., 2012. Negligible environmental sensitivity of graphene in a hexagonal boron nitride/graphene/h-BN sandwich structure. ACS Nano, 6(10), pp.9314–9319.

Wang, L. et al., 2013. One-dimensional electrical contact to a two-dimensional material. Science, 342(6158), pp.614–617.

Wang, Y. et al., 2008. Raman studies of monolayer graphene : the substrate effect. Journal of Physical Chemistry, 112(29), pp.10637–10640.

Warner, J.H. et al., 2012. Graphene: fundamentals and emergent applications,

Wehling, T.O. et al., 2008. Molecular doping of graphene. Nano letters, 8(1), pp.173–177.

Weng, S. et al., 2014. Estimating Young’s modulus of graphene with Raman scattering enhanced by micrometer tip. Nanotechnology, 25(25).

Wu, J. et al., 2010. Organic light-emitting diodes on solution-processed graphene transparant electrodes. ACS Nano, 4(1), pp.43–48.

Xu, B. et al., 2000. Stabilization effect of alkane buffer layer on formation of nanometer-sized metal phthalocyanine domains. The Journal of Physical Chemistry B, 104(45), pp.10502–10505.

Yang, L. et al., 2007. Quasiparticle energies and band gaps in graphene nanoribbons. Physical Review Letters, 99(18).

Ytterdal, T., Cheng, Y. & Fjeldly, T.A., 2003. Device modeling for analog and RF CMOS circuit design,

Zhang, Y. et al., 2005. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene. Nature, 438(7065), pp.201–204.

Zhao, L. et al., 2011. Visualizing individual nitrogen dopants in monolayer graphene. Science, 333(6045), pp.999–1003.

 

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de Chemie
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
Share this on: