Elektrická charakterizace chemických senzorů na bázi grafenu

Abstract

Grafénové senzory vykazujú sľubné schopnosti detekcie rôznych plynov, vďaka jedinečným vlastnostiam grafénu, ako sú jeho elektrická vodivosť, vysoký pomer povrchu k objemu a chemická prispôsobiteľnosť. Ich praktické využitie v súčasnom štádiu vývoja je však náročné. Aj keď grafénové senzory dokážu detegovať rôzne molekuly s vysokým rozlíšením, elektrické charakteristiky grafénu v určitých prostrediach nie sú dobre pochopené. Táto práca poskytuje hĺbkovo spracovanú teóriu detekcie plynov, 2D materiálov využívaných v senzorických aplikáciách a predkladá fyzikálny základ pre grafén, z ktorého sú odvodené princípy ktoré umožňujú grafénu detegovať plyny. Teoretická časť tiež obsahuje zdroje šumu v graféne a nevynecháva viaceré objavy a metódy, ktoré sú veľmi relevantné pre praktické testovanie senzorov plynov založených na 2D materiáloch. Grafénové vzorky pripravené metódou chemickej depozície z plynnej fázy boli testované pod vplyvom izopropylalkoholu, acetónu, vydychovaného plynu, teploty, vlhkosti, viditeľného a UV svetla. Tieto experimenty boli vykonané nezávisle, niektoré v jednosmernej doméne a niektoré v spektrálnej oblasti a pre každý experiment je odvodený samostatný záver. Táto práca poskytuje solídny úvod do teórie detekcie plynov na báze 2D materiálov a počiatočný bod pre kvalitné testovanie grafénových senzorov.

Graphene sensors show promising capabilities in detecting various gases, thanks to the unique properties of graphene, such as its electrical conductivity, high surface area to volume ratio and chemical configurability. Their practical use in the current state of development is difficult. Although graphene sensors can detect various molecules with great resolution, the electrical characteristics of graphene under certain environments is not well understood. This thesis provides an in-depth research of gas sensing theory, 2D materials used in gas sensing applications and it elaborates on graphene physics, to introduce the root mechanisms that allow graphene to sense gases. Theoretical text includes noise sources in graphene and it does not omit several discoveries and methods very relevant to practical 2D material gas sensor testing. Graphene samples prepared by chemical vapor deposition were tested under the effects of isopropylalcohol, acetone, exhaled gas, temperature, humidity, visible and UV light. These experiments were performed independently, some in DC and some in spectral domain and conclusion is derived for each separately. This thesis provides a solid introduction to the theory of gas sensing based on 2D materials and a starting point for good quality graphene gas sensors testing.