Ανάπτυξη και πειραματική μελέτη ηλεκτροχημικών διατάξεων με βάση το γραφένιο
Authors: Πατεράκης Γεώργιος 
Published: September 2022

Ο σκοπός της συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των ηλεκτρικών, θερμικών και αντιδιαβρωτικών ιδιοτήτων του γραφενίου, μέσω της χρήσης του σε κατάλληλες διατάξεις και εφαρμογές. Η ανάλυση των λειτουργικών χαρακτηριστικών των διατάξεων, παρέχει τη δυνατότητα της μελέτης των ιδιοτήτων των γραφενικών υλικών που τις δομούν, ενώ παράλληλα, κατευθύνει την κατάλληλη τροποποίησή τους για τη βελτιστοποίηση των λειτουργικών χαρακτηριστικών των διατάξεων.Στα πλαίσια της διατριβής χρησιμοποιήθηκε γραφένιο που προήλθε από δύο διαφορετικές μεθόδους σύνθεσης: (α) τη χημική εναπόθεση ατμών (CVD γραφένιο) και (β) τη χημική αποφλοίωση του γραφίτη (GO). Το κάθε ένα από αυτά έχει διαφορετικές ιδιότητες και είναι κατάλληλο για διαφορετικές εφαρμογές. Εκτός αυτού όμως, και τα δύο είδη γραφενίου τροποποιήθηκαν περαιτέρω, με σκοπό τη μεταβολή και τη μελέτη των ιδιοτήτων τους μέσω διαφορετικών εφαρμογών. Στην περίπτωση του CVD γραφενίου, αναπτύσσονται διάφανες θερμαντικές διατάξεις, μέσω των οποίων εξετάζεται η επίδραση της νόθευσης του γραφενικού πλέγματος στις ηλεκτρικές, θερμικές και οπτικές ιδιότητές του. Αντίστοιχα, στην περίπτωση του GO, αναπτύσσονται γραφενικού τύπου αντιδιαβρωτικές επιστρώσεις σε μεταλλικά υποστρώματα, μέσω των οποίων μελετάται η επίδραση της τροποποίησης της δομής του GO, στη δημιουργία φραγμού στη διαπερατότητα μορίων και τη χημική σταθερότητά του.Αρχικά, στο θεωρητικό μέρος της διατριβής, αναλύονται οι βασικές έννοιες σχετικά με το γραφένιο (Κεφάλαιο 1), τις θερμαντικές διατάξεις (Κεφάλαιο 2) και τη διάβρωση των μετάλλων (Κεφάλαιο 3), ενώ στο Κεφάλαιο 4 γίνεται αναφορά στην πειραματική μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την πραγματοποίηση των μετρήσεων. Στη συνέχεια, στο πρώτο μέρος των αποτελεσμάτων (Μέρος Ι, Κεφάλαια 5 και 6), μελετώνται οι ιδιότητες των γραφενικών υλικών μετά από τη σύνθεσή τους καθώς και μετά από τις αντίστοιχες τροποποιήσεις, ενώ στο δεύτερο μέρος (Μέρος ΙΙ, Κεφάλαια 7 και 8) μελετώνται ιδιότητές τους μέσω των λειτουργικών χαρακτηριστικών των αντίστοιχων διατάξεων. Στο τελευταίο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 9) παρατίθενται συγκεντρωτικά όλα τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη μελέτη των γραφενικών υλικών και των ιδιοτήτων τους.Στην περίπτωση του CVD γραφενίου, εξετάζονται αρχικά τα μορφολογικά και φασματοσκοπικά χαρακτηριστικά του, στα στάδια της σύνθεσής του σε υποστρώματα χαλκού και αφότου μεταφερθεί σε διαφορετικά υποστρώματα, με σκοπό τη μείωση των ατελειών του πλέγματος, που είναι υπεύθυνες για την υποβάθμιση των ιδιοτήτων του. Αντίστοιχα, εξετάζεται διεξοδικά η διεπιφανειακή σύνδεση του γραφενίου με το πολυμερικό στρώμα μεταφοράς, τόσο μακροσκοπικά όσο και στη νανοκλίμακα. Παράλληλα, μελετάται η ενέργεια πρόσφυσης συναρτήσει της θερμοκρασίας, έως τους 200 °C. Η μελέτη της διεπαφής των δύο υλικών συμβάλει στη σταθερότητα της δομής του γραφενίου και στην περαιτέρω μείωση των ατελειών του πλέγματος. Παράλληλα, η μεταβολή των ιδιοτήτων του γραφενίου εξετάζεται μέσω της νόθευσής του με τη χρήση υδατικών διαλυμάτων χλωριδίων των μετάλλων (FeCl3, CuCl2 και AuCl3). Από τη μελέτη αυτή, φαίνεται η αλληλεπίδραση του γραφενίου με τα διαφορετικά νοθευτικά μόρια που σχηματίζονται στην επιφάνεια του πλέγματός του, καθώς και η σημαντική μεταβολή που επιφέρουν στις ιδιότητές του.Περαιτέρω διερεύνηση των ιδιοτήτων του CVD γραφενίου γίνεται μέσω των διάφανων θερμαντικών διατάξεων, οι οποίες αναπτύσσονται σε διαφορετικές σειρές ανάλογα με τις διαστάσεις, τον αριθμό των φύλλων του γραφενίου και τη μέθοδο εφαρμογής της νόθευσης σε αυτά. Από τον ηλεκτροθερμικό χαρακτηρισμό που ακολουθεί, προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα για την αξιολόγηση της νόθευσης του γραφενίου και των μεταβολών που παρέχουν τα διαφορετικά νοθευτικά μόρια στις ιδιότητές του. Αντίστοιχα συμπεράσματα προκύπτουν και από τη μακροσκοπική ανάλυση των λειτουργικών χαρακτηριστικών διατάξεων, σχετικά με τη σταθερότητα της λειτουργίας τους, συναρτήσει του χρόνου και την κατανομή της θερμοκρασίας στη δομή τους, που είναι επακόλουθο των ιδιοτήτων του γραφενίου.Στην περίπτωση του GO αναπτύσσεται μια νέα μέθοδο χημικής σύνθεσης, με σκοπό τη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του, για την ανάπτυξη αντιδιαβρωτικών επιστρώσεων. Κατά τη σύνθεση του GO, οι τροποποιήσεις των ιδιοτήτων του έχουν άμεση σχέση με την τροποποίηση της δομής του ως προς το μέγεθος των φύλλων, τον βαθμό αποφλοίωσης και την παρουσία των οξυγονούχων ομάδων στο πλέγμα του. Ενώ παράλληλα, η απόδοση στην παραγόμενη ποσότητα ήταν αρκετά υψηλή.Η διερεύνηση των αντιδιαβρωτικών ιδιοτήτων των GOs εξετάζεται μέσω της ανάπτυξης αντιδιαβρωτικών επιστρώσεων στην επιφάνεια μεταλλικών υποστρωμάτων. Αρχικά, αναπτύσσονται αντιδιαβρωτικές επιστρώσεις σε μεταλλικά υποστρώματα, που διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το πάχος (από μερικά nm έως ~1 μm) και το υλικό. Οι επιστρώσεις αποτελούνται είτε αποκλειστικά από GOs ή από επιστρώσεις νανοσύνθετων υλικών GOs. Εν συνεχεία, εξετάζεται η βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων των επιστρώσεων από GOs, μέσω της αναγωγής τους μετά την επίστρωση. Στην περίπτωση των λεπτών επιστρώσεων, εξετάζεται η προστατευτική επίδραση που μπορούν να παρέχουν τα GOs, κατά της διάβρωσης σε φύλλα αλουμινίου. Οι ανηγμένες μορφές του GO παρουσιάζουν υψηλά ποσοστά προστασίας του αλουμινίου, σε περιβάλλον H2SO4 0.5 M και LiClO4 1M, και αρκετά υψηλότερα ποσοστά συγκριτικά με εμπορικά διαθέσιμα δείγματα. Παράλληλα, στις επιστρώσεις πάχους ~1 μm, μελετάται η αντιδιαβρωτική δράση διαφορετικών ανηγμένων μορφών του GO, στην προστασία από τη διάβρωση του αλουμινίου, του χαλκού και του σιδήρου, σε περιβάλλον H2SO4 0.5 M και NaCl 3.5 %. Από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων των παραπάνω επιστρώσεων, εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα για τη δυνατότητα τροποποίησης του GO μετά την επίστρωση του, καθώς και για τη μεταβολή των ιδιοτήτων του. Tέλος, εξετάζεται η προστατευτική δράση νανοσύνθετων εποξειδικής ρητίνης με την προσθήκη θερμικά διογκωμένου και ανηγμένου GO κατά της διάβρωσης του χαλκού, όπου προκύπτει σημαντική αύξηση του βαθμού προστασίας της εποξειδικής ρητίνης με την προσθήκη μόλις 0.1 wt. % γραφενικού υλικού.