Laser assisted development of graphene and transition metal dichalcogenide nanomaterials
Authors: Σάββα Κυριακή 
Published: September 2021

Τα δισδιάστατα υλικά με πάχος ατομικής κλίμακας συμπεριλαμβανομένου του γραφενίου, έχουν προσελκύσει σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω των εξαίρετων φυσικών τους ιδιοτήτων. Σε αυτή τη διατριβή εισάγουμε νέες μεθόδους με βάση το λέιζερ για τη σύνθεση 1D και 2D νανοϋλικών βασισμένων σε γραφένιο και διχαλκογενή μέταλλα μετάπτωσης.Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε τη φωτοχημική τροποποίηση του οξειδίου του γραφενίου με χρήση λέιζερ για οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις και ηλεκτρονικές εφαρμογές. Γίνεται αναφορά σε μια απλή και γρήγορη μέθοδο με χρήση λέιζερ για την αναγωγή, τον εμπλουτισμό και την τροποποίηση του οξειδίου του γραφενίου. Η φωτοχημική μέθοδος που αναπτύξαμε για την ταυτόχρονη αναγωγή και τον εμπλουτισμό του οξειδίου του γραφενίου βασίζεται στην υπεριώδη ακτινοβολία λέιζερ παρουσία πρόδρομων αερίων όπως το χλώριο (Cl2) και την αμμωνία (NH3).Αποδεικνύεται ότι μερικά δευτερόλεπτα ακτινοβολίας είναι αρκετά για τον εμπλουτισμό του πλέγματος του οξειδίου του γραφενίου, καθώς τα επίπεδα εμπλουτισμού και αναγωγής μπορούν εύκολα να ελεγχθούν με τη μεταβολή του χρόνου έκθεσης ακτινοβολίας. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για την τοπική τροποποίηση τρανζίστορ οξειδίου του γραφενίου με χρήση λέιζερ. Επιπλέον η γρήγορη αυτή μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγωγή και τον εμπλουτισμό νανοφύλλων οξειδίου του γραφενίου. Ρυθμίζοντας το χρόνο έκθεσης στην ακτινοβολία λέιζερ, μπορούμε να ελέγξουμε τα επίπεδα εμπλουτισμού και αναγωγής και επομένως να προσαρμόσουμε το έργο εξόδου (WF) των νανοφύλλων GO-Cl σε μέγιστη τιμή 5,23 eV, η οποία ταιριάζει με το επίπεδο HOMO των περισσότερων δοτών πολυμερών που χρησιμοποιούνται σε οργανικές φωτοβολταϊκές διατάξεις. Επιπλέον παρουσιάζεται μια τεχνική σχεδίασης με λέιζερ συμβατή με εύκαμπτα και ευαίσθητα στη θερμοκρασία υποστρώματα για την παραγωγή μεγάλης επιφάνειας ανηγμένου οξειδίου του γραφενίου μικροπλέγματος ηλεκτροδίων. Το σχέδιο του πλέγματος ελέγχεται με ακρίβεια προκειμένου να ενισχυθεί σημαντικά η διαπερατότητα του ηλεκτροδίου με μικρή αύξηση της αντίστασης και επομένως να βελτιωθεί η συχσέτιση διαπερατότητας και αγωγιμότητας των στρωμάτων ανηγμένου οξειδίου γραφενίου. Το ανηγμένο οξείδου του γραφενίου μικροπλέγμα χρησιμοποιείται ως διαπερατό αγώγιμο ηλεκτρόδιο σε εύκαμπτες φωτοβολταϊκές διατάξεις επιτυγχάνοντας απόδοση 3,05%, την υψηλότερη τιμή που αναφέρθηκε για οργανικά φωτοβολταϊκά ενσωματωμένα με ηλεκτρόδια με βάση το γραφένιο.Η μελέτη των ανόργανων νανοδομών φουλερενίων (IF) και ανόργανων νανοσωλήνων (INTs) έχει γνωρίσει ιδιαίτερη προσοχή στην παγκόσμια επιστημονική έρευνα. Πραγματοποιήθηκε σύνθεση πολυάριθμων IF και INTs για ποικίλες εφαρμογές ιδιαίτερα ως λιπαντικά. Στόχος της παρούσας διατριβής η διερεύνηση και η ανάπτυξη νέων οδών φιλικών προς το περιβάλλον για τη σύνθεση δομών IF και INTs. Για το σκοπό αυτό παρουσιάζουμε απλές τεχνικές με χρήση λέιζερ. Συγκεκριμένα, η έκθεση μίγματος διχαλκογενών μετάλλων μετάπτωσης (TMDs) και Pb σε έντονη ακτινοβολία λέιζερ καθώς και η αποδόμηση υλικού από στόχους MX2 με την τεχνική εναπόθεσης παλμικού λέιζερ (PLD). Θεωρείται μια φωτοθερμική και φωτοχημική μέθοδος όπου οι υψηλές θερμοκρασίες και η αλληλεπίδραση του λέιζερ με το στόχο οδηγούν στη σύνθεση διαφορετικών νανοδομών. Βάση των δυνατοτήτων της τεχνολογίας των λέιζερ οι τεχνικές αυτές μπορούν να αναπτυχθούν περαιτέρω για την ανάπτυξη και διαμόρφωση νανοδομών σε επιλεγμένες επιφάνειες όπως για παράδειγμα οι «λοφώδεις» μικροδομές πυριτίου (spikes) για ποικιλία εφαρμογών.