Σύνθεση, χαρακτηρισμός και ιδιότητες διδιάστατων κρυστάλλων
Authors: Αντωνέλου Ασπασία 
Published: September 2021

Παρόλο που τα διδιάστατα (2D) υλικά είναι γνωστά εδώ και δεκαετίες, μεγάλη ώθηση στο πεδίο αυτό δόθηκε από τη συστηματική μελέτη του γραφενίου η οποία ξεκίνησε το 2004 μετά την ελεγχόμενη μηχανική του αποφλοίωση. Παράλληλα, σημαντικό ενδιαφέρον έχει επικεντρωθεί, κυρίως κατά τα τελευταία πέντε χρόνια και σε άλλα διδιάστατα υλικά τα οποία παρουσιάζουν ενδιαφέρουσες ιδιότητες οι οποίες σε αρκετές περιπτώσεις υπερτερούν αυτές του γραφενίου. Δεδομένου ότι οι θεμελιώδεις ιδιότητες που διέπουν τα 2D υλικά έχουν διεξοδικά μελετηθεί και κατανοηθεί, μια από τις μεγαλύτερες τεχνολογικές προκλήσεις σήμερα, αποτελεί η σύνθεση των 2D υλικών σε μεγάλες ποσότητες ή/και η ανάπτυξή τους σε μεγάλες επιφάνειες με ελεγχόμενη ποιότητα στοχευμένη στην επιθυμητή εφαρμογή. Ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα σήμερα είναι η έλλειψη αξιόπιστων μεθόδων για την παραγωγή μεγάλης κλίμακας διδιάστατων κρυστάλλων ελεγχόμενου πάχους, με σκοπό την κάλυψη εκτεταμένων επιφανειών χωρίς να θυσιάζεται η ποιότητα τους εις βάρος της ποσότητας.Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή (ΔΔ) εστιάζεται στην ανάπτυξη μεθοδολογιών σύνθεσης διδιάστατων κρυστάλλων καθώς και σε επιλεγμένες εφαρμογές αυτών. Έμφαση δίνεται σε μεθόδους οι οποίες θα είναι ικανές να παράγουν υλικά υψηλής ποιότητας (καλή κρυσταλλικότητα, μικρή συγκέντρωση ατελειών), να είναι επαναλήψιμες, φιλικές προς το περιβάλλον με την ελαχιστοποίηση της χρήσης χημικών, χαμηλού κόστους και να μπορούν να αναπτυχθούν σε μεγάλη κλίμακα. Στο πλαίσιο αυτό, η έρευνα της παρούσας ΔΔ κινήθηκε σε δυο κύριους άξονες: (α) ανάπτυξη ευέλικτης μεθόδου για την παραγωγή γραφενίου και γραφενικών δομών με χρήση πηγών laser, και (β) ανάπτυξη μεθοδολογίας σύνθεσης διχαλκογενιδίων των μετάλλων μετάπτωσης (ΔΜΜ) με μια απλοποιημένη παραλλαγή της χημικής εναπόθεσης ατμών. Πραγματοποιήθηκε επίσης διερεύνηση ιδιοτήτων που αφορούν σε πιθανές εφαρμογές τους ιδιαίτερα για τα ΔΜΜ.Στην κατεύθυνση της ανάπτυξης αξιόπιστης μεθοδολογίας για την σύνθεση γραφενίου και γενικότερα γραφενικών δομών, η μέθοδος που υιοθετήθηκε βασίζεται στη χρήση πηγών laser. Επιλέχθηκαν τύποι laser οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε ευρείες εμπορικές εφαρμογές και συνεπώς εκτός από χαμηλό κόστος λειτουργίας/συντήρησης είναι βελτιστοποιημένα για χρήση σε βιομηχανικά περιβάλλοντα. Το γραφένιο και οι γραφενικές δομές προήλθαν ως αποτέλεσμα διάσπασης ή τροποποίησης ανόργανων ενώσεων. Συγκεκριμένα, τα υλικά που μελετήθηκαν στην παρούσα ΔΔ περιλαμβάνουν ενώσεις όπως το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), ο γραφίτης, εμπορικά σωματίδια νανοκρυσταλλικού άνθρακα καθώς και το οξείδιο του γραφενίου (GO). Σε κάθε περίπτωση, διεξήχθη βελτιστοποίηση της ποιότητας των γραφενικών δομών με την μεταβολή των παραμέτρων της ακτινοβόλησης. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως παρά την απλότητα της μεθόδου παράγονται υψηλής ποιότητας γραφενικές δομές ακόμα και σε συνθήκες περιβάλλοντος, γεγονός που κατατείνει στην καταλληλόλητα και τη δυναμική της αναπτυχθείσας μεθόδου για πιθανές εφαρμογές. Ειδικότερα στην περίπτωση του GO, επιτεύχθηκε η αποδοτικότερη αναγωγή σε ανηγμένο GO (μικρότερη αντίσταση) σε σχέση με χημικές και θερμικές μεθόδους αλλά και με τεχνικές που κάνουν χρήση laser με βραχύβιους παλμούς.Αναφορικά με την ανάπτυξη μεθοδολογίας σύνθεσης διδιάστατων κρυστάλλων όπως τα ΔΜΜ, το βασικό κίνητρο της παρούσας ΔΔ αποτέλεσε η βελτιστοποίηση των συνθηκών για τη σύνθεση επιλεγμένων 2D κρυστάλλων με ομοιογενή κάλυψη σε μεγάλες επιφάνειες, με έναν απλό, ταχύ και χαμηλού κόστους τρόπο. Η αναπτυχθείσα μεθοδολογία βασίζεται στη χημική εναπόθεση ατμών. Ειδικότερα, χρησιμοποιήθηκαν ως υποστρώματα μεταλλικά φύλλα διαφόρων στοιχείων μετάπτωσης τα οποία εκτέθηκαν σε ατμούς χαλκογενών (S, Se) σε ελεγχόμενη θερμοκρασία. Η μέθοδος είναι γενική, δεν εξαρτάται από το είδος του υποστρώματος, και συνεπώς μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε στοιχείο μετάπτωσης αποδίδοντας ομοιογενή κάλυψη σε κλίμακα υποστρώματος (μερικά cm2). Σε επιλεγμένα από τα διδιάστατα ΔΜΜ που παράχθηκαν με τον τρόπο αυτό, αξιολογήθηκε η καταλυτική τους ικανότητα έναντι των ηλεκτροδίων της Pt. Ειδικότερα, το σύστημα MoS2/Μο χρησιμοποιήθηκε ως βοηθητικό ηλεκτρόδιο σε φωτοβολταϊκές κυψελίδες ευαισθητοποιημένες με χρωστική, έχοντας απόδοση συγκρίσιμη με αυτή του ηλεκτροδίου Pt/FTO.Τέλος στην παρούσα ΔΔ διερευνήθηκε, με την χρήση της χημικής εναπόθεσης ατμών, η σύνθεση και οι οπτικές ιδιότητες κάθετων τοποθετημένων ετεροδομών van der Waals διδιάστατων κρύσταλλων. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη MoS2 πάνω σε h-BN το οποίο είχε προ-αποτεθεί σε υποστρώματα SiO2/Si. Τα αποτελέσματα έδειξαν βελτίωση των οπτικών (και έμμεσα των ηλεκτρονικών) ιδιοτήτων του MoS2 όταν αναπτύσσεται σε υπόστρωμα h-BN.