Optical spectroscopic studies in the time and frequency domain of graphene and fabricated patterned graphene structures
Authors: Κατσιαούνης Σταύρος 
Published: November 2023

Οι χρόνοι ζωής των φωνονίων είναι σημαντικές φυσικές παράμετροι που παίζουν κρίσιμο ρόλο στη διάδοση φωνονίων και στη θερμική αγωγιμότητα των δισδιάστατων υλικών. Παρά την εκτεταμένη έρευνα σχετικά με τη δυναμική των φωνονίων σε φωτοδιεγερμένο γραφένιο από το 2008, υπάρχουν ακόμα ανοιχτά ερωτήματα που πρέπει να απαντηθούν. Για παράδειγμα, δεν έχει πραγματοποιηθεί στη βιβλιογραφία πριν την παρούσα εργασία, διεξοδική έρευνα της δυναμικής των φωνονίων σε πολυκρυσταλλικό γραφένιο που παράγεται μέσω της μεθόδου χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) σε συνδυασμό με μια άμεση σύγκριση με δείγματα αποφλοιωμένου μονοκρυσταλλικού γραφενίου. Επιπρόσθετα, έχει λάβει περιορισμένη προσοχή στη βιβλιογραφία, η επίδραση της ηλεκτρονικής νόθευσης στη διάρκεια ζωής των φωνονίων στο γραφένιο. Στο πλαίσιο της παρούσας μελέτης, αναπτύχθηκε μια μοναδική διάταξη φασματοσκοπίας Raman χρονικής ανάλυσης με σκοπό να εξεταστεί πώς διάφορες παράμετροι, όπως η μέθοδος παραγωγής, ο αριθμός των στρωμάτων, το υπόστρωμα και το επίπεδο της ηλεκτρονικής νόθευσης, επηρεάζουν τη δυναμική των G οπτικών φωνονίων στο γραφένιο. Η εν λόγω έρευνα, αποκάλυψε ότι η παρουσία υποστρώματος μειώνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του G οπτικού φωνονίου στο μονοστρωματικό γραφένιο. Για δύο και τρία στρώματα αποφλοιωμένου γραφενίου, παρατηρήθηκε ότι ο χρόνος ζωής του G οπτικού φωνονίου προσεγγίζει αυτόν του γραφίτη (≈2,2 ps που αντιστοιχεί σε ≈2,4 cm-1). Σε δείγματα CVD γραφενίου ο χρόνος ζωής του G οπτικού φωνονίου εμφανίζεται σταθερά χαμηλότερος σε σύγκριση με δείγματα αποφλοιωμένου, κυρίως λόγω της παρουσίας στην κρυσταλλική του δομή διαφόρων δομικών ατελειών όπως πτυχώσεις και όρια κόκκων. Προσδιορίστηκε επίσης η ισχύς σύζευξης ηλεκτρονίου-φωνονίου του γραφίτη στους 10.6 cm-1, η οποία βρίσκεται σε εξαιρετική συμφωνία με σχετικές θεωρητικές προβλέψεις. Επιπλέον, διενεργήθηκε ενδελεχής έρευνα της δυναμικής των G οπτικών φωνονίων σε δείγματα γραφενίου πριν και μετά από ηλεκτρονική νόθευση με οπές. Παρατηρήθηκε περίπου 14% μείωση στη διάρκεια ζωής του G οπτικού φωνονίου σε επίπεδα ηλεκτρονικής νόθευσης έως και EF= 270 meV κάτω από το σημείο Dirac. Επίσης, παρατηρήθηκε μείωση κατά 30% στη σταθερά σύζευξης ηλεκτρονίου-φωνονίου, λΓ, των δειγμάτων CVD γραφενίου σε σύγκριση με το αποφλοιωμένο. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι η σκέδαση των G οπτικών φωνονίων από τις δομικές ατέλειες της κρυσταλλικής δομής αποτελεί σημαντική συνεισφορά στο εύρος της Raman κορυφής G σε δείγματα CVD γραφενίου. Ακολουθώντας μία διαφορετική ερευνητική κατεύθυνση, διερευνήθηκε ο σχηματισμός νανοπορών στο γραφένιο μέσω ακτινοβόλησης της κρυσταλλικής δομής του σε συνθήκες περιβάλλοντος με υπερβραχείς παλμούς laser ενέργειας χαμηλότερης από το κατώφλι αποδόμησης. Το εν λόγω φαινόμενο δεν είχε διερευνηθεί διεξοδικά πριν από την παρούσα μελέτη. Οι υπάρχουσες μέθοδοι για τη δημιουργία νανοπόρων σε φύλλα γραφενίου αντιμετωπίζουν προκλήσεις σχετικά με την επεκτασιμότητα και το κόστος. Στην παρούσα μελέτη προτείνεται μία νέα τεχνική για την κατασκευή πόρων νανοκλίμακας (10-40 nm) σε μεμβράνες CVD γραφενίου η οποία αντιμετωπίζει αυτά τα προβλήματα. Το δίκτυο των νανοπόρων οπτικοποιήθηκε και ποσοτικοποιήθηκε χρησιμοποιώντας Μικροσκοπία Ατομικής Δύναμης (AFM) και Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM). Η φασματοσκοπία Raman χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για να συσχετίσει τη νανοδιάτρητη περιοχή με φασματοσκοπικά χαρακτηριστικά. Τέλος, η εν λόγω ερευνητική δραστηριότητα οδήγησε στην υποβολή και απονομή διπλώματος ευρεσιτεχνίας από τον Οργανισμό Βιομηχανικής Ιδιοκτησίας Ελλάδος με τίτλο "Τρισδιάστατη οπτική μνήμη βασισμένη στο γραφένιο».