Синтеза и карактеризација течно ексфолираног графена за примену у детекцији влажности ваздуха

Abstract

Влажност ваздуха представља веома важан фактор за људско здравље и индустријске процесе, тако да су сензори за њено одређивање константно у фокусу научних истраживања. Главни предмети проучавања су принципи мерења влажности ваздуха, односно претварања влажности ваздуха у електрични сигнал, као и различити материјали за детекцију молекула воде у ваздуху. У овој дисертацији је описан економичан и скалабилан начин израде танких слојева графена и испитивана је њихова примена за детекцију водене паре. Материјали коришћени у оквиру ове докторске дисертације се у целокупном тексту називају графеном, уз назначене одређене специфичности у процесу њихове синтезе. Појам графена користи се у ширем смислу, односно није у питању идеални, једнослојни графен већ материјали сложеније структуре, са различитим дефектима, већим бројем слојева и кисеоничним група, као што ће бити приказано у наставку. Оваква структура материјала је и очекивана и у сагласности са одабраним начином синтезе. Графен коришћен за израду сензора је добијен из течне фазе, применом три различите методе течне ексфолијације. Коришћене су технике ултразвучног сонирања помоћу ултразвучне кадице и ултразвучне сонде, као и електрохемијско раслојавање. Добијени раствори садрже слојеве односно, љуспице графена које су дисперговане у растварачу N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP). Љуспице се из раствора преносе на чврсте подлоге методом Лангмир-Блоџет, која представља једноставну и ефикасну технику за добијање графенских филмова димензија ≈ 1 cm × 1 cm. Исти метод је примењен за све три врсте дисперзије графена. Дебљина добијених графенских филмова је у опсегу од ≈ 2 nm до ≈ 10 nm. Микроскопском карактеризацијом, методама микроскопије атомских сила и скенирајућом електронском микроскопијом, је утврђена површинска расподела графенских љуспица на подлози. Латералне димензије љуспица се креће у опсегу од ≈ 100 nm до ≈ 1500 nm и зависе од примењеног поступка ексфолијације. Применом фотоелектронске спектроскопије X зрака и енергијски дисперзивне спектроскопије Х зрачења утврђен је хемијски састав. Показано је да сва три коришћена филма имају удео кисеоника са најмање 17%, док је удео угљеника већи од 70% и зависи од начина добијања. Одзив графенских филмова на присуство водене паре је посматран праћењем промене електричне отпорности филмова, мерењем у конфигурацији са два или четири контакта. Испитивани графенски сензори реагују на промене влажности ваздуха у опсегу од 10% до 90% релативне влажности, при чему је одзив линеаран, а време одзива и опоравка веома кратко, у интервалу од ≈ 20 ms до ≈ 400 ms што их чини погодним за праћење дисања и детекција прста где је одзив у реалном времену неопходан. Резултати праћења дисања јасно указују на могућност сензора да прати динамику дисања, попут брзог, нормалног и спорог. Успешно је изведен и експеримент праћења удаљености прста, са детекцијом удаљености у реалном времену до максималних ≈ 10 mm од сензора.

Air humidity is a very important factor for human health and industrial processes. Therefore, sensors for its determination are constantly in the focus of scientific research. The main subjects of study are the principles of measuring air humidity, i.e. transducing humidity into an electrical signal, as well as different materials for detecting water molecules in air. In this dissertation, an economical and scalable method of producing thin layers of graphene is described, as well as the application of those layers for water vapor detection. Materials used in this doctoral dissertation are referred throughout the text as graphene, with certain specificities that indicate the process of their synthesis. The term of graphene is used in a broader sense, it is not an ideal, single-layer graphene, but materials with a complex structure, with different defects, a great number of layers and oxygen groups, as will be shown below. The structure of this materials is expected and in compliance with the chosen method of synthesis. The graphene used to make the sensors was obtained from the liquid phase, using three different methods of liquid-phase exfoliation: ultrasound-assisted exfoliation in a bath and with a probe, as well as electrochemical exfoliation. The obtained dispersions contain layers, i.e. flakes of graphene dispersed in the solvent NMethyl-2-pyrrolidone (NMP). The flakes are transferred from the dispersions to solid substrates using the Langmuir-Blodgett method, a simple and effective technique for obtaining graphene films with dimensions of ≈ 1 cm × 1 cm. The same method was applied for all three types of graphene dispersions. The thickness of the obtained graphene films ranges from ≈ 2 nm to ≈ 10 nm. The distribution of graphene flakes on the substrate was determined by microscopic characterization with atomic force microscopy and scanning electron microscopy. The lateral dimensions of the flakes range from ≈ 100 nm to ≈ 1500 nm and depend on the exfoliation procedure. The chemical composition was determined using X-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. It was determined that all three types of films have an oxygen content of at least 17%, while the carbon content is greater than 70% and depends on the method. The response of graphene films to the presence of water vapor was observed by monitoring the change in electrical resistance of the films, measured in a configuration with two or four contacts. The graphene sensors react to changes in air humidity in the range from 10% to 90% relative humidity, with a linear response and very short response and recovery timeс, in the interval from ≈ 20 ms to ≈ 400 ms, which makes them suitable for breathing monitoring and finger proximity detection, where real-time response is essential. Breathing tracking clearly indicates the ability of the sensor to track breathing dynamics, such as fast, normal and slow. Finger proximity tracking experiments were also successfully performed, with real-time proximity detection up to a maximal distance of ≈ 10 mm from the sensor.