Površinska modifikacija grafena eksfoliranog iz tečne baze i deponovanog Langmir-Blodžetovom metodom

Abstract

Metoda eksfolijacije iz rastvora praćena Langmir-Blodžetovom metodom depozicije predstavlja jednostavan i ekonomski isplativ postupak dobijanja tankih filmova 2D materijala. Međutim, ograničavajući faktor primene svih filmova koje se zasnivaju na samoorganizaciji nanostruktura za potrebe optoelektronskih uređaja je velika gustina defekata koja indukuje visoke vrednosti površinske otpornosti. S obzirom da primena u optoelektronskim uređajima zahteva visoku transparenciju i nižu površinsku otpornost od površinske otpornosti filmova grafena eksfoliranog iz tečne faze i deponovanog Langmir-Blodžetovom metodom, neophodna je odgovarajuća površinska modifikacija/funkcionalizacija ovih filmova, koja će njihova električna i optička svojstva prilagoditi zahtevima elektronske industrije. U cilju smanjenja površinske otpornosti filmova grafena primenjena je fotohemijska oksidacija ozonom, funkcionalizacija azotnom kiselinom i termalno odgrevanje. Koja od metoda će biti primenjena prvenstveno zavisi od vrste podloge na koju se filmovi deponuju. Fotohemijska oksidacija je primenjena na filmove na SiO2/Si podlozi, a funkcionalizacija azotnom kiselinom na filmove nanete na polietilen teraftalat (PET), kao transparentnu podlogu od značaja za fleksibilnu elektroniku. Za termalno odgrevanje odabrana je temperature do 250oC, kako bi ova metoda mogla biti primenjena na uzorke nezavisno od podloge na koju su filmovi deponovani. Rezultati primenjenih fizičkohemijskih metoda karakterizacije, kao što su metode vibracione spektrometrije, fotoelektronske spektroskopije X-zracima, UV/VID spektrofotometrije, skenirajuće elektronske mikroskopije i mikroskopije sila Kelvinovom probom su pokazali da dolazi do površinske modifikacije ispitivanih filmova grafena pri fotohemijskoj oksidaciji ozonom i funkcionalizaciji azotnom kiselinom u vidu dopiranja p-tipa kiseoničnim grupama i azotom. Dopiranje filmova grafena dovodi do višestrukog smanjenja površinske otpornosti filmova do nekoliko kΩ/sq, bez promene njihove visoke transparencije. Takođe, pokazano je da velika gustina ivica, kao dominantni tip defekata ovih filmova ima presudnu ulogu u efektima koje primenjene metode površinske modifikacije imaju na filmove.

Liquid phase exfoliation followed by Langmuir-Blodgett assembly is a simple and costeffective method for obtaining large surfaces of thin films of 2D materials. However, the limiting factor for the application of films obtained by self-organization of nanostructures in optoelectronic devices is the high density of defects that causes high sheet resistance. Since the application in optoelectronic devices requires high transmittance and lower sheet resistance then graphene films from liquid phase, deposited with Langmuir-Blodgett method have, it is necessary to apply appropriate surface modification/functionalization of these films, which will adapt their electrical and optical properties to the requirements of the electronic industry. In order to reduce the sheet resistance of the graphene thin films, photochemical ozone oxidation, nitric acid functionalization and thermal treatment were applied. Application of particular method depends primarily of the type of substrate on which the films are deposited. Photochemical oxidation was applied to films on SiO2/Si substrates, and functionalization with nitric acid on PET films as a transparent substrate important for flexible electronics. During thermal heating, the temperature is set to 250oC, so that this method can be applied to samples independently from the substrate on which the films are deposited. The results of the applied physicochemical methods of characterization, such are vibration spectrometry, X-ray photoelectron spectroscopy, UV/VIS spectrophotometry, scanning electron microscopy and Kelvin probe force microscopy showed that surface modification of these films during photochemical oxidation with ozone and functionalization with nitric acid results in p-type doping by oxygen groups and nitrogen. Doping of these films results in a multifold reduction in sheet resistance of the films to a few kΩ/sq, without changing their high transmittance. Furthermore, it has been shown that a large density of edges, as the dominant type of defect of these films, plays a decisive role in the effect that the applied surface modification has on the films.