"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9283
ETF9283 "Alusuuringud grafeeni rakendusteks optoelektroonikas ja optilises gaasisensoorikas (1.01.2012−31.12.2015)", Valter Kiisk, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut.
ETF9283
Alusuuringud grafeeni rakendusteks optoelektroonikas ja optilises gaasisensoorikas
Basic research of graphene for applications in optoelectronics and optical gas sensing
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP260 Tahke aine: elektrooniline struktuur, elektrilised, magneetilised ja optilised omadused, ülijuhtivus, magnetresonants, spektroskoopia1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)100,0
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.201213 706,40 EUR
01.01.2013−31.12.201313 706,40 EUR
01.01.2014−31.12.201413 706,40 EUR
01.01.2015−31.12.201513 706,40 EUR
54 825,60 EUR

Planaarse monoaatomkihilise grafiidilehe — grafeeni — rakendamine optoelektroonikas ja seonduvates valdkondades on hetkel suuresti piiratud raskustega, mis on seotud luminestseeruva grafeeni saamisega (hetkel demonstreeritud vaid spetsiifilise keemilise töötluse tulemina). Sellest lähtuvalt on käesoleva projekti üks põhilisi eesmärke uurida detailselt ühte senikäsitlemata võimalust — lasertöötluse (sh ableerimise) rakendamist kontrollitud atmosfääris luminestseeruvate defektide tekitamiseks grafeenis või grafeenoksiidis. Meetod võimaldaks muuhulgas kontrollida ka defektide ruumilise paiknemist vähemalt 1 mikroni täpsusega. Sellisel viisil loodud kiirgustsentrite olemuse väljaselgitamiseks on kavandatud mikrospektromeetrilised (fotoluminestsents, termoluminestsents, Raman-hajumine) mõõtmised temperatuuridiapasoonis -196...600°C ja SEM/AFM kaardistamine. Eksperimentaalsete tulemuste interpreteerimist toetab defektse grafeeni struktuursete, optiliste ja elektroonsete omaduste ab initio kompuutermodelleerimine. Intensiivse luminestsentsi saamine grafeenist avaks muuhulgas tee grafeeni rakendusteks optilises sensoorikas. Viimane võimaldaks suhteliselt lihtsalt (võrreldes elektrijuhtivusel põhineva sensoriga) kaasata suuremat kogust grafeeni sensori tundlikkuse tõstmiseks. Molekulide adsorptsioon grafeeni pinnal võib avaldada tugevat toimet nii grafeeni enda kiirgusele kui ka energia- või laenguülekandeprotsessidele, mis leiavad aset grafeenaluse ja selle pinnale asetud nanoosakeste vahel. Käesolevas projektis teostatakse süstemaatilised uuringud mitmete adsorbeerunud gaaside (peamiselt O2, CO2 ja CO) mõjust nii grafeeni (või grafeenoksiidi) defektide kiirgusele kui ka grafeeni pinnale asetatud luminestseeruvate nanoosakeste (kvantpunktid, teemandi nanokristallid või haruldaste muldmetallidega aktiveeritud oksiidsed nanoosakesed) kiirgusele ja hinnatakse selliste süsteemide rakenduslikku perspektiivi sensoorikas.
The application of monoatomic layer of graphite — graphene — in optoelectronics and related fields assumes obtaining strong luminescence from graphene which presently have been demonstrated only by applying a specific chemical treatment. Therefore, one of the principal goals of this Project is to investigate in details an alternative solution to the problem — using laser treatment (incl. ablation) to induce luminescent defects in graphene or graphene oxide. The method would permit controlling the placement of defects with spatial resolution better than 1 micron. To clarify the nature of the obtained emission centers in graphene, a number of microspectrometric measurements (photoluminescence, thermoluminescence, Raman-scattering) within temperature range 196...600°C as well as SEM/AFM mapping is planned while the interpretation of experimental results will be supported by ab initio computer modeling of the structural, optical and electronic properties of graphene. Obtaining intensive luminescence from graphene is a prerequisite to employ graphene in optical gas sensing. In this case it would be straightforward (compared to conductivity-based sensing) using larger amounts of graphene flakes to increase the sensitivity. Adsorption of various molecular species on graphene can strongly impact the emission of graphene itself as well as the energy- or charge-transfer processes taking place between graphene substrate and nanoparticles placed on it. Within this Project we intend to carry out systematic study of the influence of a number of adsorbed gases (in particular O2, CO2, CO) on the emission of defective graphene or luminescent nanoparticles (quantum dots, diamond nanocrystals or rare earth activated oxide nanoparticles) placed on graphene and evaluate the perspective of such systems in optical sensing of gases.
Grandiprojekti kandvaks ideeks oli selliste uudsete võimaluste uurimine grafeeni töötlemiseks ja funktsionaliseerimiseks, millel oleks rakenduslik perspektiiv optilistes või fluorestsentsrakendustes. 1) Tehti kindlaks fokuseeritud nanosekundiliste laserimpulsside toime nii laboris kasvatatud kui ka kommertsiaalsetele grafeeninäidistele. Määratud ablatsioonilävi on võrreldav femtosekund-impulsside omaga, kuid teatud keemilised erinevused (tõenäoliselt OH-rühmade sisaldus) võivad oluliselt vähendada ablatsiooniläve UV kiirguse korral. Ablodeeritud grafeeni alas tekib võrdlemisi intensiivne fluorestsents. 2) Demonstreeriti meetodit, mis võimaldab sukelduspindamise teel grafeeni ühtlast dekoreerimist teemandi üksikute fluorestseeruvate nanoosakestega. Selleks rakendati grafeenile ja nanoteemandile erinevaid plasmatöötluseid, et kummagi pinna elektrokineetilist potentsiaali sobival viisil tüürida. 3) Nii teoreetiliselt kui ka eksperimentaalselt uuriti muutuseid defektse või funktsionaliseeritud grafeeni võnkespektris ning lihtsaimate aromaatsete molekulide adsorptsiooni grafeeni pinnale. Teoreetiliselt õnnestus näidata nii tugevate sidemete tekkimist benseeni molekuli adsorptsioonil kui ka süsteemi Raman-spektri olulist muutumist. Nende efektide praktiline rakendamine (nt sensorrakenduste jaoks) nõuab tõenäoliselt eritingimusi, nt kõrgendatud temperatuure või intensiivset UV-kiirgust. 4) Grafeenalusele kantud biomaterjalilt (DNA/RNA nukleotiidid) saadi üllatuslikult tugevasti võimendatud Raman-signaal. Tegemist võib olla resonantse Raman-hajumisega tingituna laenguülekandest grafeenilt biomolekulile. 5) On välja töötatud ja karakteriseeritud mitmesuguseid luminestseeruvaid oksiidseid nanoosakesi ja -struktuure (ZrO2, ZrO2:Eu, YPO4:Nd3+), mis võiksid olla huvipakkuvad grafeeni dekoreerimiseks. ZrO2 ja ZrO2:Eu nanoosakeste luminestsentsil on avastatud tugev sensorefekt ümbritseva hapniku suhtes.