Processamento térmico de grafeno e sua síntese pela técnica de epitaxia por feixes moleculares

Abstract

O grafeno é um material que apresenta propriedades físicas e químicas superiores aos materiais tradicionalmente utilizados na fabricação de diferentes dispositivos. Porém, para substituir tais materiais, é imprescindível o conhecimento e controle de processos de adsorção e incorporação de diferentes compostos na superfície do grafeno, crescido ou transferido, sobre diferentes substratos. A investigação da síntese e caracterização de filmes de grafeno com a finalidade de controlar as propriedades físico-químicas e elétricas é um esforço da comunidade científica atualmente. Nesse trabalho, tivemos o objetivo de investigar o processamento térmico do grafeno em vapor de água e em óxido nítrico e sua síntese pela técnica de MBE, caracterizando as estruturas resultantes através de técnicas de análise por feixes de íons, espectroscopia de fotoelétrons e espectroscopia Raman. No caso do processamento em vapor de água, as amostras foram submetidas a tratamentos térmicos em ampla faixa de temperatura (200-1000°C), sendo possível distinguir três diferentes regimes de interação do grafeno com a água. A baixas temperaturas de processamento (200-400°C), nenhuma modificação considerável é observada. Na faixa entre 400-500°C, a estrutura plana do grafeno é corrugada para acomodar os novos grupamentos funcionais formados. A partir de 600°C, os domínios cristalinos diminuem e observa-se alto nível de dopagem oxidativa. Já no processamento em NO, evidenciou- se a introdução de N na rede cristalina e etching do grafeno em altas temperaturas. Quanto ao crescimento de grafeno sobre substratos de Si3N4 e AlN(0001) por MBE, este trabalho mostrou a viabilidade de se obter filmes de nanografeno com uma taxa de crescimento de 1 monocamada por minuto, onde a qualidade cristalina do filme formado e a espessura dependem do tempo de crescimento.

Graphene is a material which presents physical and chemical properties superior than the materials traditionally used in different devices. In order to use graphene rather than those materials, it is necessary to understand and control the adsorption process and incorporation of different compounds on graphene, grown or transferred, on different substrates. The scientific community has made efforts to control the physicochemical and electrical properties of graphene films. The objective of thesis is to investigate the physicochemical modifications of graphene induced by annealing in water vapor and nitric oxide and to grow graphene by MBE. Resulting structures were characterized by ion beam analysis, x-ray spectroscopy and Raman spectroscopy. Concerning samples treated in water vapor, annealings were performed at temperatures ranging from 200 to 1000ºC. Results evidence three different regimes with respect to annealing temperature. In the low temperature range (200–400°C), no prominent modification of graphene itself is observed. At higher temperatures (400–500°C), to accommodate newly formed oxygen functionalities, the flat and continuous sp2 bonding network of graphene is disrupted, giving rise to a puckered layer. For 600°C and above, shrinking of graphene domains and a higher doping level take place. Regarding graphene processing in NO, results show N incorporation in graphene crystal network and etching of graphene at higher temperatures. Concerning graphene synthesis on Si3N4 and AlN(0001) by MBE, this work demonstrates the feasibility of growing nanographene with a growth rate of one monolayer per minute. In addition, the crystal quality of the films and their thickness depends on growing time.