TU Darmstadt / ULB / TUprints

Nanocarbon Devices and Sensors

Kumar, Sandeep (2022):
Nanocarbon Devices and Sensors. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00021384,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Nanocarbon Devices and Sensors
Language: English
Abstract:

Nanocarbon materials have the potential to substitute the silicon in devices that are needed to further improve in terms of scalability, speed of operation, and performance. Therefore, carbon nanotubes and graphene - allotropes with outstanding properties have been intensively explored over the years. This thesis contributes to the synthesis of nanocarbon materials and its use as sensing and transistor material by focusing on the topics: hysteresis in carbon nanotube field-effect transistors, selective molecule sensing with graphene field-effect transistors, and sensing applications in nanocrystalline graphene. Hysteresis in carbon nanotube transistors has limited its utility in large-scale device implementation. The issue of hysteresis in such device structures is addressed. A hysteresis-free device operation is achieved by packaging the carbon nanotube field-effect transistors between hexagonal boron nitride and a hydrophobic polymer Teflon. The findings indicate that hysteresis is eradicated only if the metal-carbon nanotube contacts along with the tubes are completely encapsulated with Teflon. The time dependence of reducing hysteresis for encapsulated devices indicates out-diffusion of water molecules adsorbed at the metal-nanotube contacts. Graphene field-effect transistors suffer the issue of selectivity applications. A novel sensor based on graphene field-effect transistor and surface-mounted metal-organic frameworks is demonstrated. The sensor shows sensitivity and selectivity to ethanol molecules by the shift in Dirac voltage of graphene and is insensitive to other alcohols like methanol and isopropanol, and molecules like CO2, H2O, H2. The device performance shows a detection limit of 100 ppm levels. This class of sensors is tailorable and opens up a completely new range of sensors. Nanocrystalline graphene is an interesting material for several sensing applications like strain sensing, moisture sensing, gas sensing, etc. In order to be investigated as strain sensor, thin films should be either grown or transferred on flexible substrates. This motivated the study of the low-temperature synthesis (600°C) process using a metal capping layer over a carbon source. Raman spectroscopy is used to characterize the grown films. The results indicate this technique promising for a low-temperature NCG synthesis. Next, thin-film transfer technique on flexible substrate is studied. The quality of transferred films on different substrates is confirmed by atomic force microscopy. Next, influence of temperature on conductivity of thin films of NCG is investigated. Piezoresistive property of nanocrystalline graphene is explored based on changes in sheet resistance of the film and Raman spectroscopy. Finally, a potential application is demonstrated where a top (ionic liquid) gate field effect configuration of NCG works as a moisture sensor.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Nanokohlenstoffmaterialien haben das Potenzial, Silizium in Geräten zu ersetzen, die in Bezug auf Skalierbarkeit, Betriebsgeschwindigkeit und Leistung weiter verbessert werden müssen. Daher wurden Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen - Allotrope mit herausragenden Eigenschaften - in den letzten Jahren intensiv erforscht. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Synthese von Nanokohlenstoffmaterialien und ihrer Verwendung als Sensor- und Transistormaterial, indem sie sich auf folgende Themen konzentriert: Hysterese in Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistoren, selektive Molekülsensorik mit Graphen-Feldeffekttransistoren und Sensoranwendungen in nanokristallinem Graphen. Die Hysterese in Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistoren hat ihren Nutzen bei der Implementierung von Geräten in großem Maßstab eingeschränkt. Das Problem der Hysterese in solchen Bauelementen wird behandelt. Ein hysteresefreier Bauelementbetrieb wird erreicht, indem die Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistoren zwischen hexagonalem Bornitrid und einem hydrophoben Polymer Teflon verpackt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Hysterese nur dann beseitigt wird, wenn die Metall-Kohlenstoffnanoröhrchen-Kontakte zusammen mit den Röhren vollständig mit Teflon eingekapselt werden. Die Zeitabhängigkeit der Verringerung der Hysterese bei gekapselten Bauteilen deutet auf die Ausdiffusion von Wassermolekülen hin, die an den Metall-Nanoröhrchen-Kontakten adsorbiert sind. Graphen-Feldeffekttransistoren leiden unter dem Problem der Selektivität von Anwendungen. Ein neuartiger Sensor auf der Grundlage von Graphen-Feldeffekttransistoren und oberflächenmontierten metallorganischen Gerüsten wird vorgestellt. Der Sensor zeigt Empfindlichkeit und Selektivität für Ethanolmoleküle durch die Verschiebung der Dirac-Spannung von Graphen und ist unempfindlich für andere Alkohole wie Methanol und Isopropanol und Moleküle wie CO2, H2O und H2. Die Leistung der Vorrichtung zeigt eine Nachweisgrenze von 100 ppm. Diese Sensorklasse ist anpassbar und eröffnet eine völlig neue Palette von Sensoren. Nanokristallines Graphen ist ein interessantes Material für verschiedene Sensoranwendungen wie Dehnungssensoren, Feuchtigkeitssensoren, Gassensoren usw. Um als Dehnungssensor untersucht zu werden, müssen dünne Schichten entweder auf flexible Substrate aufgewachsen oder auf diese übertragen werden. Dies motivierte die Untersuchung des Niedertemperatur-Syntheseprozesses (600°C) unter Verwendung einer Metalldeckschicht über einer Kohlenstoffquelle. Zur Charakterisierung der gewachsenen Schichten wird die Raman-Spektroskopie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Technik vielversprechend für eine Niedrigtemperatur-NCG-Synthese ist. Als nächstes wird die Technik der Dünnschichtübertragung auf ein flexibles Substrat untersucht. Die Qualität der übertragenen Schichten auf verschiedenen Substraten wird durch Rasterkraftmikroskopie bestätigt. Anschließend wird der Einfluss der Temperatur auf die Leitfähigkeit der NCG-Dünnschichten untersucht. Die piezoresistive Eigenschaft von nanokristallinem Graphen wird anhand von Änderungen des Schichtwiderstands des Films und der Raman-Spektroskopie erforscht. Schließlich wird eine potenzielle Anwendung demonstriert, bei der eine Top-Gate-Feldeffekt-Konfiguration (ionische Flüssigkeit) von NCG als Feuchtigkeitssensor funktioniert.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 153 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Molecular Nanostructures
Date Deposited: 19 May 2022 12:04
Last Modified: 19 May 2022 12:04
DOI: 10.26083/tuprints-00021384
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-213845
Referees: Krupke, Prof. Dr. Ralph ; Hofmann, Prof. Dr. Jan Philipp
Date of oral examination: 8 December 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21384
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