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Type: Dissertação
Title: Síntese e caracterização de material de carbono sp2 sem uso de catalisador
Author: Souza, Juliany dos Santos
First Advisor: Fragneaud, Benjamin
Co-Advisor: Maciel, Indhira Oliveira
Referee Member: Campos, Leonardo Cristiano
Referee Member: Dias, Rodrigo Alves
Resumo: Este trabalho tem como objetivo estudar sínteses de grafeno via Deposição Química a Vapor – CVD, sem uso catalisador metálico. Crescemos filmes diretamente em substrato de SiO2/Si. Demonstramos que o crescimento de grafeno sem catalisador não é autolimitado, ou seja, a espessura do filme é fortemente dependente do tempo de crescimento. Investigamos tempo de 3 horas, 2 horas, 1 hora e 30 minutos de síntese, e observamos diferenças significativas nas espessuras e coberturas dos filmes, sendo que em 30 minutos não houve crescimento de material de carbono e com maior tempo, os filmes tendem a ser menos cristalinos em relação a tempos de síntese menores. Com o objetivo de obter filmes mais cristalinos e com cobertura completa do substrato, nós desenvolvemos o método que nomeamos de “gases pulsados”. Este método é inovador, uma vez que desconhecemos outros trabalhos na literatura com aplicação deste método. O fluxo pulsado de gases consiste em um crescimento com tempos de cura ao longo da deposição, quando a inserção do gás precursor de carbono (CH4) é interrompida por períodos intercalados ao longo do crescimento. O que se espera é que haja um maior ordenamento nas ligações entre carbonos para que filmes cristalinos possam ser formados sem a presença de átomos de carbono desordenados. Realizamos sínteses de 3 horas para o fluxo pulsado e testamos três tempos de cura: 1 min, 3 min e 5 min, sendo que para o menor tempo de cura, tivemos filmes parecidos com crescimento em fluxo contínuo e, para o maior tempo de cura, não observamos crescimento de material de carbono. A caracterização dos nossos filmes foi realizada através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia Raman e caracterização elétrica por Efeito Hall. Observamos que o material sintetizado é dopado tipo-p, o que está de acordo com outros trabalhos na literatura. Para exemplificar na prática o interesse deste tipo de síntese, confeccionamos um transistor de efeito de campo (FET – Field Effect Transistor) usando amostras crescidas com fluxos contínuo e pulsado de gás. Varremos uma tensão de porta de a e observamos a variação do nível de Fermi, o aumento da corrente e da condutividade do material sintetizado.
Abstract: This work aims to study graphene synthesis via Chemical Vapor Deposition (CVD) without the use of metallic catalysts. We grew films directly on SiO₂/Si substrates. We demonstrated that catalyst-free graphene growth is not self-limiting; in other words, the film thickness strongly depends on the growth time. We investigated synthesis durations of 3 hours, 2 hours, 1 hour, and 30 minutes, and observed significant differences in film thicknesses and surface coverage. No carbon-based material growth was observed at 30 minutes, and films grown for longer periods tended to be less crystalline compared to those grown for shorter times. In order to obtain more crystalline films with full substrate coverage, we developed a method we named “pulsed gas flow.” This method is innovative, as we are unaware of similar approaches reported in the literature. The pulsed gas flow technique involves growth with curing intervals during deposition, in which the introduction of the carbon precursor gas (CH₄) is periodically interrupted. This approach is intended to promote greater ordering of carbon-carbon bonds, enabling the formation of crystalline films without the presence of disordered carbon atoms. We performed 3-hour syntheses using pulsed flow and tested three different curing times: 1 minute, 3 minutes, and 5 minutes. For the shortest curing time, the resulting films were similar to those grown under continuous flow, while for the longest curing time, no carbon material growth was observed. The characterization of our films was carried out using scanning electron microscopy (SEM), Raman spectroscopy, and electrical characterization via the Hall effect. The synthesized material was found to be p-type doped, in agreement with previous reports in the literature. To demonstrate the practical relevance of this type of synthesis, we fabricated a field-effect transistor (FET) using samples grown under both continuous and pulsed gas flows. We swept the gate voltage from (−30.0±0.1) V to (30.0±0.1) V and observed a shift in the Fermi level, along with an increase in current and conductivity of the synthesized material.
Keywords: Grafeno
Material 2D
CVD
Gás pulsado
Transistor
Graphene
2D material
Pulsed gas flow
Transistor
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/19406
Issue Date: 24-Jun-2022
Appears in Collections:Mestrado em Física (Dissertações)



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