Functionalized epitaxial graphene as versatile platform for air quality sensors
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Applying these methods in laboratory conditions, sensors with a quantitative readout of single ppb benzene and formaldehyde were developed. These results show promise to fill the existing gap of low-cost but highly sensitive and fast gas sensors for air quality monitoring.
Der Fokus dieser Thesis liegt auf der Erforschung von epitaxialem Graphen auf SiC als Plattform fรผr Luftgรผtesensoren. Diverse Ansรคtze wurden untersucht, um die Sensitivitรคt, Selektivitรคt, Reaktionsgeschwindigkeit und Stabilitรคt der Sensoren zu verbessern. Die Graphenoberflรคche wurde unter anderem mit Metalloxid-Nanopartikeln oder nanometerdรผnnen Schichten funktionalisiert. Die funktionalisierten Sensorschichten wurden hinsichtlich ihrer Oberflรคchenbeschaffenheit, Unversehrtheit und chemischen Zusammensetzung mittels Rasterkraftmikroskopie und Raman Spektroskopie untersucht. Die Reaktionsenergien zwischen verschiedenen Analyten und Nanopartikel-Graphen-Kombinationen wurden mit Dichtefunktionaltheorie berechnet, um das optimale Material fรผr spezifische Gase zu finden und um die Brauchbarkeit dieser Funktionalisierungsmethode zu verifizieren. Der Einfluss von รคuรeren Parametern wie Sensortemperatur, Luftfeuchte und UV-Einstrahlung auf die Sensoreigenschaften wurde ebenfalls untersucht. Um die Sensorleistung zu verbessern, wurde die erste zeitliche Ableitung des Sensorwiderstands als zusรคtzliches Signal eingefรผhrt und ein temperaturzyklischer Betriebsmodus hinsichtlich seiner Eignung erforscht.
Durch die Anwendung dieser Methoden ist es mรถglich, einzelne ppbs Benzol und Formaldehyd unter Laborbedingungen zu detektieren. Diese Ergebnisse sind vielversprechend, um die bestehende Lรผcke der gรผnstigen, aber sehr sensitiven Sensoren fรผr Luftqualitรคtsรผberwachung zu schlieรen.
Arbetet som presenteras i denna avhandling fokuserar pรฅ epitaxiell grafen pรฅ SiC som en plattform fรถr luftkvalitetssensorer. Flera tillvรคgagรฅngssรคtt har testats och utvรคrderats fรถr att รถka kรคnsligheten, selektiviteten, responstiden, och stabiliteten hos sensorerna. Grafenytorna har modifierats till exempel med olika metalloxid-nanopartiklar och nanolager med anvรคndning av hรฅlkatodsputtring och PLD. De modifierade ytorna undersรถktes mot topografi, strukturell integritet och kemisk sammansรคttning med karakteriseringsmetoder som atomkraftsmikroskopi och Ramanspektroskopi. Interaktionsenergier mellan flera analyter och nanopartiklar-grafen- materialkombinationer berรคknades med tรคthetsfunktionalteori fรถr att hitta de optimala materialkombinationerna fรถr specifika mรฅlgaser och fรถr att verifiera anvรคndbarheten av ytmodifieringarna. Effekten av externa faktorer som arbetstemperatur, relativ fuktighet och UV-bestrรฅlning pรฅ avkรคnningsegenskaper undersรถktes ocksรฅ. Fรถr att ytterligare fรถrbรคttra sensorprestanda introducerades fรถrsta ordningens tidsderivat av sensorns resistans fรถr att snabbare utvรคrdera sensorns respons, och ett temperaturcyklat driftlรคge i kombination med multivariat dataanalys undersรถktes mot selektivitet.
Genom att anvรคnda dessa metoder under laboratoriefรถrhรฅllanden utvecklades sensorer med en kvantitativ avlรคsning av enstaka ppb bensen och formaldehyd. Dessa resultat visar pรฅ en mรถjlig lรถsning fรถr att fylla det hรฅlrum som finns i dagens sensorteknologier fรถr luftkvalitetsรถvervakning, dรคr flera relevanta gaser i dagslรคget inte kan mรคtas med kostnadseffektiva men mycket kรคnsliga och snabba gassensorer.
