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Type: Dissertação de Mestrado
Title: High-pressure Raman study of graphene: a spectroscopic evidence for the diamondol
Authors: Luiz Gustavo Pimenta Martins
First Advisor: Luiz Gustavo de Oliveira Lopes Cancado
First Referee: Ariete Righi
Second Referee: Helio Chacham
Abstract: Nessa dissertação investigou-se o efeito de altas pressões sobre o espectro Raman de bicamadas de grafeno CVD depositadas sobre substratos de Teflon. Para tanto, foi utilizada uma célula de bigorna de diamante (DAC) com água como meio transmissor de pressão. Os espectros foram obtidos com excitação em 488 nm e 532 nm. Inicialmente foi feito um estudo detalhado das propriedades eletrônicas e vibracionais do grafeno, bem como da interação entre essas. Em seguida investigou-se o processo de Espalhamento Raman e as origens da banda G no grafeno, assim como as perturbações causadas a essa banda por efeitos de dopagem e distorção (strain). Obteve-se um valor númerico para a dispersão da banda G em função da pressão igual a 5 cm1=GPa através de uma combinação de análise teórica e resultados experimentais. Este valor está de acordo com observações experimentais para amostras de grafeno suspenso sujeitas a altas pressões. Os resultados do experimento fornecem fortes evidências da ocorrência de uma transição de fase de uma estrutura sp2 para uma estrutura híbrida sp2 sp3 ocorrida entre 5 6 GPa. A transição é reversível com a redução da pressão. As principais evidências para essa transição foram o deslocamento para maiores frequências (!G) e a diminuição da largura a meia altura da banda G (G) com o aumento da energia de excitação do laser e a mudança de regime da curva !G P. Foi proposto que a estrutura com hibridização sp3 tem origem na formação do diamondol, um diamante hidroxilado bidimensional formado por duas camadas de átomos de carbono hibridizadas em sp3. Foi levantada a hipótese de que a camada superior sofreu uma hidroxilação entre 5 6 GPa, seguida de um descolamento do diamondol do substrato de Teflon em 9:5 GPa, resultando em uma hidroxilação da camada inferior. Essa hipótese é consistente com os dados obtidos das variações de !G e G em funcção da pressão, que permitem inferir o conteúdo de carbono sp3 do sistema, e com o fato de o grafeno realmente ter se descolado do substrato de Teflon em algumas regiões após a abertura da DAC. Para testar a hip´otese do diamondol, mono e bicamada de grafeno CVD sobre um substrato de Teflon foram submetidas a altas pressões usando água e Nujol (óleo mineral) respectivamente, como meios transmissores de pressão. Não foram observadas dispersão na banda G, mudança no regime da curva !G P, nem mudança de G com excitação do laser em nenhuma das amostras, o que corrobora com a hipótese do diamondol. Observou-se também o surgimento de uma nova banda em torno de 620 cm1 a pressões superiores a 1 GPa e as possíveis origens dessa banda foram discutidas. Se a hipótese do diamondol for confirmada, esse trabalho irá abrir novas perspectivas para a s´ntese de materiais bidimensionais através de experimentos de alta pressão.
Abstract: In this dissertation, the e ect of high pressures on double transferred CVD graphene sitting on a Teflon substrate were investigated via Raman spectroscopy in a diamond anvil cell (DAC) using water as the pressure transmitting media (PTM). The Raman spectra were acquired with both 488 nm and 532 nm excitation light sources. Initially, a detailed study of the electronic and vibrational properties of graphene, as well as the interaction between them, was performed. Then, an investigation on the origin of the G band in graphene was carried out, as well as the perturbations to this band caused by strain and doping. A numerical value for the slope of G band frequency with pressure (@!G=@P) of 5 cm1=GPa was obtained via a combination of theoretical analysis and experimental data. This value agrees with experimental observations for free-standing graphene samples subjected to high pressures. The results provide strong evidence of a phase transition from a sp2 to a sp2 sp3 mixed structure at 5 6 GPa, reversible upon pressure release. The main evidences were the blueshift of the G band frequency (!G) and the decrease of G bands full width at half maximum (G) with increasing excitation energy, and the change of r´egime of the !G P curve. Based on the experimental data, we propose the formation of diamondol, a 2D hydroxylated diamond consisting of two layers of sp3 carbon. We hypothesized that the top layer was hydroxylated at 5 6 GPa, followed by a detachment of the diamondol from the Teflon substrate at 9:5 GPa, which in turn led to the hydroxylation of the bottom layer. This hypothesis is consistent with the sp3 content of the system inferred from the variation of !G and G data, and with the fact that graphene was found to be detached from the Teflon substrate in some regions after the DAC was opened and the water evaporated. To test the diamondol hypothesis, mono and double layer CVD graphene sitting on a Teflon substrate were compressed using water and Nujol (mineral oil) as PTMs, respectively. No dispersion of the G band, change in the !G P curve or any net decrease in G with excitation energy were observed for both systems, corroborating with the diamondol hypothesis. The rise of a new band at 620 cm1 under 1 GPa and above was also observed, and possible origins for this band were proposed. If the diamondol hypothesis is confirmed, this work will open up directions for synthesizing new 2D materials with remarkable properties via high pressure experimental routes.
Subject: Deposição química de vapor
Renormalização
Espectroscopia de Raman
Grafeno
language: Inglês
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9ZHHFP
Issue Date: 30-Mar-2015
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