Estudo das propriedades elétricas e de sensoriamento de H2 em heteroestruturas bidimensionais de grafeno
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Elmo Salomão Alves
Juan Carlos Gonzalez Perez
Benjamin Fragneaud
Ronaldo Junio Campos Batista
Juan Carlos Gonzalez Perez
Benjamin Fragneaud
Ronaldo Junio Campos Batista
Resumo
Grafeno, um material bidimensional (2D) composto apenas por átomos carbono, tem sido largamente estudado devido a suas propriedades elétricas, mecânicas e ópticas. Recentemente, a combinação do grafeno com outros materiais 2D (heteroestruturas de van der Waals) permitiu melhorias na qualidade eletrônica dos dispositivos e a observação de novos fenômenos ópticos e quânticos, impulsionando assim aplicações tecnológicas tais como sensoriamento e armazenamento de dados. No entanto, o uso do grafeno para tais fins, se inicia com o desafio de produzir essas nanoestruturas com qualidade. Desta forma, a proposta deste trabalho consiste na fabricação de heteroestruturas 2D formadas a partir de grafeno e nitreto de boro hexagonal (hBN), com a finalidade de estudar suas propriedades elétricas e visando aplicações em transistores e sensores de gases. Para isso, confeccionamos transistores de efeito de campo de grafeno/hBN e os investigamos em diferentes ambientes (concentrações) de hidrogênio molecular (H2), variando a temperatura até T = 230°C. Nesta tese apresentamos incialmente estudos sobre a influência apenas da temperatura nas propriedades elétricas das heteroestruturas de grafeno/hBN, onde relatamos um comportamento anômalo da sua resistência em T >100°C que compromete a aplicação dos transistores de grafeno. Posteriormente, apresentamos nosso estudo sobre a detecção seletiva de hidrogênio molecular. Discutimos sobre a influência dos contatos metálicos na indução de assimetrias na condução ambipolar dos dispositivos, e propomos um modelo explicando como a inserção de hidrogênio molecular leva a modulação controlada de propriedades eletrônicas dos dispositivos.
Abstract
Graphene, a two-dimensional (2D) material composed only by carbon atoms, has been widely studied due to its electrical, mechanical and optical properties. Recently, the combination of graphene with others 2D materials (van der Waals heterostructures) leaded to improvements of the device quality allowing observation of novel optical and quantum phenomena with potential for technological applications. However, implementing graphene devices in industry is challenging and needs preparation of high quality nanostructures able to operate at desired temperatures and environments. In this thesis we fabricate 2D heterostructures formed by graphene and hexagonal boron nitride (hBN) and we study their electrical properties operating as transistors and selective gas sensors. In our first approach, we show the influence of temperature on the performance of graphene/hBN field effect transistors. Essentially, we observe an anomalous behavior of the resistance of graphene/hBN device at temperatures larger than T = 100°C and we describe how to avoid such problem. Latter, we present our study on selective detection of H2. We investigate the influence of the metallic contacts on the ambipolar conduction of graphene devices, and how heterojunctions formed at graphene/contact interfaces can be modulated via interaction with molecular hydrogen. Such modulation endows to a systematic and reproducible modification of the electronic properties of the graphene devices and can be used as a selective way of detecting molecular hydrogen.
Assunto
Heteroestruturas bidimensionais de grafeno, Grafeno Propriedades elétricas, Grafeno
Palavras-chave
Física