Estudo da interação do hidrogênio molecular com dispositivo de grafeno e sua aplicação em sensores de gás
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Rodrigo Gribel Lacerda
Juan Carlos González Pérez
Wagner Nunes Rodrigues
Fernando Lázaro Freire Júnior
Rodrigo Garcia Amorim
Juan Carlos González Pérez
Wagner Nunes Rodrigues
Fernando Lázaro Freire Júnior
Rodrigo Garcia Amorim
Resumo
Este trabalho tem como objetivo estudar a interação do hidrogênio molecular (H2) com
transistores de efeito de campo de grafeno. Demonstramos que o H2 dopa localmente o grafeno
nas proximidades da heterojunção formada por grafeno-contato. Além disso, esta interação é
fortemente dependente das características da interface metal-grafeno. Ao investigar diferentes
tipos de contatos metálicos, sendo estes Au, Au/Cr, Au/TiOx e Au/Cr2O3, observa-se que eles
podem estar tanto fortemente quanto fracamente acoplados ao grafeno eletrostaticamente.
Deste modo, para contatos fortemente acoplados ao grafeno, a exposição ao H2 gera uma
inversão na assimetria das curvas de resistência em função do potencial de porta. Esta assimetria
nas curvas é observada para todos os casos estudados na ausência de H2 em que os contatos
metálicos estão projetados sobre o grafeno na geometria invasiva. Sua origem vem da dopagem
local gerada pela diferença entre as funções trabalho do grafeno e contato, somada a dopagem
eletrostática gerada pela aplicação do potencial de porta. O hidrogênio molecular, neste caso,
modula a junção p-n formada na interface, que causa a inversão da assimetria observada.
Contudo, para contatos fracamente acoplados ao grafeno, a exposição ao hidrogênio se
manifesta com a formação de um segundo ponto de neutralidade de cargas. Propusemos neste
trabalho que este fenômeno acontece devido ao desacoplamento entre as funções trabalho do
grafeno e contatos metálicos, de tal modo que a densidade de portadores tanto na região do
canal de condução quanto na região dos contatos metálios pode ser modulada pela aplicação do
potencial de porta, gerando os dois pontos de neutralidade. Estudamos a relação desse
fenômeno com a geometria do dispositivo, com a concentração de hidrogênio e temperatura de
exposição. Os resultados mostram uma dopagem completamente reversível induzida pelo gás
em todas as condições de interface estudadas. Esse comportamento aponta uma forma
controlada de criar uma junção p-n em grafeno, que gera uma variação significativa de
resistência, explorada no desenvolvimento de sensores de hidrogênio com alto desempenho
Abstract
This work aims to study the interaction of molecular hydrogen with graphene field
effect transistors. We show that H2 generates a local doping in graphene in the vicinity of the
heterojunction formed by graphene-contact. Moreover, this interaction is strongly dependent
on the characteristics of the metal-graphene interface. When investigating different types of
metal contacts, being these Au, Au / Cr, Au / TiOx and Au /Cr2O3, it is observed that they can
be both strongly and weakly coupled to electrostatically graphene. Thus, for contacts strongly
coupled to graphene, the exposure to hydrogen generates an inversion in the asymmetry of the
resistance curves as a function of the gate voltage. The asymmetry in the curves in the absence
of H2 is observed for all cases studied in which the contacts are projected on graphene in the
invasive geometry. Its origin comes from the local doping generated by the difference between
the work functions of the graphene and contact, in addition to the electrostatic doping generated
by the application of the gate voltage. The hydrogen, in this case, acts modulating the pn
junction formed at the interface, causing the inversion of the observed asymmetry. While for
contacts weakly coupled to graphene, exposure to hydrogen manifests itself with the formation
of a second charge neutrality point. We propose in this work that this phenomenon happens due
to the decoupling between the work functions of graphene and metallic contacts, such that the
carrier density in both the conduction channel region and the region of the metal contacts can
be modulated by applying the gate potential, generating the two charge neutrality points. We
studied the relationship of this phenomenon with the geometry of the device, also with the
hydrogen concentration and exposure temperature. The results indicate a completely reversible
gas induced doping under all interfaces conditions under study. This behavior indicating a
controlled way of creating a p-n junction in graphene, generating a significant variation of
resistance that will be explored in the development of high-performance hydrogen sensors.
Assunto
Sensores de gás, Grafeno, Nanomateriais
Palavras-chave
Sensores de gas, Grafeno, Nanomateriais