Promotie S.J. Cartamil Bueno: freestanding 2D-materials

18 december 2017 15:00 - Locatie: Aula, TU Delft - Door: webredactie

Freestanding 2D materials and their applications. Promotor 1: Prof.dr. P.G. Steeneken (TNW); Promotor 2: Prof.dr.ir. H.S.J. van der Zant (TNW).

Dit proefschrift vat de resultaten van mijn werk, in samenwerking met andere lokale en internationale onderzoekers samen, over het begrijpen van mechanische apparaten uit vrijstaande grafeen en andere 2D-materialen, en enkele mogelijke toepassingen van deze nano-membranen.

De structuur volgt een dubbel verhaal met twee afgewisselde thema's. Enerzijds is het een chronologische gids van technieken die getest of ontwikkeld zijn, en tegelijkertijd is het een verkenning van verschillende materialen voor specifieke applicaties. Daarom is het proefschrift opgedeeld op basis van toepassingen, welke hoofdstukken bevatten over technieken en over bevindingen die verband houden met het gegeven materiaal.

Na een historische introductie over materialen, gebruikt Chapter 1 het mineraal genaamd graphite om ons door de annalen van wetenschappelijke vooruitgang te begeleiden, om te komen tot de definitie van nanotechnologie en het begrip van wat gelaagde materialen zijn. Van daaruit vervoert een sprong naar de huidige tijd ons naar het huidige begrip van grafeen en andere 2D materialen, gevolgd door hun gebruik in micro-/nano-elektromechanische systemen (M/NEMS).

Application 1: TaSe2 for write-once-read-many (WORM) memory devices bevat Chapter 2. In dit hoofdstuk introduceren we de laserinterferometrie opstelling, om de afhankelijkheid van de mechanische resonantie frequentie op de dikte van tantaaldiselenide (TaSe2) trommelvellen te bestuderen. We zien een continue overgang van plaat- naar membraangedrag bij het verminderen van de dikte van 100 nm tot 6 nm, en we bewijzen het grote effect van stress op de resonantie frequentie van 2D materialen door laser-oxidatie van de dunne membranen. Deze selectieve laseroxidatie is vergelijkbaar met de laseropname van CD-R en DVD-R optische schijven en daarom zou elk van deze TaSe2 NEMS een bit van een WORM-geheugeneenheid (write-once-read-many, eens-schrijven-veel-uitlezen) kunnen zijn. 

Application 2: CVD graphene and h-BN for optomechanic sensing draait om het gebruik van NEMS membranen gemaakt van twee prominente materialen, gemaakt door chemische dampafzetting: dubbellaags grafeen en enkellaags hexagonaal boornitride.

In Chapter 3 voeren we een kleine statistische analyse uit op de fundamentele resonantiefrequentie van CVD DLG trommelvellen om zijn theoretische afhankelijkheid te vinden met de diameter van het apparaat door middel van laserinterferometrie. Variaties van de mechanische resonantie worden toegeschreven aan het verschil in spanning van de membranen, die worden vergeleken met de waarden die worden verkregen door nanoindentaties met een atoomkrachtmicroscoop. De zuiverheid van de drums wordt besproken samen met de drukgeïnduceerde vernietiging van de grotere apparaten. Bovendien wordt de invasieve aard van de lasertechniek als gevolg van het warmte-effect op de metingen blootgelegd door bewijs te leveren van het ontspannen en aanspannen van de membranen en hun fotothermische zelfoscillatie bij hogere laservermogens. Hierdoor kunnen we een nieuwe theorie presenteren die de verwarmingseffecten van de laser op de resonantiefrequentie en kwaliteitsfactor van deze membranen verklaart als functie van thermisch geïnduceerde variatie van de zijwandlengte.

Chapter 4 verkent het gebruik van enkelvoudig h-BN. We vervaardigen trommels van 5 μm in diameter, ontraadselen hun mechanische eigenschappen met de laser- en atoomkrachtmicroscooptechnieken en bestuderen hun gedrag wanneer ze afkoelen op cryogene temperaturen (3 K). Het proces wordt herhaald na een reeks reinigingsstappen om een route te demonstreren die de vervuiling in dit soort fragiele structuren te vermindert, waarbij de anorganische aard van dit materiaal wordt benut. Wij stellen ook een model voor waarin de invloed van temperatuur op de mechanica van bepaalde 2D-materialen op basis van hechting wordt beschreven.

Application 3: CVD graphene for pressure sensing beschrijft de colorimetrietechniek en de toepassingen die we hebben gegeven aan de kleurveranderingen van dubbellaags grafeen trommelvellen.

In Chapter 5 analyseren we verscheidene monsters met enkel- en dubbellaagse grafeen-trommelvellen met verschillende diameters en holtedieptes op zeer grote schaal. Met de colorimetrietechniek hebben we de statistische waarschijnlijkheden verkregen dat een gegeven vorm van het apparaat een drukverschil van 1 atm overleeft. We hebben geconstateerd dat de opbrengst van het aantal apparaten een trend volgt die door een schaalparameter wordt bepaald en dat de overlevingswaarschijnlijkheid aanzienlijk verbetert bij gebruik van twee in plaats van één grafeenlaag. Bovendien hebben we de hechtingsenergie van de dubbellaagsgrafeen ontraadseld door membranen die contact maken met de bodem van hun holtes te bestuderen aan de onderkant van hun holtes te bestuderen.

Chapter 6 legt uit hoe de techniek gebruikt kan worden om de drukgeïnduceerde buiging van de membranen als een functie van de tijd te bepalen en dus hun gasdoorlaatbaarheid te meten. De observatie van de ringen van Newton maakte het mogelijk om het gebied van grote buiging van deze membranen die door de Young's modulus wordt gedomineerd, te onderzoeken. Een blik op het drukverval in het gebied met een kleine buiging liet ons de doorlatendheid van een membraan meten en we vonden dat gasmoleculen sneller uit deze apparaten ontsnapten dan ze gesloten vacuüm holtes in gaan.

Killer application: CVD graphene for interferometry modulation displays (IMOD) introduceert de hoofdinnovatie in dit proefschrift: Grafeen IMODs. Chapter 7 combineert de colorimetrie techniek met elektrostatische actuatie om de dynamische beweging van dubbellaagse grafeenmembranen stroboscopisch te bestuderen. De spanning van de membranen werd niet-invasief bepaald, terwijl we ze met frequenties tot 2 kHz lieten trillen zonder mechanische vertragingen of gasdemping waar te nemen, waardoor de geschiktheid van dit type mechanische pixels voor toepassingen die hoge verversingssnelheden vereisen, bewezen is. De demonstratie van GIMOD-technologie in het Mobile World Congress 2017 in Barcelona diende als een test om het nut van dergelijke displays te valideren, waarbij het een succesvol onthaal in de industrie heeft gehad.

Future Applications (Chapter 8) sluit het proefschrift af met een aantal veelbelovende toepassingen van 2D-materialen voor de komende jaren. Een voortzetting van de studie over grote populaties van grafenen NEMS zal een niet-speculatieve voorspelling geven van de werkelijke toepassingen van dergelijke apparaten voor druk- en gaswaarneming. Statistieken over de doorlaatbaarheid van CVD-grafeen met verschillende lagen kunnen de haalbaarheid van hermetische sensoren of moleculaire zeven onthullen. Bovendien moeten hun optische eigenschappen worden verbeterd om de GIMOD-technologie competitief te maken. Dit kan ook worden gebruikt in andere technologieën die gewichtloze en robuuste materialen vereisen met hoge optische reflectiviteit, zoals lichtzeilen en andere ruimtevaart toepassingen.

Meer informatie?

Voor inzage in proefschriften van de promovendi kunt u kijken in de TU Delft Repository, de digitale vindplaats van openbare publicaties van de TU Delft. Proefschriften zullen binnen een paar weken na de desbetreffende promotie in de Repository te vinden zijn.