Estudo da interação do hidrogênio molecular com dispositivo de grafeno e sua aplicação em sensores de gás
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Data de Publicação: | 2019 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFMG |
Texto Completo: | http://hdl.handle.net/1843/31459 |
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 |
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Rodrigo Gribel Lacerdahttp://lattes.cnpq.br/9333015140693096Rodrigo Gribel LacerdaJuan Carlos González PérezWagner Nunes RodriguesFernando Lázaro Freire JúniorRodrigo Garcia Amorimhttp://lattes.cnpq.br/6416599832107470Cintia Lima Pereira2019-12-06T20:52:14Z2019-12-06T20:52:14Z2019-05-09http://hdl.handle.net/1843/31459Este 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 desempenhoThis 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.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoFAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas GeraisCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorporUniversidade Federal de Minas GeraisPrograma de Pós-Graduação em FísicaUFMGBrasilICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICASensores de gásGrafenoNanomateriaisSensores de gasGrafenoNanomateriaisEstudo da interação do hidrogênio molecular com dispositivo de grafeno e sua aplicação em sensores de gásinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGORIGINALCintia_tese_VF.pdfCintia_tese_VF.pdfTese de Doutoradoapplication/pdf4920907https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/31459/1/Cintia_tese_VF.pdf5be99bee68bcf0140a3949535278fd77MD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82119https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/31459/2/license.txt34badce4be7e31e3adb4575ae96af679MD52TEXTCintia_tese_VF.pdf.txtCintia_tese_VF.pdf.txtExtracted texttext/plain219547https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/31459/3/Cintia_tese_VF.pdf.txtc0734762c070789ecb8c44b951c6a271MD531843/314592023-05-24 13:48:08.556oai:repositorio.ufmg.br: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Repositório de PublicaçõesPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oaiopendoar:2023-05-24T16:48:08Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false |
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