Functionalized epitaxial graphene as versatile platform for air quality sensors
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Applying these methods in laboratory conditions, sensors with a quantitative readout of single ppb benzene and formaldehyde were developed. These results show promise to fill the existing gap of low-cost but highly sensitive and fast gas sensors for air quality monitoring.
Der Fokus dieser Thesis liegt auf der Erforschung von epitaxialem Graphen auf SiC als Plattform f├╝r Luftg├╝tesensoren. Diverse Ans├дtze wurden untersucht, um die Sensitivit├дt, Selektivit├дt, Reaktionsgeschwindigkeit und Stabilit├дt der Sensoren zu verbessern. Die Graphenoberfl├дche wurde unter anderem mit Metalloxid-Nanopartikeln oder nanometerd├╝nnen Schichten funktionalisiert. Die funktionalisierten Sensorschichten wurden hinsichtlich ihrer Oberfl├дchenbeschaffenheit, Unversehrtheit und chemischen Zusammensetzung mittels Rasterkraftmikroskopie und Raman Spektroskopie untersucht. Die Reaktionsenergien zwischen verschiedenen Analyten und Nanopartikel-Graphen-Kombinationen wurden mit Dichtefunktionaltheorie berechnet, um das optimale Material f├╝r spezifische Gase zu finden und um die Brauchbarkeit dieser Funktionalisierungsmethode zu verifizieren. Der Einfluss von ├дu├Яeren Parametern wie Sensortemperatur, Luftfeuchte und UV-Einstrahlung auf die Sensoreigenschaften wurde ebenfalls untersucht. Um die Sensorleistung zu verbessern, wurde die erste zeitliche Ableitung des Sensorwiderstands als zus├дtzliches Signal eingef├╝hrt und ein temperaturzyklischer Betriebsmodus hinsichtlich seiner Eignung erforscht.
Durch die Anwendung dieser Methoden ist es m├╢glich, einzelne ppbs Benzol und Formaldehyd unter Laborbedingungen zu detektieren. Diese Ergebnisse sind vielversprechend, um die bestehende L├╝cke der g├╝nstigen, aber sehr sensitiven Sensoren f├╝r Luftqualit├дts├╝berwachung zu schlie├Яen.
Arbetet som presenteras i denna avhandling fokuserar p├е epitaxiell grafen p├е SiC som en plattform f├╢r luftkvalitetssensorer. Flera tillv├дgag├еngss├дtt har testats och utv├дrderats f├╢r att ├╢ka k├дnsligheten, selektiviteten, responstiden, och stabiliteten hos sensorerna. Grafenytorna har modifierats till exempel med olika metalloxid-nanopartiklar och nanolager med anv├дndning av h├еlkatodsputtring och PLD. De modifierade ytorna unders├╢ktes mot topografi, strukturell integritet och kemisk sammans├дttning med karakteriseringsmetoder som atomkraftsmikroskopi och Ramanspektroskopi. Interaktionsenergier mellan flera analyter och nanopartiklar-grafen- materialkombinationer ber├дknades med t├дthetsfunktionalteori f├╢r att hitta de optimala materialkombinationerna f├╢r specifika m├еlgaser och f├╢r att verifiera anv├дndbarheten av ytmodifieringarna. Effekten av externa faktorer som arbetstemperatur, relativ fuktighet och UV-bestr├еlning p├е avk├дnningsegenskaper unders├╢ktes ocks├е. F├╢r att ytterligare f├╢rb├дttra sensorprestanda introducerades f├╢rsta ordningens tidsderivat av sensorns resistans f├╢r att snabbare utv├дrdera sensorns respons, och ett temperaturcyklat driftl├дge i kombination med multivariat dataanalys unders├╢ktes mot selektivitet.
Genom att anv├дnda dessa metoder under laboratorief├╢rh├еllanden utvecklades sensorer med en kvantitativ avl├дsning av enstaka ppb bensen och formaldehyd. Dessa resultat visar p├е en m├╢jlig l├╢sning f├╢r att fylla det h├еlrum som finns i dagens sensorteknologier f├╢r luftkvalitets├╢vervakning, d├дr flera relevanta gaser i dagsl├дget inte kan m├дtas med kostnadseffektiva men mycket k├дnsliga och snabba gassensorer.
