Grafén oxid (GO), 2D derivát uhlíku se intenzivně studuje pro své unikátní vlastnosti a potenciální využití v oblasti nano-kompozitů, solárních článků, dotykových panelů, transparentních elektrod, super-kondenzátorů a pro přípravu mikro- či nano- elektronických a optických zařízení. Dokonalá syntéza a ovládnutí vlastností GO otevírá cestu k přípravě nových vysoce sofistikovaných materiálů. Dalším materiálem, který byl studován v této práci je polymetylmetakrylát (PMMA), který je známý pod názvem plexisklo. Rozšířená popularita PMMA souvisí s jeho schopností vytvářet podobně jako GO mikro- a nano- struktury s vysokým rozlišením.
Cílem bakalářské práce byla modifikace GO a PMMA vzorků svazkem C iontů o energii 5 MeV a příprava mikrokondenzátorů iontovou litografií s C ionty o energii 5 MeV. Kvalita a morfologie připravených struktur byla studována pomocí metod SEM, AFM a změna prvkového složení metodami RBS, ERDA, XPS, EDS a Ramanovy spektroskopie s následným měřením kapacity a elektrické vodivosti. Zkoumán byl vliv dvou odlišných iontových fluencí C iontů a délka jednotlivých elektrod na kapacitu připravených mikrokondenzátorů.
Anotace v angličtině
Graphene oxide (GO), 2D carbon allotrope, is intensively studied for their unique properties and potential use in the field of nano-composites, solar cells, touch panels, transparent electrodes, super-capacitors and for the preparation of micro- or nano-electronic and optical devices. Perfect synthesis and control of GO properties open the way to the preparation of new highly sophisticated materials. Another material that will be studied in this work is Polymethyl methacrylate (PMMA), which is known as plexiglass. The widespread popularity of PMMA is related to its ability to create high-resolution micro- and nano-structures.
The aim of the bachelor thesis is the modification of GO and PMMA samples by a beam of C ions with energy 5 MeV and the preparation of microcapacitors by ion lithography with C ions with energy 5 MeV. The quality and morphology of the prepared samples was studied using SEM and AFM methods and the change in elemental composition will be determined by RBS, ERDA, XPS, EDS and Raman spectroscopy method with subsequent measurement of capacity and electrical capacitance. The influence of two different ion fluences of C ions and the length of individual electrodes on the capacity of prepared microcapacitors will be investigated.
graphene oxide, polymetyl methacrylate, ion implantation, ion microstructure
Rozsah průvodní práce
73
Jazyk
CZ
Anotace
Grafén oxid (GO), 2D derivát uhlíku se intenzivně studuje pro své unikátní vlastnosti a potenciální využití v oblasti nano-kompozitů, solárních článků, dotykových panelů, transparentních elektrod, super-kondenzátorů a pro přípravu mikro- či nano- elektronických a optických zařízení. Dokonalá syntéza a ovládnutí vlastností GO otevírá cestu k přípravě nových vysoce sofistikovaných materiálů. Dalším materiálem, který byl studován v této práci je polymetylmetakrylát (PMMA), který je známý pod názvem plexisklo. Rozšířená popularita PMMA souvisí s jeho schopností vytvářet podobně jako GO mikro- a nano- struktury s vysokým rozlišením.
Cílem bakalářské práce byla modifikace GO a PMMA vzorků svazkem C iontů o energii 5 MeV a příprava mikrokondenzátorů iontovou litografií s C ionty o energii 5 MeV. Kvalita a morfologie připravených struktur byla studována pomocí metod SEM, AFM a změna prvkového složení metodami RBS, ERDA, XPS, EDS a Ramanovy spektroskopie s následným měřením kapacity a elektrické vodivosti. Zkoumán byl vliv dvou odlišných iontových fluencí C iontů a délka jednotlivých elektrod na kapacitu připravených mikrokondenzátorů.
Anotace v angličtině
Graphene oxide (GO), 2D carbon allotrope, is intensively studied for their unique properties and potential use in the field of nano-composites, solar cells, touch panels, transparent electrodes, super-capacitors and for the preparation of micro- or nano-electronic and optical devices. Perfect synthesis and control of GO properties open the way to the preparation of new highly sophisticated materials. Another material that will be studied in this work is Polymethyl methacrylate (PMMA), which is known as plexiglass. The widespread popularity of PMMA is related to its ability to create high-resolution micro- and nano-structures.
The aim of the bachelor thesis is the modification of GO and PMMA samples by a beam of C ions with energy 5 MeV and the preparation of microcapacitors by ion lithography with C ions with energy 5 MeV. The quality and morphology of the prepared samples was studied using SEM and AFM methods and the change in elemental composition will be determined by RBS, ERDA, XPS, EDS and Raman spectroscopy method with subsequent measurement of capacity and electrical capacitance. The influence of two different ion fluences of C ions and the length of individual electrodes on the capacity of prepared microcapacitors will be investigated.
graphene oxide, polymetyl methacrylate, ion implantation, ion microstructure
Zásady pro vypracování
Grafen a oxid grafenu (GO) jsou 2D alotropy uhlíku, jež jsou intenzivně studovány pro své unikátní vlastnosti a potenciálnímu využití v oblasti nano-kompozitů, solárních článků, dotykových panelů, transparentních elektrod, super-kondenzátorů a pro přípravu mikro- a nano- elektronických a optických zařízeních [1-5]. Dokonalá syntéza a ovládnutí vlastností těchto dvou uhlíkových alotropů otevírá cestu k přípravě nových vysoce sofistikovaných materiálů.
Grafen oxid (GO) je grafenu podobná uhlíková struktura, která je dekorovaná epoxidovými a hydroxylovými skupinami uvnitř struktury a karbonylovými a karboxylovými skupinami na hranách uhlíkové mříže. Struktura GO je díky těmto navázaným funkčním skupinám mixem uhlíku s sp2 i sp3 hybridizací s převahou sp3 vazeb, díky kterým je nemodifikovaný GO nevodičem [3, 13, 14]. Změnou poměru sp2/sp3 vazeb je možné změnit elektrické vlastnosti GO na polovodivé až vodivé, což skýtá široký potenciál v dalším využití GO [16\textemdash18]. Velký specifický povrch GO a široký rozsah funkčních skupin, jež jsou na něj navázány, umožňuje navázání a imobilizaci nosičů náboje [15]. Velká atraktivita GO spočívá v možnosti být redukován na grafenu podobnou strukturu odstraněním skupin obsahujících kyslík [19]. Tuto redukci lze provést různými metodami, jako je chemická, termická nebo elektrochemická redukce a další metody [19-23]. Jednou velkou skupinou metod, kterou lze použít k redukci GO jsou metody založené na ozařování (elektromagnetické záření, elektrony, ionty a neutrony), jejichž výhoda spočívá zejména v nepřítomnosti chemických redukčních agentů, nízké koncentraci nežádoucích oxidů a ostatních reziduí ve výsledné struktuře; navíc se jedná o metody relativně jednoduché a cenově výhodné [24, 25].
Ozařování energetickými ionty je efektivní metoda pro modifikaci vlastností pevných látek (tvrdost, vodivost, odolnost proti korozi, kluznost, elektrické a optické vlastnosti), která umožňuje kontrolovanou tvorbu defektů v ozařované matrici, modifikaci poměru sp2/sp3 a redukci GO [13, 14, 25-30]. Iontovou implantací lze dopovat materiály na bázi grafenu ionty jiných prvků a dosáhnout změny elektrochemické aktivity grafenu a vytvářet defekty v jeho struktuře. Využití mikro- nebo nano- iontových svazků s vysokým rozlišením je další z moderních cest k využití v mikro/nano elektronice (mikro-superkondenzátory, mikroboti) a iontové litografii [31-35]. Dopování grafenu nízkoenergetickými ionty je jedna z nejúčinnějších metod pro změnu šířky zakázaného pásu, změnu vodivosti a změny hustoty nosičů náboje [36]. Hustotu defektů je možné kontrolovat fluencí iontů a typ vytvářených defektů lze ovlivnit hmotností a energií použitých iontů [37, 38].
Tématem práce bude studium interakce energetických iontů s dvou-dimenzionálními (2D) materiály; zejména pak s alotropy uhlíku (grafén, grafén-oxid), které mají díky svým mechanickým, elektrickým, termickým a optickým vlastnostem velice perspektivní aplikační potenciál. Cílem práce bude zlepšení vlastností grafénových nebo grafén-oxidových fólií metodou iontové implantace nebo iontového ozařování a následná charakterizace těchto modifikovaných vzorků. Analýza připravených vzorků bude zaměřena na optické, elektrické a magnetické vlastnosti a bude prováděna pomocí iontových analytických metod, optické mikroskopie, elektronové mikroskopie, mikroskopie atomárních sil, Ramanovy spektroskopie, rentgenové fotoelektronové spektroskopie a měření elektrické vodivosti na UJEP, VŠCHT a v UJF AVČR, v.v.i.
Cíle:
- Iontové ozáření/implantace grafénových a grafén-oxidových fólií.
- Charakterizace morfologických, strukturálních změn a změn ve složení modifikovaných vzorků před a po ozáření.
- Studium vlivu parametrů iontového svazku na elektrické a optické vlastnosti ozařovaného materiálu.
Zásady pro vypracování
Grafen a oxid grafenu (GO) jsou 2D alotropy uhlíku, jež jsou intenzivně studovány pro své unikátní vlastnosti a potenciálnímu využití v oblasti nano-kompozitů, solárních článků, dotykových panelů, transparentních elektrod, super-kondenzátorů a pro přípravu mikro- a nano- elektronických a optických zařízeních [1-5]. Dokonalá syntéza a ovládnutí vlastností těchto dvou uhlíkových alotropů otevírá cestu k přípravě nových vysoce sofistikovaných materiálů.
Grafen oxid (GO) je grafenu podobná uhlíková struktura, která je dekorovaná epoxidovými a hydroxylovými skupinami uvnitř struktury a karbonylovými a karboxylovými skupinami na hranách uhlíkové mříže. Struktura GO je díky těmto navázaným funkčním skupinám mixem uhlíku s sp2 i sp3 hybridizací s převahou sp3 vazeb, díky kterým je nemodifikovaný GO nevodičem [3, 13, 14]. Změnou poměru sp2/sp3 vazeb je možné změnit elektrické vlastnosti GO na polovodivé až vodivé, což skýtá široký potenciál v dalším využití GO [16\textemdash18]. Velký specifický povrch GO a široký rozsah funkčních skupin, jež jsou na něj navázány, umožňuje navázání a imobilizaci nosičů náboje [15]. Velká atraktivita GO spočívá v možnosti být redukován na grafenu podobnou strukturu odstraněním skupin obsahujících kyslík [19]. Tuto redukci lze provést různými metodami, jako je chemická, termická nebo elektrochemická redukce a další metody [19-23]. Jednou velkou skupinou metod, kterou lze použít k redukci GO jsou metody založené na ozařování (elektromagnetické záření, elektrony, ionty a neutrony), jejichž výhoda spočívá zejména v nepřítomnosti chemických redukčních agentů, nízké koncentraci nežádoucích oxidů a ostatních reziduí ve výsledné struktuře; navíc se jedná o metody relativně jednoduché a cenově výhodné [24, 25].
Ozařování energetickými ionty je efektivní metoda pro modifikaci vlastností pevných látek (tvrdost, vodivost, odolnost proti korozi, kluznost, elektrické a optické vlastnosti), která umožňuje kontrolovanou tvorbu defektů v ozařované matrici, modifikaci poměru sp2/sp3 a redukci GO [13, 14, 25-30]. Iontovou implantací lze dopovat materiály na bázi grafenu ionty jiných prvků a dosáhnout změny elektrochemické aktivity grafenu a vytvářet defekty v jeho struktuře. Využití mikro- nebo nano- iontových svazků s vysokým rozlišením je další z moderních cest k využití v mikro/nano elektronice (mikro-superkondenzátory, mikroboti) a iontové litografii [31-35]. Dopování grafenu nízkoenergetickými ionty je jedna z nejúčinnějších metod pro změnu šířky zakázaného pásu, změnu vodivosti a změny hustoty nosičů náboje [36]. Hustotu defektů je možné kontrolovat fluencí iontů a typ vytvářených defektů lze ovlivnit hmotností a energií použitých iontů [37, 38].
Tématem práce bude studium interakce energetických iontů s dvou-dimenzionálními (2D) materiály; zejména pak s alotropy uhlíku (grafén, grafén-oxid), které mají díky svým mechanickým, elektrickým, termickým a optickým vlastnostem velice perspektivní aplikační potenciál. Cílem práce bude zlepšení vlastností grafénových nebo grafén-oxidových fólií metodou iontové implantace nebo iontového ozařování a následná charakterizace těchto modifikovaných vzorků. Analýza připravených vzorků bude zaměřena na optické, elektrické a magnetické vlastnosti a bude prováděna pomocí iontových analytických metod, optické mikroskopie, elektronové mikroskopie, mikroskopie atomárních sil, Ramanovy spektroskopie, rentgenové fotoelektronové spektroskopie a měření elektrické vodivosti na UJEP, VŠCHT a v UJF AVČR, v.v.i.
Cíle:
- Iontové ozáření/implantace grafénových a grafén-oxidových fólií.
- Charakterizace morfologických, strukturálních změn a změn ve složení modifikovaných vzorků před a po ozáření.
- Studium vlivu parametrů iontového svazku na elektrické a optické vlastnosti ozařovaného materiálu.
Seznam doporučené literatury
Q. Wang, J. Dong, B. Bai, G. Xie, Phys Lett A 380 (2016) 3514\textendash3519.
P. Gulia, R. Brajpuriya, S. Kiumar, A. Tripathi, AIP Conference Proceedings 2017, 1832, 140023.
D.R. Dreyer, S. Park, C.W. Bielawski, R.S. Ruoff, ChemSoc Rev. 2010, 39, 228‐240.
V. Mazánek, O. Jankovský, J. Luxa, Nanoscale 2015, 7, 13646‐13655.
D. Jariwala, V.K. Sangwan, L.J. Lauhon, T.J. Marks, M.C. Hersam, ChemSoc Rev. 2013, 42, 2824‐2860.; P. R. Ferrer, A. Mace, S. N. Thomas, J.-W. Jeon, Nano Convergence 4 (2017) 29.
M. Kalbáč, O. Frank, Vesmír 90 (2011) 209.
E.A. Kolesov, M.S. Tivanov, O.V. Korolik, P. Yu. Apel, V.A. Skuratov, A.M. Saad, I.V. Komissarov, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 29 (2018) 3296\textendash3303
S. Yeo, J. Han, S. Bae, D. S. Lee, Sci Rep-UK 8 (2018) 13973
A. Eckmann, A. Felten, A. Mishchenko, L. Britnell, R. Krupke, K. S. Novoselov, C. Casiraghi, Nano Lett. 12 (2012) 3925−3930.
F. Banhart, J. Kotakoski, A.V. Krasheninnikov, ACS Nano 5 (2011) 26.
G. Geng, P. Chen, B. Guan, Y. Liu, Ch. Yang, N. Wang, M. Liu, RSC Adv., 7 (2017) 51838-51846
E. E. Ghadim, N. Rashidi, S. Kimiagar, O. Akhavan, F. Manouchehri, E. Ghaderi, Applied Surface Science, 301 (2014) 183\textendash188
B. Zhang, L. Li, Z. Wang, S. Xie, Y. Zhang, Y. Shen, J Mater Chem, 22(2012) 7775\textendash81.
L. Chen, Z. Xu, J. Li, C. Min, L. Liu, X. Song, Mater Lett, 65(2011) 1229\textendash30.
Ch. Xie, H. Sun, K. Wang, W. Zheng, X. Lu, F. Ren, J Biomed Mater Res Part A, 105A (2017) 1311\textendash1323.
S. Park, Carbon, 50 (2009) 217.
D.A. Sokolov, Investigation of Graphene Formation Form Graphite and Silicon Carbide, Thesis Georgia Institute of Technology, 2013.
Ch. Punckt, F. Muckel, S. Wolff, I.A. Aksay, C.A. Chavarin, G. Bacher, W. Mertin, Appl. Phys. Lett, 102 (2013) 023114.
S. Pei, H. M. Cheng, Carbon 50 (2012) 3210-322
S. Park, J. An, J. R. Potts, A. Velamakanni, S. Murali, R. S. Ruoff, Carbon 49 (2011) 3019\textendash3023
S. Stankovich, D.A. Dikin, R. D. Piner, K. A. Kohlhaas, A. Kleinhammes, Y. Jia, Y. Wu, S. T. Nguyen, R. S. Ruoff, Carbon 45 (2007) 1558\textendash1565
S. Stankovich, D. A. Dikin, G. H. B. Dommett, K. M. Kohlhaas, E. J. Zimney, E. A. Stach, R. D. Piner, S. T. Nguyen, R. S. Ruoff, Nature 442 (2006) 282\textendash286
A. B. Bourlinos, D. Gournis, D. Petridis, T. Szabo, A. Szeri, I. Dekany, Langmuir 19 (2003) 6050-6055
S. N. Kwon, Ch. H. Jung, S. I. Na, Organic Electronics 34 (2016) 67-74
J. M. Jung, Ch. H. Jung, Mi. S. Oh, I. T. Hwang, Ch. H. Jung, K. Shin, J. Hwang, S. H. Park, J. H. Choi, Materials Letters 126 (2014) 151\textendash153
Y. Zhang, H.L. Ma, Q. Zhang, J. Peng, J. Li, M. Zhai, J Mater Chem 2012;22, 13064\textendash9.
M. Kashiwagi, Y. Hoshi, SEI Tech Rev 2012, 75, 47\textendash54.
P. Malinský, M. Cutroneo, A. Macková, V. Hnatowicz, M. Florianová, M. Boháčová, D. Bouša, Z. Sofer, Surface & Coatings Technology 2018, 342, 220\textendash225.
P. Malinský, M. Cutroneo, A. Macková, V. Hnatowicz, K. Szökölová, M. Bohačová, J. Luxa, Z. Sofer, Surf Interface Anal. 2018, 1\textendash6.
P. Malinsky, A. Mackova, R. Miksova, H. Kovacikova, M. Cutroneo, J. Luxa, D. Bousa, B. Strochova, Z. Sofer, Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 10282-10291.
Seznam doporučené literatury
Q. Wang, J. Dong, B. Bai, G. Xie, Phys Lett A 380 (2016) 3514\textendash3519.
P. Gulia, R. Brajpuriya, S. Kiumar, A. Tripathi, AIP Conference Proceedings 2017, 1832, 140023.
D.R. Dreyer, S. Park, C.W. Bielawski, R.S. Ruoff, ChemSoc Rev. 2010, 39, 228‐240.
V. Mazánek, O. Jankovský, J. Luxa, Nanoscale 2015, 7, 13646‐13655.
D. Jariwala, V.K. Sangwan, L.J. Lauhon, T.J. Marks, M.C. Hersam, ChemSoc Rev. 2013, 42, 2824‐2860.; P. R. Ferrer, A. Mace, S. N. Thomas, J.-W. Jeon, Nano Convergence 4 (2017) 29.
M. Kalbáč, O. Frank, Vesmír 90 (2011) 209.
E.A. Kolesov, M.S. Tivanov, O.V. Korolik, P. Yu. Apel, V.A. Skuratov, A.M. Saad, I.V. Komissarov, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 29 (2018) 3296\textendash3303
S. Yeo, J. Han, S. Bae, D. S. Lee, Sci Rep-UK 8 (2018) 13973
A. Eckmann, A. Felten, A. Mishchenko, L. Britnell, R. Krupke, K. S. Novoselov, C. Casiraghi, Nano Lett. 12 (2012) 3925−3930.
F. Banhart, J. Kotakoski, A.V. Krasheninnikov, ACS Nano 5 (2011) 26.
G. Geng, P. Chen, B. Guan, Y. Liu, Ch. Yang, N. Wang, M. Liu, RSC Adv., 7 (2017) 51838-51846
E. E. Ghadim, N. Rashidi, S. Kimiagar, O. Akhavan, F. Manouchehri, E. Ghaderi, Applied Surface Science, 301 (2014) 183\textendash188
B. Zhang, L. Li, Z. Wang, S. Xie, Y. Zhang, Y. Shen, J Mater Chem, 22(2012) 7775\textendash81.
L. Chen, Z. Xu, J. Li, C. Min, L. Liu, X. Song, Mater Lett, 65(2011) 1229\textendash30.
Ch. Xie, H. Sun, K. Wang, W. Zheng, X. Lu, F. Ren, J Biomed Mater Res Part A, 105A (2017) 1311\textendash1323.
S. Park, Carbon, 50 (2009) 217.
D.A. Sokolov, Investigation of Graphene Formation Form Graphite and Silicon Carbide, Thesis Georgia Institute of Technology, 2013.
Ch. Punckt, F. Muckel, S. Wolff, I.A. Aksay, C.A. Chavarin, G. Bacher, W. Mertin, Appl. Phys. Lett, 102 (2013) 023114.
S. Pei, H. M. Cheng, Carbon 50 (2012) 3210-322
S. Park, J. An, J. R. Potts, A. Velamakanni, S. Murali, R. S. Ruoff, Carbon 49 (2011) 3019\textendash3023
S. Stankovich, D.A. Dikin, R. D. Piner, K. A. Kohlhaas, A. Kleinhammes, Y. Jia, Y. Wu, S. T. Nguyen, R. S. Ruoff, Carbon 45 (2007) 1558\textendash1565
S. Stankovich, D. A. Dikin, G. H. B. Dommett, K. M. Kohlhaas, E. J. Zimney, E. A. Stach, R. D. Piner, S. T. Nguyen, R. S. Ruoff, Nature 442 (2006) 282\textendash286
A. B. Bourlinos, D. Gournis, D. Petridis, T. Szabo, A. Szeri, I. Dekany, Langmuir 19 (2003) 6050-6055
S. N. Kwon, Ch. H. Jung, S. I. Na, Organic Electronics 34 (2016) 67-74
J. M. Jung, Ch. H. Jung, Mi. S. Oh, I. T. Hwang, Ch. H. Jung, K. Shin, J. Hwang, S. H. Park, J. H. Choi, Materials Letters 126 (2014) 151\textendash153
Y. Zhang, H.L. Ma, Q. Zhang, J. Peng, J. Li, M. Zhai, J Mater Chem 2012;22, 13064\textendash9.
M. Kashiwagi, Y. Hoshi, SEI Tech Rev 2012, 75, 47\textendash54.
P. Malinský, M. Cutroneo, A. Macková, V. Hnatowicz, M. Florianová, M. Boháčová, D. Bouša, Z. Sofer, Surface & Coatings Technology 2018, 342, 220\textendash225.
P. Malinský, M. Cutroneo, A. Macková, V. Hnatowicz, K. Szökölová, M. Bohačová, J. Luxa, Z. Sofer, Surf Interface Anal. 2018, 1\textendash6.
P. Malinsky, A. Mackova, R. Miksova, H. Kovacikova, M. Cutroneo, J. Luxa, D. Bousa, B. Strochova, Z. Sofer, Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 10282-10291.