Diplomová práce je zaměřena na studium senzorických, elektrických a fotokatalytických vlastností grafenu oxidu (GO), polyimidu (PI), polyethylentereftalátu (PET) a kyseliny polymléčné (PLLA). Tyto materiály byly modifikovány pomocí iontové implantace měděnými a zlatými ionty. Iontová implantace je komplexní jev, který výrazně ovlivňuje nejenom morfologii a strukturu organických materiálů, ale také jejich fyzikální (např. změna elektrického plošného odporu) a chemické vlastnosti (např. změna prvkové koncentrace). Výrazný vliv na změnu chování materiálu má i energie implantovaných iontů. V této práci studujeme vliv nízkých energií implantovaných iontů (desítek keV), které jsou schopny pronikat pouze do relativně malých hloubek (desítky nm), čímž dochází k modifikaci zejména povrchových vlastností ozařovaného vzorku. Ionty o středních energiích (jednotek MeV) pronikají do hlubších vrstev materiálu, což má za následek rozsáhlejší modifikace struktury a vlastností ozařovaného materiálu.
Modifikované vzorky byly po iontové implantaci charakterizovány pomocí Rutherfordovy spektrometrie zpětného rozptylu (RBS), analýzy elastického zpětného rázu (ERDA) a analytických metod, jako je rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS). Elektrické vlastnosti byly měřeny dvoubodovou metodou. Fotokatalytické vlastnosti byly testovány v temné komoře s Rhodaminem-B pomocí UV záření o vlnové délce 254 nm. Následná analýza proběhla pomocí elipsometrie.
Anotace v angličtině
This thesis is focused on the study of sensing, electrical and photocatalytic properties of graphene oxide (GO), polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET) and polylactic acid (PLLA). These materials were modified by copper and gold ion implantation. Ion implantation is a complex phenomenon that significantly affects not only the morphology and structure of organic materials, but also their physical (e.g., change in electrical sheet resistance) and chemical properties (e.g., change in elemental concentration). The energy of the implanted ions also has a significant effect on the change in material behaviour. In this work, we study the influence of low energy implanted ions (tens of keV), which are only able to penetrate to relatively small depths (tens of nm), thus modifying in particular the surface properties of the irradiated sample. Ions with intermediate energies (units of MeV) penetrate deeper layers of the material, resulting in more extensive modifications of the structure and properties of the irradiated material.
After ion implantation, the modified samples were characterized by Rutherford backscattering spectrometry (RBS), elastic recoil shock analysis (ERDA) and analytical methods such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The electrical properties were measured by the two-point method. The photocatalytic properties were tested in a dark chamber with Rhodamine-B using UV light at 254 nm. Subsequent analysis was carried out by ellipsometry.
Klíčová slova
grafen oxid, polyimid, polyethylentereftalát, kyselina polymléčná, iontová implantace, modifikace energetickým iontovým svazkem, RBS, ERDA, AFM, XPS, senzorické a elektrické vlastnosti, fotokatalytické vlastnosti
Klíčová slova v angličtině
graphene oxide, polyimide, polyethylene terephthalate, polyacitic acid, ion implantation, energy ion beam modification, RBS, ERDA, AFM XPS, sensory and electrical properties, photocatalysis properties
Rozsah průvodní práce
106
Jazyk
CZ
Anotace
Diplomová práce je zaměřena na studium senzorických, elektrických a fotokatalytických vlastností grafenu oxidu (GO), polyimidu (PI), polyethylentereftalátu (PET) a kyseliny polymléčné (PLLA). Tyto materiály byly modifikovány pomocí iontové implantace měděnými a zlatými ionty. Iontová implantace je komplexní jev, který výrazně ovlivňuje nejenom morfologii a strukturu organických materiálů, ale také jejich fyzikální (např. změna elektrického plošného odporu) a chemické vlastnosti (např. změna prvkové koncentrace). Výrazný vliv na změnu chování materiálu má i energie implantovaných iontů. V této práci studujeme vliv nízkých energií implantovaných iontů (desítek keV), které jsou schopny pronikat pouze do relativně malých hloubek (desítky nm), čímž dochází k modifikaci zejména povrchových vlastností ozařovaného vzorku. Ionty o středních energiích (jednotek MeV) pronikají do hlubších vrstev materiálu, což má za následek rozsáhlejší modifikace struktury a vlastností ozařovaného materiálu.
Modifikované vzorky byly po iontové implantaci charakterizovány pomocí Rutherfordovy spektrometrie zpětného rozptylu (RBS), analýzy elastického zpětného rázu (ERDA) a analytických metod, jako je rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS). Elektrické vlastnosti byly měřeny dvoubodovou metodou. Fotokatalytické vlastnosti byly testovány v temné komoře s Rhodaminem-B pomocí UV záření o vlnové délce 254 nm. Následná analýza proběhla pomocí elipsometrie.
Anotace v angličtině
This thesis is focused on the study of sensing, electrical and photocatalytic properties of graphene oxide (GO), polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET) and polylactic acid (PLLA). These materials were modified by copper and gold ion implantation. Ion implantation is a complex phenomenon that significantly affects not only the morphology and structure of organic materials, but also their physical (e.g., change in electrical sheet resistance) and chemical properties (e.g., change in elemental concentration). The energy of the implanted ions also has a significant effect on the change in material behaviour. In this work, we study the influence of low energy implanted ions (tens of keV), which are only able to penetrate to relatively small depths (tens of nm), thus modifying in particular the surface properties of the irradiated sample. Ions with intermediate energies (units of MeV) penetrate deeper layers of the material, resulting in more extensive modifications of the structure and properties of the irradiated material.
After ion implantation, the modified samples were characterized by Rutherford backscattering spectrometry (RBS), elastic recoil shock analysis (ERDA) and analytical methods such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The electrical properties were measured by the two-point method. The photocatalytic properties were tested in a dark chamber with Rhodamine-B using UV light at 254 nm. Subsequent analysis was carried out by ellipsometry.
Klíčová slova
grafen oxid, polyimid, polyethylentereftalát, kyselina polymléčná, iontová implantace, modifikace energetickým iontovým svazkem, RBS, ERDA, AFM, XPS, senzorické a elektrické vlastnosti, fotokatalytické vlastnosti
Klíčová slova v angličtině
graphene oxide, polyimide, polyethylene terephthalate, polyacitic acid, ion implantation, energy ion beam modification, RBS, ERDA, AFM XPS, sensory and electrical properties, photocatalysis properties
Zásady pro vypracování
Rychle se rozvíjející industrializace má výrazný vliv na nárůst znečištění ovzduší a pro ochranu životního prostředí je třeba důsledný monitoring a detekce škodlivých plynů, jejichž nadměrná koncentrace představuje vážné riziko pro lidské zdraví. To otevírá možnosti vývoje senzorů schopných detekovat specifické škodlivé plyny. Elektrochemické odporové senzory připravené na bázi polymerů jsou v současnosti velice používané díky své jednoduchosti, rychlé odezvě, velké citlivosti a komerční dostupnosti. Navíc, některé použitelné polymery (např. PLLA) jsou biologicky kompatibilní a odbouratelné. Další organickou látkou, použitelnou pro přípravu plynových senzorů je grafen oxid (GO), který vyniká velkou specifickou plochou, relativně jednoduchou přípravou a vysokou mobilitou nosičů náboje.
Dopování organických látek kovy anebo jejich oxidy výrazně zvyšuje jejich senzorické a katalytické vlastnosti [2]. Au zvyšují schopnost přenosu elektronů v grafenu, což vede ke zvýšení senzorické citlivosti [4]. Dopování polymerů nano-strukturami na bázi Au může významně zvýšit jejich adsorpční a desorpční kapacitu redukčních plynů, jako je H2, CO a NH3 [4]. Ionty mědi vykazují silný fotokatalytický výkon a dopování mědí zlepšuje senzorické vlastnosti grafen oxidu například na vlhkost vzduchu nebo CO2 [5].
Navrhovaná diplomová práce se zaměřujeme na cílené modifikace senzorických a katalytických vlastností GO a polymerů implantací kovovými ionty. Nízkoenergetické implantace (do 500 keV) budou prováděny na implantátoru v HZDR v Německu, vysokoenergetické implantace (800 keV – 6 MeV) budou prováděny na Tandetronu v UJF. Iontová implantace povede k dopování organických pevných látek, případně k tvorbě kovových nanočástic v organických substrátech, které povedou ke zvýšení jejich senzorických vlastností. Implantované i nemodifikované vzorky budou podrobeny detailní strukturní a prvkové analýze (RBS, ERDA, Ramanova spektroskopie, XPS, AFM, SEM, EDS, FTIR, smáčivost) a měření elektrických, senzorických a katalytických vlastností.
Rešeršní část bude zpracována v obvyklém formátu, s rozsahem minimálně 20 normostran a s uvedením alespoň 40 cizojazyčných citovaných prací. Experimentální část se bude zabývat přípravou nanokompozitů kov-polymer metodou iontové implantace s potenciálním využitím v senzorech a pro fotokatalýzu a analýzami připravených materiálů z hlediska prvkového složení, struktury, morfologie povrchu, elektrických, senzorických a katalytických vlastností před a po implantaci. Práce se bude zabývat následující problémy: 1) vliv implantace kovových iontů se specifickým poměrem elektronových a jaderných brzdných ztrát na strukturní a elementární změny vybraných materiálů, 2) vliv použité iontové fluence na rozdíly v implantovaných substrátech, 3) elektrická odezva připravených materiálů na měnící se vlhkost okolí a fotokatalytický výkon připravených struktur.
Zásady pro vypracování
Rychle se rozvíjející industrializace má výrazný vliv na nárůst znečištění ovzduší a pro ochranu životního prostředí je třeba důsledný monitoring a detekce škodlivých plynů, jejichž nadměrná koncentrace představuje vážné riziko pro lidské zdraví. To otevírá možnosti vývoje senzorů schopných detekovat specifické škodlivé plyny. Elektrochemické odporové senzory připravené na bázi polymerů jsou v současnosti velice používané díky své jednoduchosti, rychlé odezvě, velké citlivosti a komerční dostupnosti. Navíc, některé použitelné polymery (např. PLLA) jsou biologicky kompatibilní a odbouratelné. Další organickou látkou, použitelnou pro přípravu plynových senzorů je grafen oxid (GO), který vyniká velkou specifickou plochou, relativně jednoduchou přípravou a vysokou mobilitou nosičů náboje.
Dopování organických látek kovy anebo jejich oxidy výrazně zvyšuje jejich senzorické a katalytické vlastnosti [2]. Au zvyšují schopnost přenosu elektronů v grafenu, což vede ke zvýšení senzorické citlivosti [4]. Dopování polymerů nano-strukturami na bázi Au může významně zvýšit jejich adsorpční a desorpční kapacitu redukčních plynů, jako je H2, CO a NH3 [4]. Ionty mědi vykazují silný fotokatalytický výkon a dopování mědí zlepšuje senzorické vlastnosti grafen oxidu například na vlhkost vzduchu nebo CO2 [5].
Navrhovaná diplomová práce se zaměřujeme na cílené modifikace senzorických a katalytických vlastností GO a polymerů implantací kovovými ionty. Nízkoenergetické implantace (do 500 keV) budou prováděny na implantátoru v HZDR v Německu, vysokoenergetické implantace (800 keV – 6 MeV) budou prováděny na Tandetronu v UJF. Iontová implantace povede k dopování organických pevných látek, případně k tvorbě kovových nanočástic v organických substrátech, které povedou ke zvýšení jejich senzorických vlastností. Implantované i nemodifikované vzorky budou podrobeny detailní strukturní a prvkové analýze (RBS, ERDA, Ramanova spektroskopie, XPS, AFM, SEM, EDS, FTIR, smáčivost) a měření elektrických, senzorických a katalytických vlastností.
Rešeršní část bude zpracována v obvyklém formátu, s rozsahem minimálně 20 normostran a s uvedením alespoň 40 cizojazyčných citovaných prací. Experimentální část se bude zabývat přípravou nanokompozitů kov-polymer metodou iontové implantace s potenciálním využitím v senzorech a pro fotokatalýzu a analýzami připravených materiálů z hlediska prvkového složení, struktury, morfologie povrchu, elektrických, senzorických a katalytických vlastností před a po implantaci. Práce se bude zabývat následující problémy: 1) vliv implantace kovových iontů se specifickým poměrem elektronových a jaderných brzdných ztrát na strukturní a elementární změny vybraných materiálů, 2) vliv použité iontové fluence na rozdíly v implantovaných substrátech, 3) elektrická odezva připravených materiálů na měnící se vlhkost okolí a fotokatalytický výkon připravených struktur.
Seznam doporučené literatury
[1] I. A. Tito, S. Uddin, S. Islam, a S. Bhowmik, "Copper Nanoparticle(CuNP’s)Synthesis: A review of the various ways with Photocatalytic and Antibacterial Activity", Orient. J. Chem., roč. 37, č. 5, s. 1030–1040, říj. 2021, doi: 10.13005/ojc/370503. [2] O. Romanenko et al., "Comparison of GO and polymer microcapacitors prepared by ion beam writing", Surf. Interface Anal., roč. 52, č. 12, s. 1171–1177, pro. 2020, doi: 10.1002/sia.6851. [3] P. Malinský et al., "Graphene oxide layers modified by irradiation with 1.2 MeV He+ ions", Surf. Coat. Technol., roč. 342, s. 220–225, kvě. 2018, doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.02.102. [4] A. Mackova et al., "The characterization of PEEK, PET and PI implanted with Co ions to high fluences", Appl. Surf. Sci., roč. 275, s. 311–315, čer. 2013, doi: 10.1016/j.apsusc.2012.12.071. [5] B. Chieng, N. Ibrahim, W. Yunus, a M. Hussein, "Poly(lactic acid)/Poly(ethylene glycol) Polymer Nanocomposites: Effects of Graphene Nanoplatelets", Polymers, roč. 6, č. 1, s. 93–104, pro. 2013, doi: 10.3390/polym6010093. [6] P. Malinsky et al., "The multi-energetic Au ion implantation of graphene oxide and polymers", EPJ Web Conf., roč. 261, s. 02006, 2022, doi: 10.1051/epjconf/202226102006. [7] M. Cutroneo et al., "Characterization of graphene oxide film by implantation of low energy copper ions", Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. Mater. At., roč. 460, s. 169–174, pro. 2019, doi: 10.1016/j.nimb.2019.03.021. [8] P. Malinský et al., "Microcapacitors on graphene oxide and synthetic polymers prepared by microbeam lithography", Appl. Surf. Sci., roč. 528, s. 146802, říj. 2020, doi: 10.1016/j.apsusc.2020.146802. [9] Ramesh Kumar, D.K. Avasthi, Amarjeet Kaur, "Fabrication of chemiresistive gas sensors based on multistep reduced graphene oxide for low parts per million monitoring of sulfur dioxide at room temperature, Sensors and Actuators", Vol. 242, roč. 2017, s. 461–468, doi: doi.org/10.1016/j.snb.2016.11.018. [10] K. Toda, R. Furue, a S. Hayami, "Recent progress in applications of graphene oxide for gas sensing: A review", Anal. Chim. Acta, roč. 878, s. 43–53, čer. 2015, doi: 10.1016/j.aca.2015.02.002. [11] Room-temperature ammonia gas sensor based on reduced graphene oxide nanocomposites decorated by Ag, Au and Pt nanoparticles", doi: 10.1016/j.jallcom.2017.06.152. [12] V. Popok ,Rev Adv Mater Sci.30, 1-26, (2012). [13] N. M. S. Hidayah et al., "Comparison on graphite, graphene oxide and reduced graphene oxide: Synthesis and characterization", Penang, Malaysia, 2017, s. 150002. doi: 10.1063/1.5005764. [14] Kondyurin, Alexey & Bilek, Marcela. (2008). Ion Beam Treatment of Polymers: Application Aspects from Medicine to Space: Second Edition. [15] Stepanov a Andrey, Applications of ion implantation for modification of TiO 2: A review. Rev.Adv.Mater. Sci.. 30. 150-165. [Online]. Dostupné z: 2012 [16] Y. Wang a M. A. Nastasi, Ed., Handbook of modern ion beam materials analysis, 2nd ed. Warrendale, PA: Materials Research Society, 2009. [17] Kondyurin, Alexey & Bilek, Marcela. Ion Beam Treatment of Polymers: Application Aspects from Medicine to Space: Second Edition, 2008. [18] M. A. Nastasi, J. W. Mayer, a Y. Wang, Ion beam analysis: fundamentals and applications, Paperback edition. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2019.
Seznam doporučené literatury
[1] I. A. Tito, S. Uddin, S. Islam, a S. Bhowmik, "Copper Nanoparticle(CuNP’s)Synthesis: A review of the various ways with Photocatalytic and Antibacterial Activity", Orient. J. Chem., roč. 37, č. 5, s. 1030–1040, říj. 2021, doi: 10.13005/ojc/370503. [2] O. Romanenko et al., "Comparison of GO and polymer microcapacitors prepared by ion beam writing", Surf. Interface Anal., roč. 52, č. 12, s. 1171–1177, pro. 2020, doi: 10.1002/sia.6851. [3] P. Malinský et al., "Graphene oxide layers modified by irradiation with 1.2 MeV He+ ions", Surf. Coat. Technol., roč. 342, s. 220–225, kvě. 2018, doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.02.102. [4] A. Mackova et al., "The characterization of PEEK, PET and PI implanted with Co ions to high fluences", Appl. Surf. Sci., roč. 275, s. 311–315, čer. 2013, doi: 10.1016/j.apsusc.2012.12.071. [5] B. Chieng, N. Ibrahim, W. Yunus, a M. Hussein, "Poly(lactic acid)/Poly(ethylene glycol) Polymer Nanocomposites: Effects of Graphene Nanoplatelets", Polymers, roč. 6, č. 1, s. 93–104, pro. 2013, doi: 10.3390/polym6010093. [6] P. Malinsky et al., "The multi-energetic Au ion implantation of graphene oxide and polymers", EPJ Web Conf., roč. 261, s. 02006, 2022, doi: 10.1051/epjconf/202226102006. [7] M. Cutroneo et al., "Characterization of graphene oxide film by implantation of low energy copper ions", Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. Mater. At., roč. 460, s. 169–174, pro. 2019, doi: 10.1016/j.nimb.2019.03.021. [8] P. Malinský et al., "Microcapacitors on graphene oxide and synthetic polymers prepared by microbeam lithography", Appl. Surf. Sci., roč. 528, s. 146802, říj. 2020, doi: 10.1016/j.apsusc.2020.146802. [9] Ramesh Kumar, D.K. Avasthi, Amarjeet Kaur, "Fabrication of chemiresistive gas sensors based on multistep reduced graphene oxide for low parts per million monitoring of sulfur dioxide at room temperature, Sensors and Actuators", Vol. 242, roč. 2017, s. 461–468, doi: doi.org/10.1016/j.snb.2016.11.018. [10] K. Toda, R. Furue, a S. Hayami, "Recent progress in applications of graphene oxide for gas sensing: A review", Anal. Chim. Acta, roč. 878, s. 43–53, čer. 2015, doi: 10.1016/j.aca.2015.02.002. [11] Room-temperature ammonia gas sensor based on reduced graphene oxide nanocomposites decorated by Ag, Au and Pt nanoparticles", doi: 10.1016/j.jallcom.2017.06.152. [12] V. Popok ,Rev Adv Mater Sci.30, 1-26, (2012). [13] N. M. S. Hidayah et al., "Comparison on graphite, graphene oxide and reduced graphene oxide: Synthesis and characterization", Penang, Malaysia, 2017, s. 150002. doi: 10.1063/1.5005764. [14] Kondyurin, Alexey & Bilek, Marcela. (2008). Ion Beam Treatment of Polymers: Application Aspects from Medicine to Space: Second Edition. [15] Stepanov a Andrey, Applications of ion implantation for modification of TiO 2: A review. Rev.Adv.Mater. Sci.. 30. 150-165. [Online]. Dostupné z: 2012 [16] Y. Wang a M. A. Nastasi, Ed., Handbook of modern ion beam materials analysis, 2nd ed. Warrendale, PA: Materials Research Society, 2009. [17] Kondyurin, Alexey & Bilek, Marcela. Ion Beam Treatment of Polymers: Application Aspects from Medicine to Space: Second Edition, 2008. [18] M. A. Nastasi, J. W. Mayer, a Y. Wang, Ion beam analysis: fundamentals and applications, Paperback edition. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2019.