Využití redukčního plazmatu pro povrchové úpravy nanostrukturovaných materiálů

Bc. Vít Richter

Master's thesis

Utilization of reduction plasma for surface treatment of nanostrucured materials

Abstract:

Diplomová práce se zabývá tzv. suchou plazmovou redukcí nanostrukturovaných materiálů, které skýtají potenciál pro využití ve fotonických aplikacích, přičemž konkrétně se zaměřuje na redukci grafén oxidu. V rámci provedených experimentů byly pro povrchové úpravy použity dielektrické bariérové výboje generované za atmosférického tlaku ve dvou různých konfiguracích: difúzní koplanární povrchový bariérový výboj (DCSBD) a mikrodutinový povrchový dielektrický bariérový výboj (MSDBD). Nízkoteplotní plazma bylo generováno v několika různých redukčních atmosférách (vodík, argon a metan). Pro sledování účinku plazmatu na vytvořené vrstvy z hlediska jejich chemického složení byla použita metoda rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS), zatímco ultrafialová fotoelektronová spektroskopie (UPS) nám poskytla informaci o výstupní práci elektronů. Dále byla pomocí mikroskopie atomárních sil (AFM) zkoumána morfologie povrchu vzorku a provedeny byly také pilotní experimenty čtyřbodové metody pro určení elektrického odporu redukované vrstvy. Na základě provedených analýz jsme již při velmi krátké době plazmové úpravy (2 s) pozorovali redukci kyslíkových skupin z grafén oxidové struktury. Při delší době úpravy se naopak začal nežádoucím způsobem uplatňovat tzv. leptací efekt plazmatu v důsledku vystavení povrchu energetickým částicím. V souladu s očekávanými redukčními účinky bylo také pozorované snížení výstupní práce elektronů, zvýšení elektrické vodivosti vrstvy či pokles propustnosti světla ve viditelné a ultrafialové oblasti (UV/VIS). Pomocí UV/VIS spektroskopie jsme také ověřovali stabilitu úpravy při skladování vzorků. Na základě prezentovaných výsledků se plazmová redukce grafén oxidu ukazuje být vhodnou alternativou k termálním či chemickým redukčním metodám. Díky nízké procesní teplotě či možnosti generace plazmatu za atmosférického tlaku je navíc principiálně kompatibilní s linkovými roll-to-roll procesy pro potenciální časově i finančně efektivní průmyslové využití například v oblasti tištěné elektroniky.

Abstract:

The diploma thesis focuses on the investigation of dry plasma reduction of graphene oxide - a nanostructured material with potential use in photonic applications. Two configurations of dielectric barrier discharges were used to generate low-temperature plasma at atmospheric pressure: Diffuse Coplanar Surface Barrier Discharge (DCSBD) and Multi-hollow Surface Dielectric Barrier Discharge (MSDBD). The plasma was generated in various reducing gases such as hydrogen, argon and methane. X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) was employed to study the chemical composition of the graphene oxides surfaces and Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (UPS) provided information about the work function. Atomic Force Microscopy (AFM) was used to study morphology, and four-point probe method was used to measure the sheet resistance. Based on the results obtained, plasma reduction of graphene oxide surfaces was observed after short plasma treatment time in the range of 2-4 s. The plasma reduction led to a decrease in work function, sheet resistance and transmittance in the visible and ultraviolet light (UV/VIS). On the other hand, the reduction of graphene oxide was accompanied by undesirable etching which was significant for longer treatment times and especially for plasma generated in argon. UV/VIS spectroscopy was used to investigate the stability of reduced graphene oxide and samples were stored under ambient air, nitrogen and vacuum for several days. Based on the presented results, we conclude that dry plasma reduction of graphene oxide is a suitable alternative to thermal or chemical reduction methods. Furthermore, the low temperature of the plasma and rapid treatment times, in the order of 1-10s, enables the integration of plasma processing into roll-to-roll manufacture, a significant step forward in the further commercial success within the emerging field of flexible and printed electronics.

Keywords

plazma, plasma, grafén oxid, graphene oxide, redukce, reduction, DCSBD, MSDBD, XPS, AFM, UPS

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 10. 6. 2019
• Supervisor: RNDr. Tomáš Homola, PhD.
• Reader: Mgr. Ondřej Jašek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Plasma Physics