ساخت و مشخصه یابی غشاهای میکرومتری گرافن تک لایه و دولایه معلق

STUDENT

DEGREE

YEAR

In recent years, much effort has been devoted to investigating the electronic, mechanical and optical properties of two-dimensional materials. The unique electrical, optical and mechanical properties and the high surface-to-volume ratio of two-dimensional materials make this group of nanometer materials a suitable option for use in various technologies. One of the main concerns in nanotechnology is the utilization of nanomaterials in macroscopic applications without losing their extreme properties. Current manufacturing techniques are generally unable to fully overcome the size differences between the nano- and macroscales. Nanomaterials lose their unique properties when they coalesce into larger structures or contact bulk substrates. For example, the two-dimensional nanomaterial, graphene, often loses its highest charge carrier mobility when it contacts a bulk substrate. It is critical to develop methods through which nanomaterials may bridge multiple length scales to enable their use in macroscale applications. However, the current challenges of two-dimensional material growth methods and their transfer to create suspended structures have not been able to overcome the size difference between nanoscale and micro. One of the most important two-dimensional materials is graphene. Despite the long history of theoretical study of graphene physics, due to the great challenges in its synthesis and traort, the use of graphene as expected is not yet widespread. In this study, monolayer and bilayer suspended graphene membranes with different diameters have been investigated. The main purpose was to make very clean monolayer and bilayer suspended graphene membranes in the range of micrometer with the least possible impurities, without any rupture and perforation. Also, mechanical and electrical characterization is done to investigate the effect of thermal annealing and gas application on the characteristics of graphene membranes. Dynamical behavior of the fabricated membranes is characterized by measuring their thermomechanical noise using Laser Doppler Vibrometer (LDV) method. To fabricate the membranes, we purchase CVD graphene and transfer it onto Si chips with predefined through-holes chips having diameters ranging from 10 ???? to 1000 ????. After a long investigation, the reason for rupture of membranes and low efficiency of the PMMA layer transfer and removal process was determined. A method was devised to transfer the graphene sheets with the least possible defects to the predefined through-hole chips and remove the PMMA layer from the graphene surface with the least pressure. With the help of the developed method, ultra clean monolayer and bilayer graphene membranes with a diameter up to 500 and 750 ?m, respectively, have been fabricated for the first time. Also, the yield of the process for making monolayer and bilayer suspended graphene membranes with a diameter of less than 100 micrometers has been more than 45% and 65%, respectively. To further remove PMMA residues after release, two hours thermal annealing at 250°C in vacuum (10 -4 mbar) is performed. The stress change of the membrane due to the flow of different gases is studied via FEM simulation, as a function of fluidic properties and geometrical dimensions. A coupled fluid-structure interaction (FSI) problem, based on linear elasticity and linearized Naiver Stokes equations, is studied. The model is found well in agreement with experiments results. Keywords : 2D Materials, Graphene, Suspended Graphene membrane, PMMA Assisted Method, Inverted Floating Method, using Laser Doppler Vibrometer, Resonance Frequency, Quality Factor, Gauge Factor

در سال‌های گذشته پیشرفت‌های بسیاری در شناخت خواص الکترونیکی، مکانیکی و نوری مواد دو‌بعدی حاصل شده است. ویژگی‌های منحصر به فرد الکتریکی، نوری، مکانیکی و نسبت سطح به حجم بالای مواد دو‌بعدی، این گروه از مواد نانومتری را به گزینه مناسبی برای استفاده در فناوری‌های مختلف تبدیل کرده است. یکی از مباحث اصلی در دنیای مواد دوبعدی، استفاده از اینگونه مواد در کاربردهای ماکروسکوپی بدون از دست دادن ویژگی‌های منحصر به فرد اینگونه مواد است. از آنجایی که مواد دوبعدی ویژگی‌های خود را در تماس با زیرلایه از دست می‌دهند، برای حفظ خواص این‌گونه مواد، معلق کردن آن‌ها در اندازه‌های بزرگ اهمیت بسیار زیادی دارد. به عنوان مثال قابلیت تحرک بالای حامل‌های بار گرافن، هنگامی که در تماس با زیرلایه است بسیار کاهش پیدا می‌کند. با این حال چالش‌های فعلی روش‌های رشد مواد دوبعدی و انتقال آن‌ها برای ایجاد ساختارهای معلق نتوانسته است بر تفاوت اندازه بین مقیاس نانو و میکرو غلبه کنند. یکی از مهم‌ترین مواد دوبعدی گرافن است، ماده‌ی منحصر به فرد قرن 21 که به دلیل خواص مکانیکی، الکتریکی، نوری و شیمیایی ویژه‌‌ی آن، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با وجود سابقه طولانی در مطالعه نظری فیزیک گرافن که حاصل آن شناخت بهتر این ماده ارزشمند بوده است، به دلیل چالش‌های بزرگی که در سنتز و انتقال آن وجود دارد، استفاده از گرافن آنچنان که انتظار می‌رفت هنوز فراگیر نشده است. در پژوهش انجام شده، در راستای تلاش برای استفاده از ویژگی‌های ممتاز گرافن و کاهش فاصله بین دنیای مواد نانومتری و کاربردهای میکرومتری، غشاهای گرافن بزرگ تک‌لایه و دولایه‌ی معلق با قطرهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. هدف اصلی، ساخت غشاهای بزرگ گرافن تک‌لایه و دولایه معلق تمیز با کمترین ناخالصی ممکن، بدون پارگی و سوراخ بوده است. هدف بعدی انجام مشخصه‌یابی مکانیکی و الکتریکی برای بررسی تاثیر ترمیم حرارتی و اعمال گاز بر مشخصه‌های غشاهای گرافنی بوده است. مشخصه‌هایی که بررسی شده‌اند عبارتند از فرکانس نوسان مکانیک حرارتی، ضریب کیفیت غشاها، مقاومت صفحات گرافنی، تنش و کشش وارد آمده بر غشاهای گرافن. روش اصلی مشخصه‌یابی مکانیکی غشاهای گرافن معلق، استفاده از ارتعاش‌سنجی لیزر داپلر است. همچنین سامانه‌ی آزمایش ترمیم حرارتی با قابلیت افزایش دما تا 250 درجه‌ی سانتی‌گراد در هوا و خلا و سامانه‌ی آزمایش گاز به منظور مشخصه‌یابی نوری، مکانیکی و الکتریکی غشاهای گرافن معلق طراحی و ساخته شده است. آرایه‌ای از حفره‌های سرتاسری میکرومتری به قطر 2 تا 750 میکرومتر بر روی ویفر‌های سیلیکون/ اکسید سیلیکون به همراه الکترودهایی از جنس طلا ساخته شد. سپس صفحات گرافن تک لایه و دولایه سنتز شده به روش لایه‌نشانی بخار شیمیایی به کمک لایه PMMA بر روی حفره‌های میکرومتری انتقال داده شده است. پس از بررسی طولانی، دلیل پاره شدن غشاها و پایین بودن بازده فرایند انتقال و حذف لایه‌ی PMMA مشخص شد. روشی ابداع شد تا ورقه‌های گرافن با کمترین نقص ممکن بر روی تراشه‌ها با حفره‌های سرتاسری منتقل شوند و لایه‌ی PMMA با کمترین فشار از سطح گرافن حذف شود. به کمک روش ابداع شده ساخت غشاهای گرافن تک‌لایه و دولایه به ترتیب به قطر 500 و 750 میکرومتر با بازده بالا و کیفیت بسیار بالا برای اولین بار امکان‌پذیر شد. همچنین بازده فرایند برای ساخت غشاهای گرافن تک‌لایه و دولایه معلق به قطر کمتر از 100 میکرومتر به ترتیب بیشتر از 45% و 65% حاصل شده است. در پایان به منظور حذف اندک باقی‌مانده‌های ناخالصی و هرچه تمیزتر کردن غشاهای گرافن معلق، کارایی عملیات ترمیم حرارتی نیز مورد بررسی قرار گرفت. علاوه بر این تغییرات فرکانس نوسان غشاهای گرافن معلق در اثر عبور جریان گازهای مختلف با شبیه‌سازی مدل المان محدود مورد مطالعه قرار گرفته است. مسئله به صورت تقابل غشا – سیال براساس قابلیت ارتجاع خطی و معادلات خطی جریان سیالات تعریف شد. اثر سرعت جریان گاز، غلظت گاز و سنگین‌تر شدن گاز هدف بر تنش وارده بر غشا گرافن معلق و فرکانس نوسان آن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج شبیه‌سازی بدست آمده تطابق بسیار خوبی با نتایج آزمایشگاهی و پژوهش‌های منتشر شده قبلی نشان داده است. کلمات کلیدی: مواد دوبعدی، گرافن، غشاهای گرافن معلق، روش انتقال به کمک پلیمر، روش شناور معکوس، ارتعاش‌سنجی داپلر، فرکانس نوسان، ضریب کیفیت، ضریب کشش