| Summary: | Gas detection at small concentrations is usually done using transition metal oxides. These
semiconductors are, however, strongly dependent on parameters and conditions of growth
and processing. Graphene attracts a big interest in science and technology due to its
exceptional electric properties, and this truly 2-dimensional material has a great promise to be used as highly sensitive gas sensor. In this thesis, CVD and epitaxial graphene samples have been investigated in order to improve their sensitivity in gas sensing applications. The response of the sensor to different concentrations of detected gas was observed as a relative change of resistance of the sample. The aim of this study was to find optimal parameters in application of a graphene based gas sensor, and to optimize the contacting area between
graphene and metal for achieving stable contacts with low resistance. Three different kinds of
metal-graphene contacts and several different metals for contacting to graphene were studied.
Different temperatures and humidity levels as well as irradiation with 370 nm UV-light were
used to find optimal conditions for sensing NO2 gas. The sensitivity to O3 was also studied. An
optimized sensor exhibited response to 20 ppb concentration of O3. In NO2 detection, the
response was increased significantly by heating samples above 100 °C. In a tested epitaxial
SiC sample, the resistive response to 10 ppb concentration of NO2 increased from 0.8 % in
normal temperature to 1.4 % in elevated temperatures. Increasing of the temperature was also
found to improve the linearity of response and to increase desorption rate of the molecules
from graphene surface, allowing faster recovery after exposure. Annealed contacts with an
additional graphite layer under the topmost metal layer, and with striped and dot-like
geometry were found to have lower contact resistance (around 600 Ω) than a traditional
contact with no additional patterning or graphite.
Pienten kaasupitoisuuksien mittaus on perinteisesti suoritettu erilaisilla metalli-oksidiantureilla.
Näiden puolijohdemateriaalien ominaisuudet ovat kuitenkin vahvasti riippuvia
valmistusprosessin olosuhteista ja parametreistä. Grafeeni on tällä hetkellä tiedeyhteisön
mielenkiinnon kohteena erikoisten sähköisten ominaisuuksiensa vuoksi. Tämä kaksiulotteinen
materiaali tarjoaa mahdollisuuden erittäin pienien kaasupitoisuuksien tarkkaan mittaamiseen.
Tässä työssä CVD- ja epitaksikasvatettuja grafeeninäytteitä on tutkittu niiden
kaasuntunnistuskyvyn parantamiseksi. Myös kolmea erilaista metalli-grafeeni-kontaktia ja
useita eri metalliyhdistelmiä tutkittiin. Tämän työn tavoitteena oli löytää parhaat mahdolliset
ympäristöolosuhteet grafeeniantureiden resistiivisen vasteen mittaamiseen perustuvia
kaasutunnistussovelluksia varten sekä pienentää kontaktiresistanssia ja parantaa metalligrafeeni-
kontaktien luotettavuutta. Optimaalisten olosuhteiden löytämiseksi grafeenin
herkkyyttä NO2-kaasulle testattiin eri lämpötiloissa, eri kosteusolosuhteissa ja 370 nm UVsäteilyn
aikana. Grafeenin herkkyyttä O3-kaasulle tutkittiin myös. 20 miljardisosan (ppb) O3-
pitoisuus riitti aiheuttamaan huomattavan muutoksen grafeenin resistanssissa. NO2-
mittauksissa resistiivistä vastetta eri kaasupitoisuuksille pystyttiin parantamaan huomattavasti
lämmittämällä näytteitä yli 100 °C lämpötilaan. Resistanssin muutos huoneenlämmössä oli
noin 0.8 % ja lämmityksen jälkeen noin 1.4 % epitaksikasvatetulle näytteelle 10 ppb:n NO2-
konsentraatiota mitattaessa. Korkeat lämpötilat myös paransivat vasteen lineaarisuutta ja
nopeuttivat grafeenipinnalle adsorpoituneiden molekyylien desorptiota, puhdistaen grafeenin
pintaa ja mahdollistaen nopean palautumisen altistuksesta kaasulle. Lämpökäsitellyt kontaktit
ja grafiittikerros ylimmän metallikerroksen alla pienensivät kontaktiresistanssia. Pistemäisillä
ja sormimaisilla kontaktityypeillä saatiin kontaktiresistanssia pienennettyä verrattuna
perinteiseen suoraan kontaktipintaan. Sormimaisella, kahdesti lämpökäsitellyllä kontaktilla,
jossa oli grafiittikerros ylimmän metallikerroksen alla, kontaktiresistanssi oli pienimmillään
noin 600 Ω.
|
|---|