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Laserstrukturierung von Graphenoxid für Phototronic-Sensoren und nanoskalige Charakterisierung (PHOTOSEN)

Fachliche Zuordnung Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Mikrosysteme
Förderung Förderung von 2020 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430426661
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Wir untersuchten die Anwendung der Lasertechnologie zur Feinabstimmung der Eigenschaften von Graphenoxid (GO)-Materialien für verbesserte Sensoranwendungen. Ziel war es, die Austrittsarbeit und die Bandlücke von Schichten aus reduziertem Graphenoxid (rGO) durch präzise Laser- und Materialeinstellungen zu steuern. In dem Projekt wurden auch die Mechanismen des Elektronentransports und der Elektronenleitung für verschiedene strukturierte Schichten untersucht, um die Empfindlichkeit zu verbessern, und es wurde erforscht, wie die Abstimmung der dielektrischen Eigenschaften in Mikrostrukturen die Adsorption chemischer Spezies und die daraus resultierenden Eigenschaften beeinflusst. Um die Austrittsarbeit von laserbehandelten rGO-Elektroden zu bestimmen, wurde zunächst mit Hilfe der Raman-Spektroskopie die Parameter für eine optimale Reduktion bei 30 mW IR fs-Laserleistung bestimmt. Röntgenphotoemissions-Spektroskopie (XPS)-Messungen ergaben, dass sich die Austrittsarbeit bei konstanter Leistung durch Variation der Mustergeschwindigkeit zwischen 4,95 und 5,05 eV verschiebt. Die Austrittsarbeit hängt auch von der cw-Laser- Laserleistung (660-960 mW) ab (4,85 - 5,1 eV). Die Bandlücke von GO-Filmen nimmt mit zunehmender cw-Laserleistung im Bereich 540-810 mW von 3,4 auf 1,6 eV ab, bis ein Plateau erreicht wird, obwohl eine qualitative Bewertung aufgrund der komplexen Struktur des Materials und der Ablation bei höherer Laserintensität schwierig ist. Das FIT (Engl. Fluctuation Induced Tunnelling)-Modell erklärt die Temperaturabhängigkeit des Widerstands in laserreduziertem rGO am besten. Es wurden auch miniaturisierte Strukturen entwickelt, darunter vollständig reduzierte GO-Sensoren und Strukturen mit interdigitalen Elektroden (IDE), wobei IDEs eine höhere Empfindlichkeit für die Messung von Feuchtigkeit und flüchtigen organischen Verbindungen aufweisen. Im Rahmen des Projekts wurden außerdem Heterostrukturen wie GO-rGOx- und rGOx-rGOy- Übergänge unter Verwendung verschiedener Laserreduktionsparameter untersucht. Diese Strukturen verbessern die Lichtempfindlichkeit und erzeugen einen breiten spektralen Photorespons. Darüber hinaus bestimmten wir die Austrittsarbeit und Bandlücken von symmetrischen und asymmetrischen Elektroden und stellten fest, dass rGOx-rGOy-Heterostrukturen asymmetrische I-U-Charakteristiken mit hoher Photoresponsivität von >3 A/W bei roten Wellenlängen von 650 nm aufweisen. Eine van-der-Waals-Barriere bildete Heterostrukturen mit negativem Differentialwiderstand, in denen der photothermoelektrische Effekt dominierte und unter Laserlicht signifikante Ströme und Spannungen erzeugte. Dehnungsempfindlichkeitstests zeigten, dass die Ausrichtung des Laserschreibens die Leistung der rGO-Sensoren erheblich beeinflusst, wobei ein K-Faktor (GF) von 16 erzielt wurde. Die erhöhte piezophototronische Empfindlichkeit steht im Zusammenhang mit der Abstimmung der optischen Eigenschaften.

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