Artjom Berholts kaitseb doktoritööd "Light-enhanced sensors of oxidizing gases based on single-layer CVD graphene"

20. novembril 2024 kell 14.15 kaitseb Artjom Berholts doktoritööd "Light-enhanced sensors of oxidizing gases based on single-layer CVD graphene".

Juhendajad:   kaasprofessor Raivo Jaaniso, Tartu Ülikool
                          kaasprofessor Harry Alles, Tartu Ülikool
Opponent:      Prof. Krisztián Kordás, Oulu Ülikool

Kokkuvõte

Grafeenil põhinevad ja UV-valgusega aktiveeritud oksüdeerivate gaaside sensorid
Edendatud funktsionaalsete omadustega (suur tundlikkus, selektiivsus ja stabiilsus; väike võimsustarve) gaasisensorid on vajalikud erinevate looduslikest või inimtekkelistest allikatest pärinevate gaaside tuvastamisel. Grafeeni, ainult ühest süsinikuaatomite kihist koosneva materjali avastamine lõi ideaalse aluse uute gaasisensorite loomiseks, sest selle materjali kogu pind on avatud mõõdetavale keskkonnale.
    Käesolev doktoritöö on fokusseeritud ultravioletse (UV) valguse mõju uurimisele grafeenil põhinevate hapniku (O2) ja lämmastikdioksiidi (NO2) sensorite funktsionaalsetele omadustele. 
Töö esimeses osas uuriti UV-valguse mõju keemilise aurufaassadestusega valmistatud grafeeni elektrilistele omadustele ja nende hapnikutundlikkusele. Demonstreeriti, et UV-valgus muudab algul praktiliselt inertse grafeenisensori tundlikuks õhuhapniku suhtes ja kiirendab oluliselt sensori signaali koste- ja taastumiskiirust.
Järgmisena uuriti grafeenisensorite omadusi ühe olulisima ja juba väikeses koguses tervist kahjustava õhusaastegaasi, NO2, detekteerimisel; seejuures kasutati lisaks puhtale grafeenile ka funktsionaliseeritud grafeeni. Viimane materjal oli valmistatud laserablatsiooni meetodiga: grafeenile oli kantud üliõhuke, vaid mõne aatomi paksune oksiidi- (ZrO2, TiO2) või metallikiht (Ag). Tulemusena saavutati grafeenisensorite tundlikkuse oluline tõus, mis võimendus UV-valguse kasutamisega. Suurim tundlikkus saadi titaanoksiidiga kaetud grafeenisensoritega, millel testiti gaasikontsentratsioone kuni 10 ppb (10 osa miljardi kohta) ning hinnati detekteerimisläveks 0,03 ppb. Lisaks demonstreeriti grafeen/TiO2 sensori suurepärast selektiivsust, kuna signaalikosted NO2 korral ületasid oluliselt teiste saastavate gaaside (CO, SO2 ja NH3), aga ka niiskuse mõjul tekkivaid kosteid.
Kokkuvõttes näidati, et grafeeni ja sellel põhinevate sensormaterjalide kasutamine väikese võimsusega UV-valguse (365 nm) mõju all võimaldab märkimisväärselt suurendada nende tundlikkust uuritavate gaaside suhtes ning suurendada koste- ja taastumiskiirust nii, et kõik funktsionaalsed parameetrid on rakenduste jaoks sobivas vahemikus toatemperatuuril töötavate sensorite korral.