Caracterització optoelectrònica del grafè a altes freqüències i anàlisi dels efectes produïts en el grafè degut a diferents substrats

Abstract

This project represents the continuation of the previous study about the analysis graphene optical and electronic properties over a wide frequency range: terahertz, near-infrared, visible band and near-ultraviolet. In this study we analyze new graphene variations compared to the samples studied in the previous project in order to examine the different physical magnitudes that are produced in a material when a single layer of graphene is transferred on its surface and thus provide a more detailed characterization of this material. Essentialy, in the current project has data processing methods has been improved, optimizing the analytical algorithms to be able to obtain, more efitiently, a large group of optoelectronic properties of any material, in a computational time dramatically lower, with a duration of approximately 3 seconds, when earlier it would took from 10 to 30 h. We present what is graphene and its various exceptional properties that presents this material, showing its structure and known properties. This project studied in detail this material using several measurement methods that allow us to perform a spectral characterization of at THz, near infrared, visible and near ultraviolet and subsequently, we perform a frequency analysis of some of the main electrical and optical properties of samples that contains graphene. We present a study and comparison of the obtained variations due to external factors such as the dopant type on graphene –p-doped and undoped–, a study about the different types of substrate onto which has been transferred and the number of layers of this material and the different methods of obtaining graphene. Graphene properties studies at THz frequencies has been performed with the THz-TDS method, that allows to analyze the optical and electrical properties of different samples of graphene, on various substrates, quickly and non-destructive, because it does not implement electric contacts that may cause defects in the structure of graphene. Given that the experimental device associated with this method was occasionally non-aligned, we had to perform an entire process of adjustment and calibration of the optical system and, as a result, we have obtained further improvements in data collection with an increase in the measured resolution with a useful signal amplification of 2.24 dB, and as a direct consequence, the frequency range of data valid was increased from 2 to 3 THz. Furthermore, we analyze the effect produced by transferring a graphene layer on a material surface carrying out an analysis of the overall optoelectronic properties of all the samples to determine the quality and the performance that would fit in today’s market, compared to the most currently used materials in the production of optoelectronic devices.

Este proyecto representa la continuación del estudio realizado anteriormente sobre el análisis de las propiedades ópticas y electrónicas que presenta el grafeno a frecuencias comprendidas en las bandas de los terahercios, el infrarrojo cercano, la banda visible y el ultravioleta cercano. En este estudio se analizan nuevas variaciones del grafeno respecto a las muestras estudiadas en el proyecto anterior con el objetivo de examinar las diferentes magnitudes físicas que se producen en un material cuando se deposita una monocapa de grafeno sobre su superficie y así proporcionar una caracterización más detallada de este material. Esencialmente, en el proyecto actual se ha mejorado los métodos de procesado de datos, optimizando los algoritmos analíticos para ser capaces de obtener, de forma mucho más eficiente, un gran conjunto de propiedades optoelectrónicas de un material cualquiera, en un tiempo computacional drásticamente inferior, con una duración de aproximadamente 3 segundos, cuando anteriormente podía llegar a tardar entre 10 y 30 h. Se presenta qué es el grafeno y las diversas propiedades excepcionales que presenta este material, presentando su estructura y sus propiedades ya conocidas. Este proyecto estudia con detalle este material utilizando varios métodos de medida que permiten realizar una caracterización espectral a frecuencias de los terahercios, infrarrojo cercano, visible y ultravioleta cercano y posteriormente se realiza un estudio frecuencial de algunas de las principales propiedades ópticas y eléctricas de las muestras que presentan grafeno. Se elabora un estudio y comparación de las variaciones que se obtienen debido a factores externos, como el tipo de dopante utilizado sobre el grafeno –dopado tipo-p y sin dopar–, los diferentes tipos de sustrato sobre el cual se ha transferido, el número de capas que presenta este material y los diferentes métodos de obtención del grafeno. El estudio de las propiedades del grafeno a las frecuencias de THz se ha realizado con el método THz-TDS, el cual permite analizar las propiedades ópticas y eléctricas de las diferentes muestras de grafeno, sobre diferentes sustratos, de una forma muy inmediata y no destructiva, dado que no implementa contactos eléctricos que puedan ocasionar defectos en la estructura del grafeno. Dado que el dispositivo experimental asociado con este método quedó ocasionalmente no-alineado, se ha tenido que realizar todo un proceso de ajuste y calibrado del sistema óptico con el que se han obtenido nuevas mejoras en la obtención de datos, consiguiendo un incremento en la resolución con una amplificación del señal útil medido de 2.24 dB, y como consecuencia directa, se ha llegado a incrementar el rango frecuencial donde los datos son válidos, incrementando la cota superior de 2 THz a 3 THz. Además, se estudia el efecto que se produce al transferir una capa de grafeno sobre la superficie de un material realizando un análisis de las propiedades optoelectrónicas del conjunto de las muestras para determinar la calidad y las prestaciones que tendrían el mercado actual, comparándolo con los materiales más utilizados actualmente en la elaboración de dispositivos optoelectrónicos.

Aquest projecte representa la continuació de l’estudi realitzat anteriorment sobre l’anàlisi de les propietats òptiques i electròniques que presenta el grafè a freqüències compreses a les bandes dels terahertz, l’infraroig proper, la banda visible i l’ultraviolat proper. En aquest estudi s’analitzen noves variacions del grafè respecte a les mostres estudiades en el projecte anterior amb l’objectiu d’examinar les diferents magnituds físiques que es produeixen en un material quan es deposita una monocapa de grafè a la seva superfície i així proporcionar una caracterització més detallada d’aquest material., Essencialment, en el projecte actual s’ha millorat els mètodes de processat de dades, optimitzant els algorismes analítics per ser capaços d’obtenir, de manera molt més eficient, un gran conjunt de propietats optoelectròniques d’un material qualsevol, en un temps computacional dràsticament inferior, amb una duració d’aproximadament 3 segons, quan anteriorment podia arribar a trigar entre 10 i 30 h. Es presenta què és el grafè i les diverses propietats excepcionals que ofereix aquest material, presentant la seva estructura i les seves propietats conegudes. Aquest projecte estudia amb detall aquest material utilitzant diversos mètodes de mesura que permeten realitzar una caracterització espectral a freqüències de terahertz, infraroig proper, visible i ultraviolat proper i posteriorment es realitza un estudi freqüencial d’algunes de les principals propietats òptiques i elèctriques de les mostres que presenten grafè. S’elabora un estudi i comparació de les variacions que s’obtenen per causa de factors externs, com el tipus de dopant utilitzat sobre el grafè –dopat tipus-p i no dopat–, els diferents tipus de substrat sobre el qual s’ha transferit, el número de capes que presenta aquest material i els diferents mètodes d’obtenció del grafè. L’estudi de les propietats del grafè a les freqüències de THz s’ha realitzat amb el mètode THz-TDS, el qual permet analitzar les propietats òptiques i elèctriques de les diferents mostres de grafè, sobre diferents substrats, d'una manera molt immediata i no destructiva, ja que no implementa contactes elèctrics que puguin ocasionar defectes a l’estructura del grafè. Donat que el dispositiu experimental associat amb aquest mètode va quedar ocasionalment no-alineat, s’ha hagut de realitzar tot un procés d’ajust i calibrat del sistema òptic amb el qual s’han obtingut noves millores en la l’obtenció de dades, aconseguint un increment en la resolució amb una amplificació de la senyal útil mesurada de 2,24 dB, i com a conseqüència directa, s’ha arribat a incrementar el rang freqüencial on les dades són vàlides, incrementant la cota superior de 2 THz a 3 THz. A més, s’estudia l’efecte que es produeix al transferir una capa de grafè sobre la superfície d’un material realitzant un anàlisi de les propietats optoelectròniques del conjunt de les mostres per determinar la qualitat i les prestacions que tindrien per a algunes aplicacions concretes i la seva possible implantació en el mercat actual, comparant-lo amb els materials més utilitzats actualment en l’elaboració de dispositius optoelectrònics.