Development of graphene-based transducers and devices

Abstract

Graphene, the base sp2 carbon form, has been acclaimed by the scientific community as a “wonder material” with enormous disruptive impact in a wide range of technological fields. Its discovery triggered the development of a whole new field in Physics and Materials Sciences, that of 2D materials, which is still growing past sixteen years. This field encompasses an array of subareas that exploit the outstanding thermal, electrical and mechanical properties of graphene, as well as new quantum phenomena made observable at easier experimental conditions due to the particular structure and topology of this material. This thesis aims at expanding one of these areas, that of mechanical transduction, with focus on sensorization technologies. With this goal, two graphene-based materials are studied: the 3D laser-induced graphene (LIG) foams and few-layer graphene films produced by chemical vapor deposition (CVD). Regarding LIG, in the field of sensors, piezoresistive devices are developed with higher spatial resolution and force-sensitivity than the competing literature alternatives. These sensors, produced in polyimide substrates by ultraviolet laser radiation, are explored for the detection of biophysical signals, namely the arterial pressure wave. New environment-friendly platforms to produce this material are also studied, namely cork, on which piezoresistive pressure sensors are developed to monitor the plantar pressure along the gait. In the field of actuators, the thermoacoustic effect is explored for the generation of sound, and the practical viability of the commercial use of devices using this transduction method is evaluated. The CVG-grown graphene films are explored to develop a new production technique able to suspend ten-layer graphene over cavities of up to four millimeters in diameter. These membranes achieve the highest suspended area per number of layers ratio found in the literature. The application of these millimeter sized films is demonstrated through the production of a wideband condenser microphone with increased specific response. The method developed to obtain suspended graphene through the sublimation of the transfer supporting layer is a technical solution that allows progresses in other diverse fields.

O grafeno, a forma básica do carbono sp2, tem sido aclamado pela comunidade científica como um “material maravilha” com enorme potencial disruptivo em várias áreas tecnológicas. A sua descoberta despoletou o desenvolvimento de um novo campo da Física e Ciência de Materiais, o dos materiais 2D, que passados dezasseis anos continua em franca expansão. Este novo campo abrange diversas subáreas que beneficiam das extraordinárias propriedades térmicas, elétricas e mecânicas do grafeno, bem como de novos fenómenos quânticos que, pela particular estrutura e topologia deste material, se tornam observáveis em condições experimentais de mais fácil acesso. Esta tese tem como objetivo expandir uma destas áreas, a da transdução mecânica, com enfoque nas tecnologias de sensorização. Para tal, são estudados dois tipos de materiais à base de grafeno: as espumas 3D de grafeno induzido por laser (LIG) e filmes de grafeno de poucas camadas produzidos por deposição química em fase de vapor (CVD). No que diz respeito ao LIG, no campo dos sensores são desenvolvidos dispositivos piezorresistivos com maior resolução espacial e sensibilidade a forças do que as alternativas encontradas na literatura. Estes sensores, produzidos em substratos de poliimida por irradiação laser no ultravioleta, são explorados para a deteção de sinais biofísicos, tais como a onda de pressão arterial. No âmbito deste trabalho são ainda exploradas novas plataformas amigas do ambiente para a produção e aplicação deste material, nomeadamente a cortiça, na qual são produzidos sensores piezorresisitivos aplicados à monitorização da pressão plantal ao longo da marcha. No campo dos atuadores, é estudado o efeito termoacústico para a geração de som, sendo avaliada a sua viabilidade prática para dispositivos comerciais. Os filmes de grafeno produzidos por CVD são explorados para desenvolver uma nova técnica de produção, capaz de suspender filmes de dez camadas sobre cavidades com até quatro milímetros de diâmetro. Estas membranas apresentam o maior valor de área suspensa, normalizada ao número de camadas, encontrado na literatura. A aplicação destes filmes milimétricos suspensos é demonstrada através da construção de um microfone sensível numa vasta gama de frequências e elevada resposta específica. O método desenvolvido para obter grafeno suspenso através da sublimação da camada de suporte constitui uma solução técnica potenciadora de progressos em diversas outras áreas.