Electrical measurements of femtosecond laser treated graphene

Tutkielman pääasiallinen tavoite oli valmistaa sähköisiin mittauksiin sopivia grafeenilaitteita ja tutkia femtosekuntilaserkäsittelyn vaikutusta grafeenin sähköisiin ominaisuuksiin. Tutkielmassa käsitellään grafeenin valmistamista kemiallisella kaasufaasipinnoituksella, laitegeometrian määrittelyä ja käsittelemättömän, sekä femtosekuntilaserilla käsitellyn grafeenin sähköisiä mittauksia. Grafeenin synteesin alustana käytettiin kupariohutkalvoja ja pääasiallisena lähtöaineena oli etanoli tai metaani. Metaanin käyttö grafeenin synteesissä johti paremmin toistettaviin tuloksiin. Lisäksi havaittiin, että synteesissä käytetyn uunin latausjärjestelmän teräksinen osa lisäsi kupariohutkalvon reikiintymistä synteesin aikana. Teräsosan vaihtaminen kvartsiin vähensi huomattavasti reikiintymistä. Laitegeometria määriteltiin käyttämällä elektronimikroskooppi pohjaista litografiaa. Prosessissa grafeenin ja resistin väliin höyrystettiin ohut metallikalvo, jonka avulla pyrittiin välttämään resististä jääviä epäpuhtauksia grafeenilaitteiden pinnalla. Grafeenin sähköisiä ominaisuuksia mitattiin huoneilmassa, typessä, kosteuskammiossa ja matalassa lämpötilassa. Mittauksista pystyi näkemään grafeenin varauksenkuljettajatiheyden määrittämän sähkönjohtavuuden, sekä ilmakehän hiukkasten ja substraatin varausansojen varauksen vaikutuksen varauksenkuljettajatiheyteen. Grafeenin femtosekuntilaserkäsittely tehtiin typessä ja huoneilmassa. Huoneilmassa tehty käsittely hapetti grafeenin nostaen samalla sen sähköistä vastusta. Hapetuksen vahvuutta pystyttiin lisäämään askeleittain tai vaihtoehtoisesti grafeenin voitiin hapettaa suoraan eristäviä kuvioita. Käsittely hapetti grafeenin rikkomatta hilan yhtenäisyyttä ja reaktio näytti tapahtuvan vain päällimmäisille, ilmakehän kanssa kosketuksissa oleville, kerroksille. Typessä tehty femtosekuntilaserkäsittely lisäsi negatiivisten varauksenkuljettajien määrää grafeenissa (n-tyyppinen douppaus) ja tämän käsittelyn avulla pystyttiin määrittämään myös epätasaisia varauksenkuljettajaprofiileja grafeeniin. Typessä käsitelty grafeeni vuorovaikutti huomattavasti huoneilman molekyylien ja substraattien varausansojen kanssa.