Manufacturing of graphene nanodisks for surface plasmon measurements

Abstract

Grafeeni on ilmestynyt tieteen rintamalle kovalla ryminällä vasta viimeisen 13 vuoden aikana, mutta on jo nyt yksi mielenkiintoisimmista tutkimuskohteista, jolla voisi olla lukuisia sovelluksia tulevaisuudessa. Grafeeni on ilmestynyt myös plasmoniikan tutkimuskohteeksi sen lukuisten ainutlaatuisten sähköisten ja optisten ominaisuuksien takia ja sen ominaisuuksien muokattavuuden helppouden takia. Grafeeni voisi mahdollisesti korvata yleisesti käytössä olleet jalot metallit kuten kullan ja hopean pintaplasmonien tuotossa ja tutkimuksessa ja voisi johtaa uudenlaiseen valon kontrollointiin nanoskaalassa ja optiikan ja elektroniikan yhdistämiseen tässä pienessä mittakaavassa.

Tässä työssä tavoitteena oli "hole-mask colloidal"-litografiamenetelmän muokkaaminen ja tarvittavien valmistusvaiheiden tutkiminen ja kehitys. Tavoitteena oli saada tehtyä näytteitä, joilla olisi 200 nm kokoisia grafeeninanokiekkoja sopivalla etäisyydellä toisistaan ja jotka kattaisivat suurimman osan näytteen pinnasta. Näitä grafeeninanokiekkoja tutkittaisiin sitten infrapunaspektroskopialla. Tavoitteena olisi saada näkyviin pintaplasmoneista johtuvia resonansseja spektreissä sekä näiden voimakkuuden ja aallonpituuden muuttaminen sähköisellä seostamisella eli tässä tapauksessa tuomalla eri vahvuista hilajännitettä grafeenikiekoille.

Grafeeninanokiekkojen valmistus onnistui kohtuullisen hyvin ja varsin luotettava valmistusmenetelmä saatiin kehitettyä, vaikkakin jonkinlaista epäpuhtautta näytteisiin jäikin todennäköisesti asetonipuhdistuksesta johtuen. Pintaplasmonimittaukset eivät sen sijaan onnistuneet lainkaan eikä plasmoniresonansseja saatu näkyviin missään näytteissä. Tälle voisi useitakin syitä löytyä, mutta mahdollisesti käytetty grafeeni ei ollut kovin hyvää näitä mittauksia ajatellen tai käytetty spektrometri ei ollut tarpeeksi hyvä näin ohuiden näytteiden mittaamiseen. Mittauksia olisi voitu myös parantaa, jos näytteiden pinta-alasta suurempi osa olisi sisältänyt grafeeninanokiekkoja.

Graphene has emerged as a promising candidate to replace noble metals as a plasmonic material due to its unique properties and tunability. Graphene plasmonics offer possibilities of controlling light in nanoscale devices and merging optics with electronics. The goal of this thesis was to modify a hole-mask colloidal lithography method to find out a fabrication method that could be used to manufacture samples of a randomly organized array of 200 nm sized graphene nanodisks with some distance between them and with a good amount of the sample covered by the nanodisks. These graphene nanodisks would then be studied for their surface plasmon properties by measuring their infrared spectra with a Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscope. The energies and strengths of these surface plasmons in graphene nanodisks can be tuned by electrical doping which was studied as well.

The manufacturing of graphene nanodisks was rather successful. A fairly reliable method to produce nanodisks was successfully developed with arrangement and amount of nanodisks just as desired but with some impurities still left in the samples, probably due to the final removal and cleaning with acetone. However, the surface plasmon measurements were a failure and no plasmons could be seen in any of the samples which could be due to multiple reasons such as the graphene not being good enough for measurements or the spectroscope not being able to reliably measure these extremely thin samples. The measurements could have been improved by an even better coverage of the graphene nanodisks in the samples.