Materiales híbridos grafeno-metal para detección óptica
- Autores: Leopoldo Álvarez Fraga
- Directores de la Tesis: Asunción de Andrés Miguel (dir. tes.), Carlos Andrés Prieto de Castro (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Número de páginas: 281
- Tribunal Calificador de la Tesis: José García Solé (presid.), Clara Blanco Rodríguez (secret.), Enrique Iborra Grau (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Materiales Avanzados y Nanotecnología por la Universidad Autónoma de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
Este trabajo de Tesis doctoral ha tenido por objetivo, por una parte, el estudio básico de algunos aspectos relevantes en cuanto a las propiedades del grafeno o en cuanto a su interacción con otros componentes empleados en la fabricación de materiales híbridos desarrollados para distintas aplicaciones. Otra parte muy importante es el diseño, estudio y desarrollo de nuevos sistemas para esas aplicaciones. Existe una literatura extraordinariamente extensa sobre cualquiera de las propiedades y aplicaciones del grafeno con numerosísimos artículos de revisión excelentes por lo que en esta Tesis se introducen algunos de los problemas existentes que han sido abordados y las aplicaciones relacionadas con este trabajo, como son: la calidad del grafeno en función de las características del metal empleado como catalizador en su síntesis, el papel del grafeno en cuanto a película impermeable, el papel del grafeno en la modificación del metal sobre el que se sintetiza, el grafeno como parte de materiales híbridos para la fabricación de electrodos transparentes y para la realización de sensores ópticos, los distintos mecanismos para la amplificación de la señal Raman y la funcionalización del grafeno para su uso como sensor.
Se ha estudiado el impacto del método de limpieza del sustrato de cobre en la calidad del grafeno, determinando que la limpieza con AcOH y posterior oxidación al aire a 250 ºC provee los mejores resultados.
Se propone una aproximación innovadora de preparación de conductores transparentes consistentes en micro-redes de cobre metálico recubiertas de grafeno para su utilización como electrodos transparentes. Las condiciones de preparación permiten optimizar el compromiso entre transmitancia óptica y conductividad eléctrica gracias a la eliminación parcial del metal, aumentando la transparencia global sobre un sustrato transparente.
Se ha detectado la formación espontánea a largo plazo (meses) de burbujas de gas contenidas entre el grafeno y el cobre utilizado para su síntesis. El estudio de estas burbujas muestra la capacidad del grafeno para encapsular gases; además ha proporcionado las condiciones necesarias para obtener un grafeno suspendido que ha permitido analizar la amplificación de la señal Raman por interferencia con el cobre que lo soporta. Se han observado valores de amplificación que pueden ser clave para la detección de una sola molécula utilizando plataformas con arquitecturas simples con grafeno en superficie que proporciona un soporte adecuado para el depósito de nanopartículas metálicas, moléculas o material biológico.
Se ha estudiado el proceso de oxidación a lo largo de un año de diferentes sustratos de cobre (hoja de cobre policristalina y láminas delgadas altamente texturadas en diferentes direcciones cristalinas) recubiertos con grafeno y sin grafeno. Como resultado se propone un mecanismo que explica la oxidación del cobre policristalino en el que el oxígeno necesario proviene del interior del cobre. Además de formar el óxido de cobre en superficie, la segregación del oxígeno ocluido resulta encapsulado por la capa de grafeno demostrando su impermeabilidad. El contenido inicial de oxígeno así como la existencia de fronteras de grano son los factores principales que determinan la relevancia de este proceso. En particular, se ha demostrado que el grafeno favorece la oxidación de la hoja de cobre utilizada como sustrato (porque el oxígeno proviene del interior) pero protege las láminas delgadas de su oxidación (debido a que no tienen oxígeno ocluido).
Se han realizado simulaciones usando el método de la matriz transferida para calcular la amplificación de la luz en la propagación a través de la heteroestructura (reflector/dieléctrico/grafeno) para un gran número de materiales con el objetivo de optimizar dicho efecto.
Se han estudiado, diseñado y fabricado plataformas que utilizan la amplificación óptica por interferencia para la detección de moléculas. Estas plataformas están basadas en la combinación aditiva de las amplificaciones por interferencia y por efecto de proximidad a superficie (IERS+SERS) utilizando un sistema multi-componente de heteroestructura multicapa que incorpora las propiedades del grafeno. Con estas plataformas optimizadas ha sido posible la amplificación de la intensidad de la señal Raman para la detección de moléculas de referencia demostrando que es posible la combinación aditiva de los efectos IERS+SERS. Se ha estudiado el mecanismo de crecimiento de grafeno sobre películas ultra-delgadas de rutenio; en particular el proceso de incorporación de carbono en la fase metálica y la formación de la capa de grafeno. Este método de síntesis ha permitido, por primera vez, la obtención de láminas nano-cristalinas de carburo de rutenio (RuC) así como multicapas y monocapas de grafeno sobre rutenio nano-estructurado. Las propiedades de estos materiales son prometedoras para aplicaciones plasmónica en el ultravioleta.
Se ha propuesto una nueva ruta de síntesis para funcionalizar in-situ grafeno-CVD con grupos carboxílicos (-COOH) que no requiere tratamientos químicos en disolución posteriores. De esta manera se evita la necesidad de inducir defectos en la red del grafeno para crear puntos de anclaje de los grupos funcionales que facilitan la posterior unión con otros grupos específicos presentes en diferentes moléculas biológicas. Este proceso permite disponer de materiales con aplicación en sensores ópticos o electrónicos de biomoléculas y/o monitorización del crecimiento celular.
