Functionalized Epitaxial Graphene As Versatile Platform For Air Quality Sensors

The work presented in this thesis focuses on epitaxial graphene on SiC as a platform for air quality sensors. Several approaches have been tested and evaluated to increase the sensitivity, selectivity, speed of response and stability of the sensors. The graphene surfaces have been functionalized, for example, with different metal oxide nanoparticles and nanolayers using hollow-cathode sputtering and pulsed laser deposition. The modified surfaces were investigated towards topography, integrity and chemical composition with characterization methods such as atomic force microscopy and Raman spectroscopy. Interaction energies between several analytes and nanoparticle-graphene-combinations were calculated by density functional theory to find the optimal material for specific target gases, and to verify the usefulness of this approach. The impact of environmental influences such as operating temperature, relative humidity and UV irradiation on sensing properties was investigated as well. To further enhance sensor performances, the first-order time-derivative of the sensor’s resistance was introduced to speed up sensor response and a temperature cycled operation mode was investigated towards selectivity. Applying these methods in laboratory conditions, sensors with a quantitative readout of single ppb benzene and formaldehyde were developed. These results show promise to fill the existing gap of low-cost but highly sensitive and fast gas sensors for air quality monitoring. Der Fokus dieser Thesis liegt auf der Erforschung von epitaxialem Graphen auf SiC als Plattform für Luftgütesensoren. Diverse Ansätze wurden untersucht, um die Sensitivität, Selektivität, Reaktionsgeschwindigkeit und Stabilität der Sensoren zu verbessern. Die Graphenoberfläche wurde unter anderem mit Metalloxid-Nanopartikeln oder nanometerdünnen Schichten funktionalisiert. Die funktionalisierten Sensorschichten wurden hinsichtlich ihrer Oberflächenbeschaffenheit, Unversehrtheit und chemischen Zusammensetzung mittels Rasterkraftmikroskopie und Raman Spektroskopie untersucht. Die Reaktionsenergien zwischen verschiedenen Analyten und Nanopartikel-Graphen-Kombinationen wurden mit Dichtefunktionaltheorie berechnet, um das optimale Material für spezifische Gase zu finden und um die Brauchbarkeit dieser Funktionalisierungsmethode zu verifizieren. Der Einfluss von äußeren Parametern wie Sensortemperatur, Luftfeuchte und UV-Einstrahlung auf die Sensoreigenschaften wurde ebenfalls untersucht. Um die Sensorleistung zu verbessern, wurde die erste zeitliche Ableitung des Sensorwiderstands als zusätzliches Signal eingeführt und ein temperaturzyklischer Betriebsmodus hinsichtlich seiner Eignung erforscht. Durch die Anwendung dieser Methoden ist es möglich, einzelne ppbs Benzol und Formaldehyd unter Laborbedingungen zu detektieren. Diese Ergebnisse sind vielversprechend, um die bestehende Lücke der günstigen, aber sehr sensitiven Sensoren für Luftqualitätsüberwachung zu schließen. Arbetet som presenteras i denna avhandling fokuserar på epitaxiell grafen på SiC som en plattform för luftkvalitetssensorer. Flera tillvägagångssätt har testats och utvärderats för att öka känsligheten, selektiviteten, responstiden, och stabiliteten hos sensorerna. Grafenytorna har modifierats till exempel med olika metalloxid-nanopartiklar och nanolager med användning av hålkatodsputtring och PLD. De modifierade ytorna undersöktes mot topografi, strukturell integritet och kemisk sammansättning med karakteriseringsmetoder som atomkraftsmikroskopi och Ramanspektroskopi. Interaktionsenergier mellan flera analyter och nanopartiklar-grafen- materialkombinationer beräknades med täthetsfunktionalteori för att hitta de optimala materialkombinationerna för specifika målgaser och för att verifiera användbarheten av ytmodifieringarna. Effekten av externa faktorer som arbetstemperatur, relativ fuktighet och UV-bestrålning på avkänningsegenskaper undersöktes också. För att ytterligare förbättra sensorprestanda introducerades första ordningens tidsderivat av sensorns resistans för att snabbare utvärdera sensorns respons, och ett temperaturcyklat driftläge i kombination med multivariat dataanalys undersöktes mot selektivitet. Genom att använda dessa metoder under laboratorieförhållanden utvecklades sensorer med en kvantitativ avläsning av enstaka ppb bensen och formaldehyd. Dessa resultat visar på en möjlig lösning för att fylla det hålrum som finns i dagens sensorteknologier för luftkvalitetsövervakning, där flera relevanta gaser i dagsläget inte kan mätas med kostnadseffektiva men mycket känsliga och snabba gassensorer.