Interfacial phenomena in graphene materials, devices and applications

Abstract

El grafè és un material de gran interès per a aplicacions biomèdiques, gràcies a l¿excel·lent combinació de les seves propietats mecàniques, òptiques i electro- químiques. Actualment, tot i que la tecnologia basada en grafè ha demostrat el seu potencial en el camp de la biomedicina, és necessari aprofundir en el coneixement sobre les interaccions que s¿estableixen entre aquest material i el medi que l¿envolta. Aquesta tesi doctoral es centra en l¿estudi dels fenòmens d¿interfície que poden regir el comportament dels dispositius de grafè, des de la seva síntesi fins l¿aplicació final.

En relació a la síntesi escalable de grafè per a dispositius electrònics, s¿han preparat substrats reutilitzables, rígids i de baixa rugositat basats en coure. Aquests substrats es presenten com una alternativa prometedora a les làmines de coure, que actualment s¿utilitzen majoritàriament per la preparació de grafè.

Els dispositius electrònics de grafè, quan s¿utilitzen per aplicacions biomèdiques, es troben en medi aquós (electròlit). En aquesta tesi, s¿estudien les interaccions grafè/substrat i grafè/electròlit i la seva influència en el comportament electroquímic dels dispositius SGFETs. Així mateix, s¿avalua l¿impacte del procés de fabricació a escala d¿oblia dels SGFETs en el seu rendiment. Especialment, es remarca la importància de preservar la superfície del grafè durant cada pas del procés per tal que el rendiment sigui òptim.

Per a la fabricació de biosensors de grafè, cal funcionalitzar-lo. En aquesta tesi, es proposa un mètode basat en la sublimació en buit d¿un derivat del pirè, una molècula que pot ser dipositada a la superfície del grafè de manera controlada i reproduïble. Per a caracteritzar i quantificar la funcionalització, es desenvolupa una metodologia basada en tècniques espectroscòpiques i de microscopia de força atòmica. Els dispositius fabricats de grafè funcionalitzat demostren ser viables en diferents condicions de pH. Per tant, es demostra que el mètode de funcionalització proposat és prometedor i podria aplicar-se per la fabricació de sensors capaços de detectar una àmplia varietat de biomol·lècules, inclosos neurotransmissors.

El grafeno, con una excelente combinación de propiedades mecánicas, ópticas y electroquímicas, es un material de gran interés para aplicaciones biomédicas. Actualmente, aunque la tecnología basada en grafeno ha demostrado su potencial en el campo de la biomedicina, es necesario más conocimiento sobre las interacciones que se establecen entre este material y el medio donde se encuentra. Esta tesis doctoral se focaliza en el estudio de los fenómenos interfaciales que pueden ser clave en el comportamiento de los dispositivos de grafeno, desde la síntesis del material hasta la aplicación final. Para la síntesis escalable de grafeno para dispositivos electrónicos, se han preparado sustratos reutilizables, rígidos y de baja rugosidad basados en cobre. Estos sustratos se presentan como una alternativa prometedora a las láminas de cobre, mayoritariamente utilizadas en la actualidad para la preparación de grafeno. Los dispositivos electrónicos de grafeno en aplicaciones biomédicas se encuentran en medio acuoso (electrolito). En esta tesis doctoral se estudian las interacciones grafeno/sustrato y grafeno/electrolito y su influencia en el comportamiento electroquímico de los dispositivos SGFETs. Asimismo, se analiza el impacto del proceso de fabricación a escala oblea de los SGFETs en su rendimiento. Especialmente, se pone de manifiesto la importancia de preservar la superficie del grafeno limpia durante cada paso del proceso para conseguir un rendimiento óptimo.

Para la fabricación de biosensores de grafeno, es necesario funcionalizar el material. En esta tesis, se propone un método basado en la sublimación en vacío de una molécula derivada del pireno. Esta molécula puede ser depositada en la superfície del grafeno de forma controlada y reproducible. Para la caracterización y cuantificación de la funcionalización, se desarrolla una metodología basada en técnicas de espectroscopía y microscopía de fuerza atómica. Los dispositivos fabricados de grafeno funcionalizado demuestran su viabilidad en distintos pH. En consecuencia, se demuestra que el método de funcionalización propuesto es prometedor y puede aplicarse para la fabricación de sensores capaces de detectar una amplia variedad de biomoléculas, incluidos neurotransmisores.

Due to its unique mechanical, optical and electrochemical properties, graphene has raised great interest for biosensing and bioelectronic applications. Although current graphene-based technology has demonstrated remarkable potential in the biomedical field, fundamental knowledge about graphene interaction with the media surrounding it is still missed. This PhD thesis is devoted to the study of interfacial phenomena that can govern the performance of graphene devices, from its synthesis to the final application.

Concerning graphene synthesis, we prepare rigid, flat and reusable copper supports for the growth of high-quality, large-scale graphene to be used in electronic devices. The engineered Cu-based substrates are presented as a promising alternative to the currently most used Cu foils for graphene growth.

Graphene based electronic devices in biomedical applications are aimed to work in an aqueous media. In this dissertation, we study how the graphene/substrate and the graphene/electrolyte interfaces govern the electronic performance of such devices. Furthermore, a study of the impact of the wafer-scale fabrication is conducted, highlighting the importance to preserve the graphene surface throughout the process for optimal and reproducible performance of graphene SGFETs.

For biosensing applications, graphene functionalization is key. In this work, we propose a novel approach based on the in-vacuum sublimation of a pyrene- based molecule. This molecule can be deposited on the graphene surface in a controllable, reproducible way. A methodology for the characterization of the resulting functionalized graphene surface, as well as for the quantification of the functionalization is discussed. The functionality of the functionalized graphene SGFETs is tested in different pH conditions and compared with standard, non-functionalized devices. With that, we demonstrate that the proposed functionalization approach is a promising path towards the optimization of graphene-based biosensors for the detection of a variety of biomolecules, including neurotransmitters.