Heterostructures based on graphene oxide doped with heteroatoms: applications in optoelectronic devices and gas sensors.

Abstract

Aquesta tesi investiga el disseny i desenvolupament de sensors de gas i fotodetectors UV avançats basats en òxid de grafè (GO) funcionalitzat, contribuint als camps de la ciència de materials, la nanotecnologia i l’enginyeria de sensors. La recerca respon a la necessitat de dispositius de detecció d’alt rendiment i baix cost, assolits mitjançant la modificació superficial dels transductors amb materials nanoestructurats. Es van escollir materials basats en grafè, especialment GO sintetitzat mitjançant un mètode de Hummers modificat, per les seves excel·lents propietats elèctriques i de superfície, així com per la seva escalabilitat. Per millorar la capacitat de detecció del GO, es va dur a terme el dopatge amb heteroàtoms de nitrogen (N), bor (B) i dopatge combinat (N+B) utilitzant un procés químic assistit per sonificació. A més, es va aplicar la hibridació amb nanopartícules d’òxid de níquel (NiO) per millorar encara més el rendiment dels sensors. Aquests materials es van integrar en sensors de gas fabricats sobre substrats d’alúmina amb elèctrodes de platí, i en fotodetectors UV sobre substrats de vidre amb contactes d’InGa o Au/Cu, mitjançant tècniques com l’aeropolvorització i el recobriment per spin coating. Els resultats experimentals mostren que el GO reduït dopat amb nitrogen (N-rGO) va presentar la màxima sensibilitat al NO₂, mentre que els híbrids NiO/N-rGO van mostrar una millora de cinc vegades en la resposta de detecció. Els fotodetectors basats en GO/NiO van mostrar comportaments elèctrics únics, com la fotoconductivitat negativa o commutable per biaix, segons el tipus de dopatge, funcionant eficientment amb baix voltatge i baixa intensitat de llum, ideals per a aplicacions de baix consum. Aquest estudi interdisciplinari ha afrontat reptes en síntesi, caracterització de materials i fabricació de dispositius. Els resultats reflecteixen avenços importants en la funcionalització del GO i les capacitats experimentals del candidat. En conjunt, la tesi suposa una contribució rellevant al desenvolupament de sensors de gas i dispositius optoelectrònics basats en grafè.

Esta tesis aborda el diseño y desarrollo de sensores de gas avanzados y fotodetectores UV basados en óxido de grafeno (GO) funcionalizado, contribuyendo a los campos de la ciencia de materiales, la nanotecnología y la ingeniería de sensores. La investigación parte de la necesidad de dispositivos de detección de alto rendimiento y bajo coste, desarrollados mediante la modificación superficial de transductores con materiales nanoestructurados. Se eligieron materiales basados en grafeno, especialmente el GO sintetizado mediante un método de Hummers modificado, por sus excelentes propiedades eléctricas y superficiales, así como por la escalabilidad de su síntesis.

Para mejorar las capacidades de detección del GO, se realizó el dopado con heteroátomos de nitrógeno (N), boro (B) y dopado conjunto (N+B), mediante un proceso químico asistido por sonicación. Además, se empleó la hibridación con nanopartículas de óxido de níquel (NiO) para optimizar aún más el rendimiento de los sensores. Estos materiales se integraron en sensores de gas sobre sustratos de alúmina con electrodos de platino, y en fotodetectores UV sobre sustratos de vidrio con contactos de InGa o Au/Cu, utilizando técnicas como la pulverización neumática y el spin coating. Los resultados experimentales muestran que el GO reducido dopado con nitrógeno (N-rGO) presentó la mayor sensibilidad al NO₂, mientras que los híbridos NiO/N-rGO lograron una mejora cinco veces superior en la respuesta de detección. En cuanto a los fotodetectores UV, los dispositivos GO/NiO mostraron comportamientos eléctricos únicos como fotoconductancia negativa o conmutables por polarización según el tipo de dopado, funcionando eficientemente a bajo voltaje e intensidad lumínica, lo que los hace ideales para aplicaciones de bajo consumo. Este estudio interdisciplinar abarca desafíos en síntesis, caracterización de materiales y fabricación de dispositivos. Los resultados obtenidos destacan tanto los avances en la funcionalización del GO como las capacidades experimentales del candidato. En conjunto, esta tesis representa una contribución significativa al desarrollo de sensores de gas y dispositivos optoelectrónicos basados en grafeno.

This thesis explores the design and development of advanced gas sensors and UV photodetectors based on functionalized graphene oxide (GO), contributing to the fields of materials science, nanotechnology, and sensor engineering. The research is motivated by the need for high-performance, low-cost sensing devices, achieved through the surface modification of transducers using nanostructured materials. Graphene-based materials, particularly GO synthesized via a modified Hummers' method, were chosen due to their outstanding electrical and surface properties and the scalability of their synthesis. To enhance the sensing capabilities of GO, heteroatom doping with nitrogen (N), boron (B), and co-doping (N+B) was performed using a sonication-assisted chemical process. Additionally, hybridization with nickel oxide (NiO) nanoparticles was employed to further improve sensor performance. These materials were integrated into gas sensors fabricated on alumina substrates with platinum electrodes, and UV photodetectors constructed on glass substrates with InGa or Au/Cu contacts, using techniques such as airbrushing and spin coating. Experimental findings reveal that N-doped reduced GO (N-rGO) exhibited the highest sensitivity to NO₂, while NiO/N-rGO hybrids demonstrated a fivefold enhancement in gas sensing response. For UV photodetection, GO/NiO-based devices displayed unique electrical behaviors bias-switchable or negative photoconductancedepending on the doping type, operating efficiently under low bias and illumination, making them ideal for low-power applications. This interdisciplinary study involved challenges in synthesis, material characterization, and device fabrication. The results not only demonstrate significant advancements in the functionalization of GO for sensing applications but also highlight the candidate’s strong experimental capabilities, scientific rigor, and originality. Overall, this thesis makes a substantial contribution to the advancement of graphene-based gas sensors and optoelectronic devices.