Thermally reduced Graphene Oxide: a well promising way to transparent flexible electrodes.

L'elaborato tratta dell'ottimizzazione del processo di riduzione termica dell'ossido di grafene in termini di conduttività e trasmittanza ottica. Definiti gli standard di deposizione tramite spin-coating e riduzione termica, i film prodotti vengono caratterizzati tramite XPS, AFM, UPS, TGA, ne vengono testate la conducibilità, con e senza effetto di gate, e la trasmittanza ottica, ne si misura l'elasticità tramite spettroscopia di forza, tutto al fine di comprendere l'evoluzione del processo termico di riduzione e di individuare i parametri migliori al fine di progredire verso la produzione di elettrodi flessibili e trasparenti a base di grafen ossido ridotto.

Production and Electrical Characterization of Low Density Polyethylene-based Micro- and Nano-dielectrics containing Graphene Oxide, Functionalized Graphene and Carbon Black additives

Oggigiorno la ricerca di nuovi materiali per gradatori di campo da impiegarsi in accessori di cavi ha iniziato a studiare alcuni materiali nano dielettrici con proprietà elettriche non lineari con la tensione ed aventi proprietà migliorate rispetto al materiale base. Per questo motivo in questo elaborato si sono studiati materiali nanostrutturati a base di polietilene a bassa densità (LDPE) contenenti nano polveri di grafene funzionalizzato (G*), ossido di grafene (GO) e carbon black (CB). Il primo obiettivo è stato quello di selezionare e ottimizzare i metodi di fabbricazione dei provini. La procedura di produzione è suddivisa in due parti. Nella prima parte è stata utilizzatala tecnica del ball-milling, mentre nella seconda un pressa termica (thermal pressing). Mediante la spettroscopia dielettrica a banda larga (BDS) si sono misurate le componenti reali e immaginarie della permettività e il modulo della conducibilità del materiale, in tensione alternata. Il miglioramento delle proprietà rispetto al provino di base composto dal solo polietilene si sono ottenute quando il quantitativo delle nanopolveri era maggiore. Le misure sono state effettuate sia a 3 V che a 1 kV. Attraverso misurazioni di termogravimetria (TGA) si è osservato l’aumento della resistenza termica di tutti i provini, soprattutto nel caso quando la % di nanopolveri è maggiore. Per i provini LDPE + 0.3 wt% GO e LDPE + 0.3 wt% G* si è misurata la resistenza alle scariche parziali attraverso la valutazione dell’erosione superficiale dei provini. Per il provino contenente G* è stato registrato una diminuzione del 22% del volume eroso, rispetto al materiale base, mentre per quello contenente GO non vi sono state variazioni significative. Infine si è ricercata la resistenza al breakdown di questi ultimi tre provini sopra citati. Per la caratterizzazione si è fatto uso della distribuzione di Weibull. Lo scale parameter α risulta aumentare solo per il provino LDPE + 0.3 wt% G*.

Inkjet-printed poly(N-isopropylacrylamide)/graphene electrodes for selective electroanalytical sensing

The main research topic of the present master thesis consisted in the modification and electrochemical testing of inkjet printed graphene electrodes with a thin polymeric hydrogel layer made of cross-linked poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAM) acting as a functional layer to fabricate selective sensors. The first experimental activities dealt with the synthesis of the polymeric hydrogel and the modification of the active surface of graphene sensors through photopolymerization. Simultaneous inkjet printing and photopolymerization of the hydrogel precursor inks onto graphene demonstrated to be the most effective and reproducible technique for the modification of the electrode with PNIPAAM. The electrochemical performance of the modified electrodes was tested through cyclic voltammetry. Voltammograms with standard redox couples with either positive, neutral or negative charges, suggested an electrostatic filtering effect by the hydrogel blocking negatively charged redox species in near neutral pH electrolyte solutions from reaching the electrode surface. PNIPAAM is a known thermo-responsive polymer, but the variation of temperature did not influence the filtering properties of the hydrogels for the redox couples studied. However, a variation of the filter capacity of the material was observed at pH 2 in which the PNIPAAM hydrogel, most likely in protonated form, became impermeable to positively charged redox species and permeable to negatively charged species. Finally, the filtering capacity of the electrodes modified with PNIPAAM was evaluated for the electrochemical determination of analytes in presence of negatively charge potential interferents, such as antioxidants like ascorbic acid. The outcome of the final experiments suggested the possibility to use the inkjet-printed PNIPAAM thin layer for electroanalytical applications as an electrostatic filter against interferents of opposite charges, typically present in complex matrices, such as food and beverages.

Grafene: Proprieta, sintesi e applicazioni

Nel 2004 due Fisici dell’Università di Manchester, nel Regno Unito, hanno isolato per la prima volta un materiale dallo spessore di un singolo atomo: il grafene. Questo materiale, composto da un reticolo di atomi di carbonio disposti a nido d’ape, possiede interessanti proprietà chimiche e fisiche, tra le quali una elevata resistenza chimica e meccanica, un’eccellente trasporto termico ed elettrico ed una elevata trasparenza. Il crescente fermento attorno al grafene ha suscitato un forte interesse a livello europeo, al punto che il 28 gennaio di quest’anno la Comunità Europea ha approvato i due più grandi progetti di ricerca mai finanziati in Europa. Tra questi il Graphene Flagship Project (www.graphene-flagship.eu) che coinvolge oltre 120 gruppi di ricerca da 17 Stati Europei e distribuirà nei prossimi anni 1,000 milioni di euro per lo sviluppo di tecnologie e dispositivi a base grafene. Nel mio elaborato di Tesi ho seguito le ricerche del gruppo grafene dell’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Bologna, approfondendo il funzionamento del sistema di sintesi di questo materiale chiamato Chemical Vapour Deposition e le tecniche sperimentali che permettono il trasferimento del grafene su substrati come il silicio, ma anche materiali polimerici flessibili come il PET, per la realizzazione di elettrodi conduttivi, trasparenti per applicazioni nell’elettronica flessibile. Questa esperienza e stata molto importante per la mia formazione e mi ha dato modo di lavorare ad un soggetto di ricerca cosi attuale, importante e promettente come il grafene. Nutro personalmente grande passione e aspettativa per questo materiale e sono convinto che nel prossimo futuro la tecnologia del grafene saprà entrare nella vita quotidiana di tutti noi.

Integrazione tecnologica di grafene cresciuto per deposizione chimica da fase vapore per applicazioni termiche e termoelettriche

L’obiettivo del lavoro di tesi è quello di studiare l’integrazione del grafene con i processi tecnologici propri della tecnologia del silicio, per la realizzazione di dispositivi innovativi per la misura delle proprietà termiche e termoelettriche del grafene che sono tra le meno studiate ad oggi. L’attività sperimentale svolta, ha riguardato l’intero processo di produzione, processing ed integrazione tecnologica del grafene. Da una parte è stato messo a punto un processo ottimizzato, partendo da una approfondita ricerca bibliografica, per il trasferimento delle membrane dai substrati di crescita, in rame, a quelli di destinazione, SiO2 e Si3N4, mantenendo la completa compatibilità con i processi della microelettronica del silicio in particolare per quanto riguarda l’eliminazione dei residui metallici dalla sintesi. Dall’altra è stata sviluppata una procedura di patterning micrometrico del grafene, affidabile e riproducibile, e, soprattutto, compatibile con la microelettronica del silicio. Le membrane, cresciute tramite deposizione da fase vapore (Chemical Vapor Deposition), sono state caratterizzate tramite la microscopia elettronica, a scansione e in trasmissione, la microscopia ottica, spettroscopia Raman e microscopia a forza atomica, tecniche che sono state utilizzate per caratterizzare i campioni durante l'intero processo di patterning. Il processo di etching del grafene in ossigeno, realizzato con il plasma cleaner, strumento che nasce per la pulizia di campioni per microscopia elettronica, è stato messo a punto il attraverso una estesa attività di test sia dei parametri di funzionamento dello strumento che del fotoresist da utilizzare. La procedura di patterning micrometrico vera e propria, ha comportato di affrontare diverse classi di problemi, dalla rimozione del fotoresist con soluzioni diverse (soluzione di sviluppo dedicata e/o acetone) alla rimozione dei residui presenti sulle membrane di grafene anche a valle del patterning stesso. La rimozione dei residui tramite acido cloridrico, insieme ad una procedura di annealing a 400°C in aria per la rimozione dei residui del fotoresist polimerico che erano presenti a valle dell’etching in ossigeno, ha permesso di ottenere un patterning del grafene ben definito su scala micrometrica e una ridottissima presenza di residui. Le procedure ottimizzate di trasferimento e di patterning sono il principale avanzamento rispetto allo stato dell’arte. Le metodiche messe a punto in questo lavoro, consentiranno di integrare il grafene direttamente nel processo di micro-fabbricazione di dispositivi per misure termiche e termoelettriche, per i quali quali sono in realizzazione le maschere di processo che rappresentando la naturale conclusione del lavoro di tesi.

Studio nanomorfologico di superficie tramite microscopia a forza atomica di grafite minerale e grafene

L’obiettivo di questa tesi è esfoliare mediante tecnica LPE qualche layer di grafite ed analizzare il campione ottenuto mediante la tecnica AFM. Negli studi sperimentali svolti nell’ambito di questa tesi sono state condotte tre tipologie di esperimenti: 1) analisi della grafite minerale prima del trattamento di esfoliazione; 2) esfoliazione LPE di grafite fissata su substrato di muscovite, in bagno ultrasonico con acqua bidistillata; 3) esfoliazione LPE di grafite fissata su muscovite, in bagno ultrasonico con azoto liquido. L’ultrasonicazione ha portato al distacco ed isolamento di frammenti di grafite di forma tipicamente triangolare e di dimensioni laterali micrometriche, i quali si sono depositati sul substrato di muscovite e ridepositati sulla grafite stessa. Inoltre ho osservato la presenza di diversi DLG (double-layer graphene) e addirittura la presenza di SLG (single-layer graphene) estesi alcune centinaia di nm. L’analisi AFM ha mostrato la presenza di bordi cristallografici definiti, a volte con la presenza di angoli di 120° e ha mostrato il fenomeno del “folding”.

Grafene: Proprieta, sintesi e applicazioni

Nel 2004 due Fisici dell’Università di Manchester, nel Regno Unito, isolarono per la prima volta un materiale dallo spessore di un singolo atomo: il grafene. Questo materiale, composto da un reticolo di atomi di carbonio disposti a nido d’ape, possiede interessanti proprietà chimiche e fisiche, tra le quali una elevata resistenza chimica e meccanica, un eccellente trasporto termico ed elettrico ed un’ elevata trasparenza. Il crescente fermento attorno al grafene ha suscitato un forte interesse a livello europeo, al punto che la Comunità Europea ha approvato due dei più grandi progetti di ricerca mai finanziati in Europa, tra questi il Graphene Flagship Project (www.graphene-flagship.eu) che coinvolge oltre 120 gruppi di ricerca da 17 Stati Europei e distribuirà nei prossimi anni 1,000 milioni di euro per lo sviluppo di tecnologie e dispositivi a base grafene. Con Flagship Grafene l’Europa punta sul grafene, e lo fa in grande. L’obiettivo è dunque ambizioso. Il suddetto materiale è infatti non solo il più sottile che conosciamo, con uno spessore di un atomo di carbonio, ma è anche 100 volte più resistente dell’acciaio e al tempo stesso flessibile. E’ Inoltre trasparente e conduce l’energia elettrica e termica molto meglio del rame. Ergo, il grafene offre le stesse performance dei materiali usati attualmente nei nostri dispositivi, con l’aggiunta però di ulteriori funzionalità.

Proprietà di conduzione elettrica in campioni di grafene poroso

Il grafene, allotropo del carbonio costituito da un reticolo bidimensionale, è uno dei nanomateriali più promettenti allo stato attuale della ricerca nei campi della Fisica e della Chimica, ma anche dell'Ingegneria e della Biologia. Isolato e caratterizzato per la prima volta nel 2004 dai ricercatori russi Andre Geim e Konstantin Novoselov presso l'Università di Manchester, ha aperto la via sia a studi teorici per comprendere con gli strumenti della Meccanica Quantistica gli effetti di confinamento in due dimensioni (2D), sia ad un vastissimo panorama di ricerca applicativa che ha l'obiettivo di sfruttare al meglio le straordinarie proprietà meccaniche, elettriche, termiche ed ottiche mostrate da questo materiale. Nella preparazione di questa tesi ho personalmente seguito presso l'Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (IMM) del CNR di Bologna la sintesi mediante Deposizione Chimica da Fase Vapore (CVD) di grafene "tridimensionale" (3D) o "poroso" (denominato anche "schiuma di grafene", in inglese "graphene foam"), ossia depositato su una schiuma metallica dalla struttura non planare. In particolare l'obiettivo del lavoro è stato quello di misurare le proprietà di conduttività elettrica dei campioni sintetizzati e di confrontarle con i risultati dei modelli che le descrivono teoricamente per il grafene planare. Dopo un primo capitolo in cui descriverò la struttura cristallina, i livelli energetici e la conduzione dei portatori di carica nel reticolo ideale di grafene 2D (utilizzando la teoria delle bande e l'approssimazione "tight-binding"), illustrerò le differenti tecniche di sintesi, in particolare la CVD per la produzione di grafene poroso che ho seguito in laboratorio (cap.2). Infine, nel capitolo 3, presenterò la teoria di van der Pauw su cui è basato il procedimento per eseguire misure elettriche su film sottili, riporterò i risultati di conduttività delle schiume e farò alcuni confronti con le previsioni della teoria.

Grafene: proprietà chimico-fisiche strutturali e applicazioni innovative in campo biomedico

Il mio elaborato, partendo dalla scoperta di un nuovo materiale, il grafene, ne illustra le caratteristiche, la produzione, la distribuzione e le applicazioni. Lo studio è stato condotto tramite l' utilizzo di fonti bibliografiche e sitografiche , con lo scopo di far conoscere questo nuovo materiale e di illustrarne le potenzialità e le forme di utilizzo, in particolare in ambito biomedico. Si illustreranno nel dettaglio le sue proprietà fisiche e chimiche, descrivendo alcuni metodi sperimentali con i quali viene sintetizzato. In particolare, vedremo nel dettaglio la tecnica sperimentale di sintesi, chiamata Chemical Vapour Deposition, e il successivo trasferimento del grafene prodotto su diversi substrati adatti per la sua caratterizzazione. Inoltre, analizzeremo lo sfruttamento tecnologico di questo materiale e le varie possibilità di creare nuovi compositi. Sono state svolte alcune considerazioni non solo sugli scenari attuali, ma anche su quelli futuri, mettendo in luce le ricerche e le tecniche di produzione nell'ambito di una vasta gamma di applicazioni. Il lavoro svolto è stato possibile grazie all' interesse crescente per il grafene che ha portato, il 28 gennaio 2013, la Comunità Europea ad approvare i due più grandi progetti mai finanziati in Europa. Tra questi il Graphene Flagship Project (www.graphene-flagship.eu) che coinvolge oltre 143 gruppi di ricerca da 23 Stati Europei con un budget di 1000 milioni di euro per lo sviluppo di tecnologie e dispositivi a base grafene.

Graphite for lithium-ion batteries: mineral analysis and global Material Flow Analysis

Graphite is a mineral commodity used as anode for lithium-ion batteries (LIBs), and its global demand is doomed to increase significantly in the future due to the forecasted global market demand of electric vehicles. Currently, the graphite used to produce LIBs is a mix of synthetic and natural graphite. The first one is produced by the crystallization of petroleum by-products and the second comes from mining, which causes threats related to pollution, social acceptance, and health. This MSc work has the objective of determining compositional and textural characteristics of natural, synthetic, and recycled graphite by using SEM-EDS, XRF, XRD, and TEM analytical techniques and couple these data with dynamic Material Flow Analysis (MFA) models, which have the objective of predicting the future global use of graphite in order to test the hypothesis that natural graphite will no longer be used in the LIB market globally. The mineral analyses reveal that the synthetic graphite samples contain less impurities than the natural graphite, which has a rolled internal structure similar to the recycled one. However, recycled graphite shows fractures and discontinuities of the graphene layers caused by the recycling process, but its rolled internal structure can help the Li-ions’ migration through the fractures. Three dynamic MFA studies have been conducted to test distinct scenarios that include graphite recycling in the period 2022-2050 and it emerges that - irrespective of any considered scenario - there will be an increase of synthetic graphite demand, caused by the limited stocks of battery scrap available. Hence, I conclude that both natural and recycled graphite is doomed to be used in the LIB market in the future, at least until the year 2050 when the stock of recycled graphite production will be enough to supersede natural graphite. In addition, some new improvement in the dismantling and recycling processes are necessary to improve the quality of recycled graphite.