Graphene grown on copper-foil substrates by chemical vapor deposition (CVD) has been attracting interest for sensor applications due to an extraordinary high surface-to-volume ratio and capability of large-scale device fabrication. However, CVD graphene has a polycrystalline structure and a high density of grain boundaries degrading its electrical properties. Recently, processes such as electropolishing for flattening copper substrate has been applied before growth in order to increase the grain size of graphene. In this study, we systemically analyzed the effects of the process condition of electropolishing copper foil on the quality of CVD graphene. We observed that electropolishing process can reduce surface roughness of copper foil, increase the grain size of CVD graphene, and minimize the density of double-layered graphene regions. However, excessive process time can rather increase the copper foil surface roughness and degrade the quality of CVD graphene layers. This work shows that an optimized electropolishing process on copper substrates is critical to obtain high-quality and uniformity CVD graphene which is essential for practical sensor applications.
Kang, Min-a;Jung, Min Wook;Myung, Sung;Song, Wooseok;Lee, Sun Suk;Lim, Jongsun;Park, Chong-Yun;An, Ki-Seok
한국진공학회:학술대회논문집
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한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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pp.176.2-176.2
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2014
In this work, we demonstrated that the fabrication of flexible graphene-based chemical sensor with heaters by soft lithographic patterning method [1]. First, monolayer and multilayer graphene were prepared by thermal chemical vapor deposition transferred onto SiO2 / Si substrate in order to fabrication of patterned-sensor and -heater. Second, patterned-monolayer and multilayer graphene were detached through soft lithography process, which was transferred on top and bottom sides of PET film. Third, Au / Ti (Thickness : 100/30 nm) electrodes were deposited end of the patterned-graphene line by sputtering system. Finally, we measured sensor properties through injection of NO2 and CO2 gas on different temperature with voltage change of graphene heater.
Chemical vapor deposited (CVD) polycrystalline graphene is widely used for various sensor application because of its extremely large surface-to-volume ratio. The electrical properties of CVD-graphene is significantly affected by the grain size and boundaries (GGBs), but evaluation of GGB of continuous monolayer graphene is difficult. Although several evaluation methods such as tunneling electron microscopy, confocal Raman, UV/ozone-oxidation are typically used, they still have issues in evaluation efficiency and accuracy. In this paper, we suggest an improved evaluation method for precise and simple GGB evaluation which is based on UV/ozone-oxidation and chemical etching process. Using this method, we could observe clear GGBs of CVD-graphene layers grown by different process conditions and statistically evaluate average grain sizes varying from $1.69{\sim}4.43{\mu}m$. This evaluation method can be used for analyzing the correlation between the electrical properties and grain size of CVD-graphene, which is essential for the development of graphene-based sensor devices.
This paper describes the fabrication and characterization of graphene based carbon dioxide ($CO_2$) gas sensors. Graphene was synthesized by thermal decomposition of SiC. The resistivity $CO_2$ gas sensors were fabricated by pure graphene and graphene decorated Au nanoparticles (NPs). The Au NPs with size of 10 nm were decorated on graphene. Au electrode deposited on the graphene showed Ohmic contact and the sensors resistance changed following to various $CO_2$ concentrations. Resulting in resistance sensor using pure graphene can detect minimum of 100 ppm $CO_2$ concentration at $50^{\circ}C$, whereas Au/graphene can detect minimum 2 ppm $CO_2$ concentration at same at $50^{\circ}C$. Moreover, Au NPs catalyst improved the sensitivity of the graphene based $CO_2$ sensors. The responses of pure graphene and Au/graphene are 0.04% and 0.24%, respectively, at $50^{\circ}C$ with 500 ppm $CO_2$ concentration. The optimum working temperature of $CO_2$ sensors is at $75^{\circ}C$.
A hydrogen sensor was fabricated by utilizing a bundle of metal oxide nanostructures whose growth positions were selectively controlled by utilizing graphene, which is a carbon of atomic-unit thickness. To verify the reducing ability of graphene, it was confirmed that the multi-composition metal oxide V2O5 was converted into VO2 on the graphene surface. Because of the role of graphene as a reducing catalyst, it was confirmed that ZnO and MoO3 nanostructures were grown at high density only on the graphene surface. The fabricated gas sensor showed excellent sensitivity.
The power law is very important in gas sensing for the determination of gas concentration. In this study, the resistance of a gas sensor based on poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate+graphene oxide composite was found to exhibit a power law dependence on hydrogen concentration at $150^{\circ}C$. Experiments were carried out in the gas concentration range of 30~180 ppm at which the sensor showed a sensitivity of 6~9% with a response and recovery time of 30s.
This paper presents the fabrication and characterization of graphene based hydrogen sensors. Graphene was synthesized by annealing process of Ni/3C-SiC thin films. Graphene was transferred onto oxidized Si substrates for fabrication of chemiresistive type hydrogen sensors. Au electrode on the graphene shows ohmic contact and the resistance is changed with hydrogen concentration. Nanoparticle catalysts of Pd and Pt were decorated. Response factor and response (recovery) time of hydrogen sensors based on the graphene are improved with catalysts. The response factors of pure graphene, Pt and Pd doped graphenes are 0.28, 0.6 and 1.26, respectively, at 50 ppm hydrogen concentration.
Graphene has been widely considered a promising candidate for high-quality chemical sensors, owing to its outstanding characteristics, such as sensitive gas adsorption at room temperature, high conductivity, high flexibility, and high transparency. However, the main drawback of a graphene-based gas sensor is the necessity for external heaters due to its slow response, incomplete recovery, and low selectivity at room temperature. Conventional heating devices have limitations such as large volume, thermal safety issues, and high power consumption. Moreover, metal-based heating systems cannot be applied to transparent and flexible devices. Thus, to solve this problem, a method of supplying the thermal energy necessary for gas sensing via the self-heating of graphene by utilizing its high carrier mobility has been studied. Herein, we provide a brief review of recent studies on self-activated graphene-based gas sensors. This review also describes various strategies for the self-activation of graphene sensors and the enhancement of their sensing properties.
Graphene, two dimensional single layer of carbon atoms, has tremendous attention due to its superior property such as fast electron mobility, high thermal conductivity and optical transparency, and also found many applications such as field-effect transistors (FET), energy storage and conversion, optoelectronic device, electromechanical resonators and chemical sensors. Several techniques have been developed to form the graphene. Especially chemical vapor deposition (CVD) is a promising process for the large area graphene. For the electrically isolated devices, the graphene should be transfer to insulated substrate from Cu or Ni. However, transferred graphene has serious drawback due to remaining polymeric residue during transfer process which induces the poor device characteristics by impurity scattering and it interrupts the surface functionalization for the sensor application. In this study, we demonstrate the characteristics of solution-gated FET depending on the removal of polymeric residues. The solution-gated FET is operated by the modulation of the channel conductance by applying a gate potential from a reference electrode via the electrolyte, and it can be used as a chemical sensor. The removal process was achieved by several solvents during the transfer of CVD graphene from a copper foil to a substrate and additional annealing process with H2/Ar environments was carried out. We compare the properties of graphene by Raman spectroscopy, atomic force microscopy(AFM), and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) measurements. Effects of residual polymeric materials on the device performance of graphene FET will be discussed in detail.
Hydrogen (H2) is considered as a new clean energy resource for replacing petroleum because it produces only H2O after the combustion process. However, owing to its explosive nature, it is extremely important to detect H2 gas in the ambient atmosphere. This has triggered the development of H2 gas sensors. 2-dimensional (2D) graphene has emerged as one of the most promising candidates for chemical sensors in various industries. In particular, graphene exhibits outstanding potential in chemoresistive gas sensors for the detection of diverse harmful gases and the control of indoor air quality. Graphene-based chemoresistive gas sensors have attracted tremendous attention owing to their promising properties such as room temperature operation, effective gas adsorption, and high flexibility and transparency. Pristine graphene exhibits good sensitivity to NO2 gas at room temperature and relatively low sensitivity to H2 gas. Thus, research to control the selectivity of graphene gas sensors and improve the sensitivity to H2 gas has been performed. Noble metal decoration and metal oxide decoration on the surface of graphene are the most favored approaches for effectively controlling the selectivity of graphene gas sensors. Herein, we introduce several strategies that enhance the sensitivity of graphene gas sensors to H2 gas.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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