Formation and structural properties of water induced structures at graphene/mica and graphene/CrxO/glass interfaces

Abstract

Water behavior at interfaces has great importance. Especially molecularly thin layer water or nanoconfined water. Nanoconfined water properties are different from bulk ones. Studying nanoconfined water properties have fundamental importance in biology, material science, nanofluidics, tribology, and corrosion. Nanoconfiment materials are carbon nanotubes and layered two-dimensional materials or Van der Waals crystals. In this thesis, we studied water interaction behavior with graphene/water/CrxOy/glass and graphene/mica systems. For this purpose, we needed the following devices: Optic microscope with the isolated system, PVD system, graphene heater, and materials like CVD-grown graphene, muscovite mica, soda-lime glass, and chromium granulates. Firstly, we started with graphene/water/CrxOy/glass system. We did thermal evaporation of chromium using PVD system that was assembled in our laboratory. As a substrate, we used soda lime microscope slide glass(INTROLAB). Chromium thin-film on glass samples was produced. The thickness of thin-film chromium was varied. We transferred CVD-grown graphene onto chromium thin-film glass with the wet transfer method, then annealed it in a tube furnace around 450°C degrees under atmospheric ambient conditions for approximately 40 minutes. As soon as annealing finished we quickly transferred produced sample into a container full of silica gels to preserve from environmental humidity. We reduced humidity within enclosed boxes in which an Optical light microscope stayed for study samples under controlled humidification. We took optic data before, during, and after the humidification process. Secondly, our second system for research was graphene/water/mica. Again as in the graphene/water/CrxOy/glass system, we used CVD-grown graphene and V2grade muscovite mica(Ted Pella). Using scotch tape we cleavage mica several times then CVD-grown graphene was transferred onto it using the wet transfer method. We preserve graphene/mica samples in a container full of silica gels. We studied them with two methods: First under the optic microscope in the isolated box and second using the graphene heater. We reduced humidity to 9% in the isolated box using silica. In the case of the graphene heater, we managed to heat up nearly 200°C. We observed fractal in graphene/CrxOy/glass system but due to non-homogeneous deposition of chromium fractal formation was inconsistent. In case of graphene/mica system observation of de/rewetting process was not possible even though we reduce humidity. The graphene heater was functional, the reason that we couldn't use it was a poorer resolution of the graphene/mica system. Otherwise, observation de/rewetting graphene/water/mica with the optic microscope is challenging.

Ara yüzeydeki suyun davranışı büyük önem taşımaktadır. Özellikle moleküler ince tabakalı su ve ya nano-kapalı su. Nano-kapalı suyun özellikleri, üç boyutlu sudan farklıdır. Nano-kapalı su özelliklerinin incelenmesi, biyoloji, malzeme bilimi, nanoakışkanlar, triboloji ve korozyonda temel öneme sahiptir. Yüzeydeki molekül kalınlığında su tabakasının dış etkilere karşı çok hassa olmasindan dolayı incelenmesi bir takım zorluklarla ilişkilidir. Yüzeydeki atom katmanı kalınlıktakı suyun probe mikroskob ile incelenmesi iki boyutlu malzemelerin keşfi ile daha detaylı incelendi. Özellikle grafenin keşfi bu görüntüleme işini kolaylaştırdı. İki boyutlu malzeme arasına sıkışmış nano kapalı su malzemenin elektronik yapısın deyiştirme ve dope etme gibi özellikleri var. Nanokonfiment malzemeler karbon nanotüpler ve katmanlı iki boyutlu malzemeler veya katmanlı ve kolaylıkla kliv edilen van der Waals kristallari iki boyutlu malzemeler gibi geçiyor. Bu tezde, grafen/CrxOy/cam ve grafen/mika sistemleri ile su etkileşim davranışını inceledik. Bu amaçla sıraladığımız cihazlara ihtiyacımız var: İzole edilmiş sistemli optik mikroskop, PVD termal buharlaştırma sistemi, grafen ısıtıcı ve CVD ile büyütülmüş grafen, muskovit mika, sodiumlu camı ve krom granüller gibi malzemeler. İlk olarak CrxOy/cam ile başladık ve sonra grafen/CrxOy/cam sistemi ile devam etdik. Krom iyi bir iletken olmasının yanı geçiş metaldır ve cama iyi yapıştığı için ara katman yapıştırıcı gibi optik filtrelerin ve aktiv matris dipleylerin üretiminde kullanılmaktadır. Bunun sebebi kromun oksitlenmesi ve cam matrisine diffuziyon etmesidir. Öncelikle krom ince film camı inceledik ve nemlendirdikten sonra kuruma prosesinde gösterdiyi özellikleri acaba grafen aktarıldıktan sonrada göstereceyini gözlemledik. Krom(Umicore) granülleri termal buharlaştırmasını laboratuvarımızda monte edilen PVD sistemi ile gerçekleştirdik. Alttaş olarak sodiumlu mikroskob camı(INTROLAB) kullandık. Deyişik kalınlıklı krom ince filmler üretildi. Termal buharlaştırma cihazında örnekler dönmediyi için kaplama sonucunda elde etdiyimiz örneklerin yüzeyinde kromun dağılımı homojen olmamıştır. İnce film krom kalınlıkları çeşitlendirildi. Cam yüzeylere krom kaplamadan önce camlar 5mm x 5mm ölçeklerde elmasla kesildi ve referans noktları yapıldı. Genel olarak her kaplama prosesinde genel olarak 5 adet cam kullandık. Sonra kimyasal temizleme yöntemi ile aseton, izopropil alkol, metil alkol ve de-ionize edilmiş su ile her biri 5 dakika olmakla ultrasonik banyoda temizlendi. Temizlenmiş örnekler azot tabancası ile kurutuldu. Kurutulmuş örnekler plasma temizleyiciye, DİENER-e konuldu ve 5 dakika Argon ve Oksijen gaz karışımı ile tezmilendi. Plasma temizleme parametreleri argonun akış hızı 45 standart kubik santimetre, oksijenin için akış hızı 5 standart kübik santimetre, güç 20% oranla 50 W. Temizlenmiş örnekler maskelendi ve kapton bantla maskeye ve döner çemberin diskine yapıştırıldı ve krom ince film kaplandı. Önceden CVD prosesle büyütülmüş grafen uygun boyutta kesildi ve örnek üzerine transfer etmek için hazırlandı. Bundan sonra CVD ile büyütülen grafeni krom ince film cam üzerine ıslak transfer yöntemiyle aktardık. Grafen/Krom/Cam örnegi optik mikroskobda incelendi. Optik mikroskobda incelendikden sonra tüp fırında atmosferik ortamda 450°C derece sıcaklığında yaklaşık 40 dakika fırınladık. Örnekleri çevredeki nemden mühafıza etmek için silika jelli kutularda sakladık. İncelenecek numuneler için Optik mikroskobunun civarını metal iskeleden çerçeve yaptık ve streç filmle civarını sardık. Optik mikroskobun bulunduğu kutuda nemi silika jellerin yardımı ile düşürdük. Kutudakı nem ortamını kontrollu tutmak için silika jelleri bi süre sonra yeniledik.Nemlendirme işlemi öncesi, nemlendirme sırasında ve nemlendirmeden sonrasında kı optik verileri aldık. İkinci olarak, araştırma için ikinci sistemimiz grafen/mika sistemidir. Yine grafen/CrxOy/cam sisteminde olduğu gibi CVD yöntemi ile büyütülen grafen ve V2 dereceli muskovit mika (Ted Pella) kullandık. Mika altlik kısmında kullanarak CVD yöntemi ile büyütülmüş grafeni üzerine ıslak transfer yöntemi ile aktatdık. Grafen/mika numunelerini silika jellerle dolu bir kapta muhafıza etdik. Örnekleri iki yöntemle inceledik: birinci yöntemde izole edilmiş kutuda optik mikroskobun kullanarak inceledik ve ikinci yöntemle grafen ısıtıcı kullanarak. İzole edilmiş kutuda nemi siliki jel ile %9'a indirdik. Düşük nemlikte örneği 12 saat kutuda beklettik fakat her hangi bir deyişiklik gözlenmedi. Nem kutusuna azot tupunden düşük basınçta azot üfledik.Kutudakı nemlik 4.5% kadar indi lakin uzun süre düşük nemlilikte tutamadık.(tüp hacmine bağlı olarak)Grafen ısıtıcı sıcaklığı yaklaşık 200°C'ye kadar ısıtmayı başardık.Buna rağmen grafen/mika örneğinde nemsizleşmeden dolayı fraktal oluşumunu gözlemleyemedik. CrxOy/cam ile yaptığımız araştırma sonucunda tüm yüzeyde su kaynaklı fraktal oluşumu bölgesel olarak gözlemledik. Suyun fraktal şekilli dallanmasına sebep krom ince film kaplı yüzeyde defektlerin olmasıdır. Bu defektler suyun fraktal şeklinde dallanması için çekirdek rolunu oynamıştır. Oluşan fraktalların dalları ince olmakla yanı sırası diğer fraktalların dalları ile örtüşmüyor. Termal buharlaştırma yöntemi ile kapladığımız örneklerin yüzeyine krom ince film homojen olarak kaplanmamış. Bunun nedeni PVD sistemimizdeki döndürücü motorun olmamasından dolayı örneklerin dönmemesidir. Bir önceki araştırmadakı prosedür ile yapılmış örneklerle bizim yaptığımız örnekleri kıyasladık ve bazı benzerlikler ve farklılıklar gözlemledik. Bizim yaptığımız örneklerde krom ince film 450°C toplam 37-40 dakikaya kadar fırınladık ve krom oksid nano parçacıkları gözlemledik. Bu oksid nano parçacıklar noktasal olaraq kaplanan yüzeyde homojen olmayan şekilde dağılmıştır. Grafen/CrxOy/cam sisteminde fraktal gözlemledik ancak kromun yüzeyde homojen olmayan birikiminden dolayı fraktal oluşumu tüm yüzeyde bölgesel olarak gözlemledik. Su ile grafen/CrxOy/cam yüzeyinin etkilişiminden fraktal yapılar CrxOy/cam, grafen/CrxOy/cam sınırında ve tamamen grafenli bölgelerde de gözlemledik. Grafenli bölgelerde oluşan faktal yapılar çiçek şeklinde olup CrxOy yüzeyindeki fraktallarla karşılatırdıkta daha az dallanmıştır. Grafen/mika örneğini %9 nemlilikte izole kutusunda toplam 12 saaten fazla sürede düşük nemde beklettik. Grafen/mika sisteminde nemi düşürmemize rağmen tekrar ıslatma gözlemlenmesi mümkün olmadı. Grafen ısıtıcı kullanarak Grafen/mika örneğinde fraktal yapı oluşumuna termal etkini denedik. Grafen ısıtıcı kullanmamıza rağmen grafen/mika sistemindeki çözünürlüğün düşük olmasından dolayı, optik mikroskob ile grafen/mika örneğinin nemsizleşmeden dolayı fraktal oluşumunu gözlemleyemedik.