Cel badań/Hipoteza.

W proponowanym projekcie wykonamy badania własności fononowych i termicznych monowarstw grafenowych na podłożach dielektrycznych, które mają istotne znaczenie dla zarządzania rozkładem temperatury i przepływem ciepła w nanoskali. Głównym celem naukowym w proponowanym projekcie jest eksperymentalna weryfikacja następującej hipotezy:defekty strukturalne w grafenie CVD na podłożu dielektrycznym obniżają wartość przewodności cieplnej poprzez zmniejszenie średniej drogi swobodnej fononów

Osiągnięcie powyższego celu jest wymagające zarówno pod względem eksperymentalnym jak i koncepcyjnym i w związku z tym proponujemy by badania głównej tezy poprzedzone były dwoma zadaniami wstępnymi:

1. opracowanie nowej metody opto-termicznej wyznaczania przewodności cieplnej κ i przewodnictwa międzypowierzchniowego układu grafen-podłoże. Technika bazować będzie na spektroskopii Ramana, a do jej cech szczególnych należeć będzie wysoka dokładność oraz łatwość automatyzacji, która pozwoli nam wykonywać badania w ujęciu statystycznym jak i na badania rozkładu parametrów termicznych na całym obszarze próbki. Dodatkowo metoda musi być nieniszcząca dla monowarstwy grafenowej.
2. badania wpływu defektów strukturalnych na zależności temperaturowe własności fononowych. Energie i czasy życia fononów optycznych obserwowanych przy pomocy spektroskopii Ramana zależą od temperatury lokalnej materiału. W projekcie planujemy badać jak te zależności temperaturowe zależą od ilości defektów. Wyniki tych badań przyczynią się do zrozumienia własności fononowych, a tym samym termicznych grafenu. Ponadto, warto zauważyć, że analiza własności fononowych jest etapem pośrednim w procedurze wyznaczania κ i g, więc ma znaczenie metrologiczne.

Metoda badawcza.

Pierwsza część proponowanego projektu koncentruje się na rozwoju metody eksperymentalnej która otworzy nowe perspektywy w charakteryzacji materiałów 2D. Jako techniki eksperymentalnej użyjemy spektroskopii Ramana. Analiza danych odbędzie się w oparciu o równania dyfuzji ciepła.

Drugie zadanie składa się będzie z dwóch części. Pierwsza z nich dotyczy na produkcji próbek oraz wprowadzeniu kontrolowanej ilości defektów, używając różnych metod. Druga część to badania zmiany własności fononowych w funkcji temperatury oraz ilości defektów. W szczególności będziemy badać korelacje pomiędzy energiami i czasami życia fononów D, G i 2D w funkcji temperatury oraz jak zmienia się pochodna energii modów ramanowskich D, G i 2D po temperaturze w funkcji ilości defektów. Badania będą prowadzone przy użyciu podejścia statystycznego.

Zadanie trzecie będzie bazować na wnioskach wyciągniętych w zadaniu drugim, otrzymamy zależność κ-L_D , gdzie κ to przewodność cieplna a LD to średnia odległość między defektami w grafenie. Wpływ metody wprowadzania defektów będzie uwzględniony.

Wpływ rezultatów.

Projekt zakłada badania własności termicznych grafenu, biorąc pod uwagę głównie obecność defektów strukturalnych w grafenie. Braki literaturowe dotyczące powyższej tematyki wynikają z problemów eksperymentalno-koncepcyjnych, które proponowany projekt rozwiąże, a nie z małej wartości tematu. Jest wręcz przeciwnie. Proponowane badania są niezwykle cenne gdyż defekty do grafenu CVD są często wprowadzane intencjonalnie, np. podczas produkcji nanoprzyrządów. Defekty tworzy się po procesie produkcji tranzystorów polowych przy okazji termicznego wygrzewania grafenu, które w zamyśle ma przywracać początkowe własności tego materiału, oraz podczas czyszczenia plazmą tlenową w celu poprawienia kontaktu grafen CVD – elektroda metaliczna. Ostatnie badania teoretyczne jasno wskazują, że średnia droga swobodna fononów, główna przyczyna wysokiej wartości przewodnictwa cieplnego, jest bardzo czuła na obecność defektów, które tworzą efektywny kanał rozpraszania dla fononów.

Innowacyjność proponowanego rozwiązania służącego do określenia własności termicznych materiałów 2D może przyciągnąć znaczną uwagę, zwłaszcza, że może ono być zastosowane dla materiałów innych niż grafen. To spowoduje możliwość implementacji rezultatów projektu w przypadku innych materiałów i nowych technologii, które stają się coraz bardziej istotne dla rozwoju polskiego potencjału naukowego. Co więcej, rezultaty projektu pozwolą na podwyższenie konkurencyjności naszego zespołu w obszarze badań materiałów 2D.

Wreszcie, wyniki oraz doświadczenie zdobyte w proponowanym projekcie będą miały wpływ jako znaczący przyczynek do dorobku habilitacyjnego kierownika projektu, pozwalając na przyspieszenie jego kariery naukowej. Dodatkowo, oczekuje się pewnego wkładu do jednej z prac doktorskich oraz planowane są dwie obrony prac magisterskich w ramach badań projektu.