Ajankohtaista

Väitös: 10.11.2017 Grafeeni – ihmeellinen hiili kelpaa moneksi (Koivistoinen)

Alkamisaika: perjantai 10. marraskuuta 2017, 12.00

Päättymisaika: perjantai 10. marraskuuta 2017, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, Ylistö, Kem1

JuhaKoivistoinennetti.jpg
Juha Koivistoinen Kuva: Annika Karjalainen
FM Juha Koivistoisen kemian väitöskirjan ”Non-linear interactions of femtosecond laser pulses with graphene: photo-oxidation, imaging and photodynamics” tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä professori Eric Potma (University of California) ja kustoksena professori Mika Pettersson (Jyväskylän yliopisto).

Kemiassa allotropia tarkoittaa saman alkuaineen muodostamia erilaisia rakenteita samoissa olosuhteissa. Hiilen termodynaamisesti pysyvin allotrooppi on grafiitti, josta nykyään mm. lyijykynän “lyijy” on tehty. Atomitasolla grafiitti koostuu suuresta määrästä yhden hiiliatomin paksuisia kalvoja, jotka pysyvät toisissaan kiinni ns. heikkojen vuorovaikutusten avulla. Yhtä tällaista kalvoa kutsutaan grafeeniksi.

Grafeenia on mediassa kutsuttu ihmeaineeksi. Pienen kokonsa, läpinäkyvyytensä ja muiden ominaisuuksiensa ansiosta grafeenissa nähdään paljon potentiaalia erilaisissa sovelluksissa mm. elektroniikkakomponenttien sekä läpinäkyvän tai printatun elektroniikan saralla.

Laserit apuna tutkimuksessa

Tutkimuksessa tarkasteltiin ultranopeita ilmiöitä grafeenissa soveltaen epälineaarisiin optisiin ilmiöihin perustuvia menetelmiä. Tällaiseen tutkimukseen on käytettävä pulssitoimisia lasereita. Pulssilasereilla on valokuvauksen valotusaikaan jokseenkin verrattavissa oleva pulssin kesto. Jos pulssin kesto on lyhyempi kuin havaittu tapahtuma, kyetään mitattava tapahtuma havaitsemaan.

- Näissä tutkimuksissa käytettiin femtosekuntilasereita, joissa pulssin kesto voi olla sekunnin miljardisosan miljoonasosan suuruusluokkaa, ja niillä kyetään havaitsemaan erittäin nopeita tapahtumia, kuten atomien värähtelyä, Koivistoinen kertoo.

Askel kohti hiileen perustuvaa elektroniikkaa?

Jos grafeenia säteilytetään femtosekuntilaserilla huoneen lämpötilassa ja vallitsevassa ilmankosteudessa, sitä voidaan hallitusti hapettaa valokemiallisen reaktion avulla valituilta alueilta. Sen pintaan voidaan esimerkiksi piirtää kuvioita. Näin hapettamalla grafeeniin pystytään tekemään alueita, jotka toimivat puolijohteena tai eristeenä, riippuen säteilytyksen asetuksista.

- Havainto on merkittävä, sillä nyt johteena tunnettua grafeenia voidaan muokata niin, että käyttöön saadaan helposti kaikki sähkökomponenttien tekemiseen tarvittavat pakolliset osat: johde, puolijohde ja eriste, Koivistoinen selvittää.

Grafeenin hapettumista tutkittiin myös muilla menetelmillä. Tulokset tukevat hypoteesia valokemiallisesta hapettumisesta, ja ilmiön syntymekanismista saatiin jo erittäin hyvä käsitys. Tutkimuksessa onnistuttiin myös kehittämään mikroskopian menetelmä, jolla grafeenin hapetusta voidaan seurata laajaltakin alueelta. Menetelmä on yhdistelmä laajakenttämikroskopiaa ja femtosekuntilasereita hyödyntävään CARS-spektroskopiaa.

- Myös aikaerotteista CARS-spektroskopiaa käyttäen kyettiin mittaamaan hiiliatomien värähtelyn dynamiikkaa grafeenissa. Tämä selvensi edelleen käsitystä, että grafeenissa atomien värähtely ja elektronit ovat kytköksissä toisiinsa, Koivistoinen esittelee.

Lisätietoja:

Juha Koivistoinen, 0440207007, juha.t.koivistoinen@jyu.fi

Viestintäpäällikkö Liisa Harjula, 040 8054403, viestinta@jyu.fi

Juha Koivistoinen valmistui ylioppilaaksi Kuopion Klassillisesta lukiosta syksyllä 2004. Hän valmistui filosofian maisteriksi Jyväskylän yliopistosta syksyllä 2013 pääaineenaan fysikaalinen kemia. Koivistoinen aloitti jatko-opinnot ohjaajansa professori Mika Petterssonin tutkimusryhmässä tammikuussa 2014.

Väitöskirja on julkaistu sarjassa Department of Chemistry, University of Jyväskylä Research Report numerolla 205, 68 s., Jyväskylä 2017, ISSN 0357-346X, ISBN 978-951-39-7214-1. Pysyvä linkki julkaisuun: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-7215-8

Abstract

This thesis presents a study focused on interactions of femtosecond laser pulses with graphene, a one atom thick carbon membrane. Graphene, which exhibits exceptional electronic and optoelectronic properties, could provide considerable advantage over current silicon-based electronics. Graphene alone, being semi-metal, is not sufficient for electronic applications, but requires modification. For this, a set of methods for modifying and measuring the properties of graphene was developed. With the perspective of making graphene a suitable component for electronics, optoelectronics or photonics, ultrashort laser pulses were used for drawing patterns on graphene. The procedure modifies graphene chemically by photooxidation, and physically, by opening a gap to its electronic band structure, changing graphene into a semiconductor. During the process, the band gap can be increased to the extent, where the material becomes an insulator. It was observed in topographic studies that photo-oxidation begins at point-like sources and expands into islands of oxidized graphene, which eventually merge together. This is because the probability that new oxidation occurs in close proximity to an already oxidized area is five orders of magnitude greater than the probability of oxidation elsewhere on graphene. Also, accompanying the oxidation process, a third-order nonlinear signal arising from the graphene, diminishes, providing a contrast mechanism for optical imaging. Additionally, the Raman spectrum shows notable changes in the position of the G-band and increase in intensity of the D-band. Further insight into the patterned structures was obtained with micro--X-ray photoelectron spectroscopy. The initial steps of patterning only change the ratio of sp2/sp3 carbons in the material but the degree of oxidation increases after the islands coalesce. With higher irradiation doses the proportion of hydroxyl and epoxide groups increases, finally reaching the level of ~65 %. The Four-wave mixing (FWM) signal of graphene was monitored during the oxidation process. By utilizing the extraordinarily strong non-linear optical response of graphene FWM spectroscopy was combined with wide-field microscopy, allowing the patterning process to be followed in real-time. Femtosecond wide-field FWM microscopy was proven as fast large area imaging technique for characterization of graphene and observing changes in graphene in real-time.

Time-resolved coherent anti-Stokes Raman scattering measurement (CARS) was applied to graphene and a G-mode dephasing time was recorded. Additionally, it was shown that by utilizing BOXCARS excitation geometry various nonlinear optical processes could be unambiguously separated and measured simultaneously. The short dephasing time (T2/2) of the G-mode (325 fs) was explained with dynamically changing G-mode frequency and width accompanied with relaxation of excited charge carrier population, due to nonadiabatic coupling between phonons and electrons in graphene.

Lisätietoja

Juha Koivistoinen
juha.t.koivistoinen@jyu.fi
kuuluu seuraaviin kategorioihin: