I materiali bidimensionali hanno recentemente attirato l’attenzione della comunità scientifica grazie alle loro inusuali proprietà intrinseche come, ad esempio, l’alta mobilità dei carrier, il band-gap modulabile, l’alta resistenza meccanica e l’elevata conducibilità termica. L’insieme di queste caratter- istiche li rende fortemente appetibili per svariate applicazioni nel campo della nanoelettronica, della sensoristica ed in generale nella trasduzione di segnali di diversa natura. In questo senso, la continua richiesta di disposi- tivi altamente sensibili, selettivi, economici, efficienti, stabili e compatti ha stimolato la ricerca di nuovi materiali nel campo dei sensori chemoresistivi allo scopo di limitare ed arginare gli svantaggi dei materiali attualmente maggiormente utilizzati come i semiconduttori basati su ossidi metallici. Nuovi candidati come il grafene, l’ossido di grafene, l’ossido di grafene ri- dotto, i dicalcogenuri dei metalli di transizione ed il fosforene offrono grandi possibilità grazie all’ampia superficie attiva, al ridotto rumore elettrico e all’elevata sensibilità alle variazioni ambientali che li circondano. Il lavoro di tesi qui presentato mira a sfruttare le promettenti caratteristiche dei materiali bidimensionali al fine di ottenere l’adsorbimento controllato e re- versibile di diverse specie chimiche in fase gassosa sulla superficie di nuovi materiali. Partendo da grafene, ossido di grafene e fosforo nero esfoliato sono stati prodotti tre nuovi materiali grazie a funzionalizzazioni con composti organici ed inorganici. Successivamente, sono stati testati come materiali sensibili rispetta diversi gas e le loro performance sono state comparate con i corrispettivi composti di partenza allo scopo di verificare l’ottenimento di incrementi prestazionali. Particolare attenzione è stata posta alla sintesi, alla caratterizzazione e alla valutazione delle performace di sensing come sensibilità, specificità, limite di rilevabilità, tempi di risposta e reversibilità della reazione superficiale. Il lavoro si conclude con le sfide e le prospettive future nell’utilizzo di materiali bidimensionali nel campo della sensoristica gassosa.

Two-dimensional materials have naturally attracted the interest of the re- searchers due to their unusual and captivating properties such as high- carrier mobility, tunable band gap, high mechanical strength and thermal conductivity, allowing the extensive application in the field of nanoelectron- ics, supercapacitors, sensors, H2 storage, drug delivery, fuel cells, transis- tors and polymer nanocomposites. The increasing demand for highly sen- sitive, selective, cost-effective, low power consuming, stable and portable sensors has stimulated extensive research on new chemoresistive sensing materials in order to overcome typical drawback of the commonly used metal-oxide semiconductors-based devices. The emergence of new candi- dates including graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, transi- tion metal dichalcogenides, phosphorene, etc., has shown great potentialities in gas sensing field applications due to their high surface-to-volume ratio, low noise, tunable band gap and sensitivity of electronic properties to the changes in the surroundings. This thesis work aims to exploit these promis- ing features for reversible and controlled interaction of adsorbed chemi- cal species on novel two-dimensional materials. Starting from graphene, graphene oxide and exfoliated black phosphorous their properties were tai- lored through decoration with different organic and inorganic functional groups and their performance were compared to the pristine materials, en- visaging possible applications in order to contribute to the innovation in chemoresistive gas sensing research. Particular attention has been paid to material synthesis, characterization and gas sensor performance metrics at room temperature such as sensitivity, specificity, detection limit, response time and reversibility. The presented work concludes with the current chal- lenges and future perspectives for two-dimensional materials in gas sensing applications.

2D materials for room-temperature chemoresistive gas sensing

VALT, MATTEO
2020-03-16T00:00:00+01:00

Abstract

Two-dimensional materials have naturally attracted the interest of the re- searchers due to their unusual and captivating properties such as high- carrier mobility, tunable band gap, high mechanical strength and thermal conductivity, allowing the extensive application in the field of nanoelectron- ics, supercapacitors, sensors, H2 storage, drug delivery, fuel cells, transis- tors and polymer nanocomposites. The increasing demand for highly sen- sitive, selective, cost-effective, low power consuming, stable and portable sensors has stimulated extensive research on new chemoresistive sensing materials in order to overcome typical drawback of the commonly used metal-oxide semiconductors-based devices. The emergence of new candi- dates including graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, transi- tion metal dichalcogenides, phosphorene, etc., has shown great potentialities in gas sensing field applications due to their high surface-to-volume ratio, low noise, tunable band gap and sensitivity of electronic properties to the changes in the surroundings. This thesis work aims to exploit these promis- ing features for reversible and controlled interaction of adsorbed chemi- cal species on novel two-dimensional materials. Starting from graphene, graphene oxide and exfoliated black phosphorous their properties were tai- lored through decoration with different organic and inorganic functional groups and their performance were compared to the pristine materials, en- visaging possible applications in order to contribute to the innovation in chemoresistive gas sensing research. Particular attention has been paid to material synthesis, characterization and gas sensor performance metrics at room temperature such as sensitivity, specificity, detection limit, response time and reversibility. The presented work concludes with the current chal- lenges and future perspectives for two-dimensional materials in gas sensing applications.
MANTOVANI, Fabio
GUIDI, Vincenzo
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Descrizione: 2D materials for room-temperature chemoresistive gas sensing
Tipologia: Tesi di dottorato
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: http://hdl.handle.net/11392/2488104
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