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Tipo do documento: Tese
Título: Grafeno em substratos transparentes dielétricos para aplicações fotônicas
Autor: Romagnoli, Priscila 
Primeiro orientador: Matos, Christiano José Santiago de
Primeiro coorientador: Margulis, Walter
Primeiro membro da banca: Oliveira, Rafael Euzébio Pereira de
Segundo membro da banca: Silva, Cecília de Carvalho e
Terceiro membro da banca: Elias, Daniel Cunha
Quarto membro da banca: Carvalho, Isabel Cristina dos Santos
Resumo: O grafeno é um material bidimensional composto de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal com excelentes propriedades eletrônicas, como a alta mobilidade eletrônica, e ópticas, como a absorção independente do comprimento de onda devido ao gap zero [1]. Novoselov e Geim [2] isolaram o grafeno pela primeira vez em 2004 e, desde então, o grafeno vem demonstrando aplicações nas mais diversas áreas. Na área de fotônica, até o momento, aplicacões como absorvedores saturáveis, polarizadores e moduladores, entre outras, já foram demonstradas utilizando o nanomaterial em substratos transparentes dielétricos. Esse tipo de substrato torna-se necessário em aplicações fotônicas, uma vez que em geral sua absorção da luz pelo substrato é indesejada. Com este requerimento em vista, esta tese de doutorado estuda o grafeno sobre substratos dielétricos transparentes, com dois objetivos principais. O primeiro objetivo é aumentar o contraste óptico do grafeno sobre substratos transparentes, melhorando sua visualização. A refletância de vidros silicatos recobertos com grafeno, por exemplo,é de 4,3% (incidência normal), enquanto a refletância do vidro sem grafeno é de4,0%, o que gera valores de contraste _optico baixos, da ordem de 8%. Este problema é estudado e duas soluções para o aumento de contraste são apresentadas. A primeira utiliza a condição de polarização por reflexão da luz em ângulo de Brewster, que possibilita o cancelamento da reflexão do substrato e a obtenção de reflexão somente onde há grafeno. A técnica proposta mostrou um aumento do contraste óptico de até 380x em relação á microscopia óptica convencional. A segunda técnica de aumento de contraste explora o fato, não muito usual, de que a reflexão no grafeno sobre vidro depende do meio a partir do qual a luz incide (a partir do ar ou vidro). Com incidência normal, foi observado que a incidência pelo substrato de vidro gera um aumento no contraste óptico de 1,3x em relação _a incidência pelo ar. A técnica pode ser facilmente implementada em um microscópio óptico convencional. O segundo objetivo da presente tese consiste em investigar um novo método de dopagem elétrica de grafeno sobre vidros. A dopagem permite o ajuste das características ópticas e eletrônicas do grafeno. O método consiste em explorar o processo de poling térmico de vidros silicatos. O poling é um método conhecido para gravação de um campo elétrico próximo á superfície em vidros. A dopagem gerada pelo poling é investigada a partir dos deslocamentos espectrais gerados na banda G Raman do grafeno e a partir da excitação de plásmons de superfície. Observou-se, entretanto, que o poling gerava uma concentração de portadores no grafeno menor do que a esperada, de ~2,9x1012cm-2, indicando que o campo gravado é neutralizado antes de chegar ao grafeno. Apesar de não se entender ainda a origem de tal neutralização, uma possibilidade é uma migração de cargas do grafeno para o substrato, o que blindaria o campo elétrico no grafeno. Os efeitos de dopagem decorrentes de interação com o ambiente e com o substrato também são mostrados como fatores importantes que influenciam significativamente a concentração de cargas do nanomaterial.É demonstrada uma redução significativa nesses efeitos utilizando-se um substrato de hBN esfoliado sobre sílica e atmosfera de argônio.
Abstract: Graphene is a two-dimensional material composed of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice with excellent electronic properties, such as high electron mobility, and optical properties, such as wavelength-independent absorption due to the zero electronic bandgap [1]. Novoselov and Geim [2] isolated graphene for the rst time in 2004 and, since then, it has been proving applicable to several areas. In photonics, to date, application as saturable absorbers, polarizers and modulators, among others, have been demonstrated using the nanomaterial on transparent dielectric substrates. This type of substrate becomes necessary for photonic applications, since generally absorption is undesirable. With this requirement in mind, this thesis studies graphene on transparent dielectric substrates, with two main objectives. The rst objective is to increase the optical contrast of graphene on transparent substrates, improving its visualization. The re ectance of silicate glasses covered with graphene, for example, is 4.3% (normal incidence), while the re ectance of glass without graphene is 4.0%, which generates low values of contrast, of the order of 8%. This problem is studied and two solutions to increase the optical contrast are presented. The rst one uses re ected light at the Brewster angle of the substrate, which allows the cancellation of the substrate re ection and, thus, for the observation of re ection only in regions covered with graphene. The technique showed an increase in optical contrast of up to 380 over conventional optical microscopy. The second technique to enhance the contrast explores the unusual fact that re ection on a glass with graphene depends on from which medium light incides (from air or glass). With normal incidence, it was observed that glass substrate incidence generates an increase in optical contrast of 1.3 in relation to air incidence. The technique can be easily implemented in a conventional optical microscope. The second objective of this thesis is to investigate a new method for electrically doping graphene on glass. Doping allows adjustment of the optical and electronic characteristics of graphene. The method consists of exploring the process of thermal poling of silicate glasses. Poling is a known method for recording an electric eld close to the surface in glasses. The doping by poling is investigated by the generated spectral shifts in the Raman G band of graphene and from surface plasmon excitations. It was noted, however, that poling generated a charge concentration in graphene that was lower than expected, 2,9 1012cm􀀀2, which indicates that the recorded eld is neutralized before it reaches graphene. Although the origin of such neutralization is not yet understood, one possibility is the migration of charges from graphene to the substrate, which would screen the electric eld in graphene. The e ects of doping due to interaction with the atmosphere and the substrate are also shown to be important factors that signi cantly in uence the nanomaterials charge concentration. A signi cant reduction in these e ects is demonstrated using a substrate of exfoliated hBN on silica and in an argon atmosphere.
Palavras-chave: grafeno
substrato dielétrico transparente
contraste óptico
ângulo de brewster
dopagem elétrica
poling térmico
plásmons de superfície
plásmons em grafeno
Área(s) do CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Presbiteriana Mackenzie
Sigla da instituição: UPM
Departamento: Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
Programa: Engenharia Elétrica
Citação: ROMAGNOLI, Priscila. Grafeno em substratos transparentes dielétricos para aplicações fotônicas. 2017. 123 f. Tese ( Engenharia Elétrica) - Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo .
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: http://tede.mackenzie.br/jspui/handle/tede/3370
Data de defesa: 4-Mai-2017
Aparece nas coleções:Doutorado - Engenharia Elétrica e Computação

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