Integration of 2D materials in biomimetic photonic structures

Abstract

Today's society lives in constant dependence on electricity. It is common sense to look for sources that produce electricity with a minimal ecological footprint such as solar energy. The state-of-the-art of solar energy conversion is a very optimistic but uninspiring scenario since the highest efficiency research cell does not exceed 47.1%. Using bioinspired photonic nanostructures, it is possible to improve light-matter interactions of additional light-harvesting layers from volumes as reduced as two-dimensional materials on top of these cells, through techniques available in cleanroom-free environments. This allows a simpler and lower-cost way to increase the performance of the final device without increasing its footprint. The reproduction of sinusoidal optical diffraction gratings (nanowrinkles) inspired in epidermal cells' walls of angiosperms to enhance light-matter interactions of adjacent graphene was studied. A reproducible process was developed for the manufacture of nanowrinkles with periodic features of 600, 800, and 1000 nm composed of PDMS activated bran oxygen plasma treatment showing a sinusoidal profile with R² of 85.94%, 78.76%, and 97.00% respectively. Almost all fabricated samples behaved as optical diffraction gratings in angular spectrophotometry measurements. A method for integrating graphene grown by chemical vapor deposition into the aforementioned nanostructures was developed, based on a wet transfer. Fabricated samples with transferred graphene maintained the same periodicity, showing a sinusoidal profile with R² of 80,41%, 62.60%, and 43,32% respectively. Optically, the combination of the nanostructure with the material kept the behavior of a diffraction grating. Raman’s spectroscopy measurements on transferred graphene onto oxygen plasma-treated PDMS showed a 2D/G bands ratio and G band spectral position expected from a monolayer. Due to the material's brittleness resulting from the oxygen plasma treatment of PDMS, consistently oriented cracks appeared across the entire surface, inhibiting electrical conduction in transferred graphene. An implementation of gold contacts by sputtering with a copper adhesion layer spaced by 200 µmwas developed so that crack-free continuous areas of graphene connected side-by-side contacts. This technique allowed the injection of electric current when voltage was applied between contacts. Resistance was measured with values R ~ 10¹ — 10² kΩ.

A sociedade atual vive em constante dependência de energia elétrica. É do senso comum procurar fontes produtoras de energia elétrica com pegada ecológica mínima, tais como a energia solar. O estado da arte da conversão energética solar é um cenário muito otimista, mas pouco inspirador, já que a célula solar investigada de maior rendimento não ultrapassa os 47.1%. Utilizando nanoestruturas fotónicas bioinspiradas, é possível melhorar interações luz-matéria de camadas adicionais de colheita luminosa de volumes tão reduzidos quanto de materiais bidimensionais no topo destas células, utilizando técnicas disponíveis em ambientes fora de sala-limpa. Isto permite aumentar o rendimento do dispositivo final sem aumentar consideravelmente a sua dimensão, de forma mais simples e barata. Estudou-se a reprodução de redes de difração óticas sinusoidais (nanorrugas) bioinspiradas em paredes celulares epidérmicas de angiospernas para melhorar as interações luz-matéria de grafeno adjacente. Desenvolveu-se um processo consistente de fabrico de nanorrugas periódicas de 600, 800 e 1000 nm compostas por PDMS tratado por plasma de oxigénio mostrando um perfil sinusoidal com R² de 85.94%, 78.76% e 87.00%, respetivamente. Quase todas as amostras fabricadas comportaram-se como redes de difração ótica em medições de espetrofotometria angular. Desenvolveu-se um método de integração de grafeno crescido por deposição química a vapor nas nanoestruturas mencionadas acima, com base numa transferência húmida. Amostras fabricadas com grafeno transferido mantiveram a periodicidade, mostrando um perfil sinusoidal com R² de 80.41%, 62.60% e 43.32%, respetivamente. Oticamente, a combinação da nanoestrutura com o material manteve o comportamento de uma rede de difração. Medições em espectroscopia de Raman sobre grafeno transferido para PDMS tratado com plasma de oxigénio mostraram um rácio de bardas 2D/G e posição espectral de banda G esperados de uma monocamada. Devido à fragilidade da superfície de PDMS tratada, apareceram fendas que inibem a condução elétrica no grafeno transferido, consistentemente orientadas. Foi desenvolvida uma implementação de contactos de ouro por pulverização catódica, com camada de adesão de cobre, distanciados por 200 µm, de forma que zonas continuas de grafeno entre fendas conectassem contactos lado a lado. Esta técnica permitiu a injeção de corrente elétrica quando aplicada tensão entre contactos, tendo sido medidas resistências com valores R ~ 10¹ - 10² kΩ.