 |
Elaboration and characterization of graphene-silver nanoparticle hybrids
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
129587 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Osváth, Zoltán |
| Title in Hungarian |
Grafén-ezüst nanorészecske hibrid szerkezetek előállítása és vizsgálata |
| Title in English |
Elaboration and characterization of graphene-silver nanoparticle hybrids |
| Keywords in Hungarian |
grafén, ezüst nanorészecskék, pásztázó alagútmikroszkópia, alagútspektroszkópia, hibrid nanoszerkezetek |
| Keywords in English |
graphene, silver nanoparticles, scanning tunneling microscopy, tunneling spectroscopy, hybrid nanostructures |
| Discipline |
| Physics (Council of Physical Sciences) | 50 % | | Ortelius classification: Condensed matter properties | | Solid-state Physics (Council of Physical Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Solid state physics | | Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Nanotechnology |
|
| Panel |
Physics |
| Department or equivalent |
Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research) |
| Participants |
Dobrik, Gergely
Kertész, Krisztián Imre
Molnár, György
Pálinkás, András
Piszter, Gábor
Vancsó, Péter
|
| Starting date |
2018-10-01 |
| Closing date |
2020-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
19.814 |
| FTE (full time equivalent) |
3.30 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A grafén elismerten vonzó kétdimenziós anyag nemcsak az alapkutatás számára, hanem az ipari alkalmazási lehetőségek szempontjából is. A nem szűnő érdeklődés a grafén egyedi mechanikai, optikai, és elektromos tulajdonságainak köszönhető. Kiváló tulajdonságainak (könnyű, rugalmas, vezető) hasznosítása az anyagtudomány egyik jelenlegi fő kihívása. Különféle nanorészecskékkel történő funkcionalizálása további hasznos tulajdonságokat eredményezhet, illetve javíthatja az egyes alkalmazásoknál kívánatos paramétereket, a grafén és a nanorészecskék közti kölcsönhatás miatt. A grafénnal fedett ezüst nanorészecskék olyan hibrid anyagot képeznek, amely számos területen, mint például szenzorok, napelemek, nanokompozitok, vagy antimikrobiális bevonatok területén nyerhetnek alkalmazást.
A projekt célja grafén-ezüst nanorészecske hibrid szerkezetek előállítása és jellemzése. Az előállított szerkezetek morfológiáját és fizikai tulajdonságait korszerű, egymást kiegészítő módszerekkel fogjuk vizsgálni. Mivel az ezüst könnyen oxidálódó fém, vizsgálni fogjuk a grafén - oxidáció elleni - védőrétegként való alkalmazhatóságát. Az ezüst nanorészecskéket fedő grafénban ponthibákat hozunk létre, és vizsgáljuk a ponthibák közvetlen környezetét atomi felbontású pásztázó alagútmikroszkópiával (STM). Számolni fogjuk az ezüst hordozón lévő grafénban keltett ponthibák állapotsűrűségét, illetve szimulált STM topográfiákat készítünk a ponthibákról, amelyeket összehasonlítunk a kísérleti eredményekkel. Továbbá, vizsgálni fogjuk a grafén/ezüst nanorészecske hibridek gőzérzékelési tulajdonságait, valamint a grafénban létrehozott ponthibák hatását a hibrid anyag gőzérzékelési tulajdonságaira.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A javasolt projektben az ezüst nanorészecskék és a grafén közti kölcsönhatást fogjuk vizsgálni. A hipotézisünk az, hogy a grafén fedőréteg képes megvédeni az ezüst nanorészecskéket az oxidációtól. Raman spektroszkópiai vizsgálatokkal meg fogjuk állapítani a fedetlen nanorészecskék oxidációjának mértékét a grafénnal fedett nanorészecskékhez képest. Arra is keressük a választ, hogy milyen mértékű felületerősített Raman szórási effektus érhető el grafénban, az előállított ezüst nanorészecskéken.
Szorosan egymás mellett elhelyezkedő ezüst nanorészecskékre helyezett grafén esetén arra számítunk, hogy nanorészecskékkel alátámasztott, és nanorészecskék között felfüggesztett grafén részek egyaránt kialakulnak. Az a feltételezés, hogy a grafén-ezüst kölcsönhatás miatt más lesz a ponthibák körüli állapotsűrűség az ezüsttel alátámasztott, illetve a felfüggesztett grafén részeken. Ezért ponthibákat hozunk létre a hibrid szerkezetekben, és alagútmikroszkópos (STM) mérésekkel, valamint elméleti számításokkal is vizsgáljuk a kérdést. További kérdés, hogy a grafén ponthibáknál felgyorsul-e a grafén alatt lévő ezüst oxidációja?
A grafén/ezüst nanorészecske hibridek gőzérzékelési kísérleteinél vizsgálni fogjuk, hogy milyen mértékben változik meg az ezüst nanorészecskék felületi plazmon rezonanciája különböző koncentrációjú gőzök jelenlétében, illetve a grafén fedőréteg javítja-e az egyes gőzökre való érzékenységet vagy szelektivitást. További vizsgálandó kérdések: a grafénban létrehozott ponthibák hogyan befolyásolják az ezüst nanorészecskék plazmon rezonanciáját, valamint a hibrid anyag gőzérzékelési tulajdonságait?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az előállított hibrid rendszerek ideális platformot jelentenek a nanostrukturált ezüst-grafén kölcsönhatás tanulmányozására és jobb megértésére. A lehetséges alkalmazási területek az ezüst nanorészecskék alakjától és méretétől is függhetnek. A grafén-ezüst nanorészecske hibridek gőzérzékelési tulajdonságainak vizsgálata új típusú érzékelők fejlesztéséhez adhatja meg a tudományos alapot. A különböző gőzök jelenléte a nanorészecskék plazmon rezonanciájára van hatással. A nanorészecskékre helyezett grafén korrugációja jelentősen megnő, amit nagymértékben a nanorészecskék morfológiája határoz meg. Így a grafén reaktívabb lesz, és a feszített grafén rács érzékenyebb a környezetére. A perspektíva ebben a kérdésben az, hogy a deformált (korrugált) grafén javíthatja az ezüst nanorészecskék egyes gőzökre való érzékenységét vagy szelektivitását. Ráadásul, a grafénban létrehozott ponthibák jelentősen befolyásolhatják a fent említett tulajdonságokat.
Másrészt, a félgömb alakú, néhány tíznanométeres ezüst nanorészecskékben lokális felületi plazmonok gerjeszthetők megfelelő hullámhosszú fénnyel. Ha elég közel vannak egymáshoz ezek a részecskék, a köztük lévő térben nagyon meg tud nőni az elektromos tér, a szomszédos részecskékben egyszerre lezajló kollektív elektronmozgások miatt. Így, ha ilyen részecskékre helyezett grafént vizsgálunk Raman spektroszkópiával, a grafénra jellemző spektrális csúcsok intenzitása nagyságrendekkel megnőhet (felületerősített Raman spektroszkópia, SERS). Ezek a felületek alkalmasak lehetnek nagyon kis koncentrációjú molekulák detektálására.
Tudomásunk szerint a tervezett kutatás egyedülálló Magyarországon, a világban viszont számos laboratóriumban kutatják a grafén-ezüst nanorészecske hibrideket. Főleg a SERS tulajdonságait, illetve hajlékony vezető elektródaként, viselhető eszközökben való alkalmazhatóságát vizsgálják. Az általunk javasolt kutatás egyedisége a grafén-ezüst nanorészecskék pásztázó alagútmikroszkópiás (STM) jellemzése. A projekt egyik erőssége, hogy a hibrid anyagban keltett ponthibákat is karakterizáljuk atomi felbontású STM-mel, és alagútspektroszkópiával (STS).
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az egy atomi vastagságú grafén, mint a szén egyik módosulata, napjaink egyik legismertebb, legígéretesebb, és legtöbbet vizsgált anyaga. Több, mint tíz éve nem szűnő érdeklődés övezi mind az alapkutatásban, mind az elektronikai iparban. Kiváló tulajdonságainak (könnyű, rugalmas, vezető) hasznosítása az anyagtudomány egyik jelenlegi fő kihívása. Egyedi mechanikai, optikai, és elektromos tulajdonságainak kihasználásához elengedhetetlen a hordozó felülettel való kölcsönhatásának részletes vizsgálata. A projekt a nanotechnológia területéhez tartozó egyik korszerű kutatási téma, az innovatív nano-termékek fejlesztése szempontjából is ígéretesnek számító grafén-ezüst hibrid nanoanyagok vizsgálatát tervezi. A grafén, az alá- vagy ráhelyezett ezüst nanorészecskékkel együtt olyan hibrid anyagot képez, amely kiegészítő új tulajdonságokkal rendelkezhet a grafén és a nanorészecskék közti kölcsönhatás miatt. Ezek a szerkezetek számos területen, mint például a szenzorok, napelemek, hajlékony eszközök, vagy antimikrobiális bevonatok területén nyerhetnek alkalmazást.
Különböző alakú és méretű ezüst nanorészecskéket vonunk be grafénnal. Összefüggéseket keresünk a grafén-ezüst kölcsönhatás, ponthibák, és a hibrid anyag gőzérzékelési tulajdonságai között. A grafénban keltett ponthibákat kísérleti és elméleti módszerekkel egyaránt vizsgálni fogjuk. Továbbá, vizsgálni fogjuk a grafén - oxidáció elleni - védőrétegként való alkalmazhatóságát. A projekt hozzájárul a nanostrukturált ezüst-grafén típusú hibridek tulajdonságairól szerzett ismeretek bővítéséhez. A tervezett pásztázószondás és optikai spektroszkópiai vizsgálatok további kutatásokat megalapozó új eredmények elérését célozza meg.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Graphene is recognized as an attractive two-dimensional material for fundamental research and multiple applications. Exploiting the exceptional properties of this highly promising two dimensional carbon material (light, strong, flexible, semi-metal) is currently one of the hot topics in material science. Functionalization of graphene sheets with various nanoparticles can further enhance the properties of graphene, or optimize the parameters required in certain applications. Hybrid materials consisting of silver nanoparticles distributed on or below graphene could potentially display additional novel properties due to the interaction between nanoparticles and graphene. Many applications can be envisioned for these novel hybrid structures, such as in sensors, photovoltaic cells, nanocomposites, or antimicrobial coatings.
The objective of this project is to elaborate and characterize graphene-silver hybrid nanostructures. The morphology and physical properties of the elaborated materials will be investigated by complementary techniques. Since silver is an easily oxidizing metal, we will investigate the applicability of graphene as a protective layer against the oxidation of silver. We will generate point defects in the silver nanoparticle supported graphene, and will investigate the immediate surroundings of these point defects by atomic resolution scanning tunnelling microscopy (STM). We will calculate the local density of states at the point defects and simulate their STM topography. Furthermore, we will investigate the vapour sensing properties of graphene-silver nanoparticle hybrids, as well as the effect of the generated point defects on the vapour sensing properties.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In this project the interaction between silver nanoparticles and graphene will be investigated. The hypothesis is that the graphene coating can protect silver nanoparticles from oxidation. Using Raman spectroscopy we will explore the degree of oxidation of uncovered silver nanoparticles, compared to graphene-covered ones. We also investigate the strength of the surface-enhanced Raman scattering effect in silver nanoparticle supported graphene.
When graphene is transferred onto closely spaced silver nanoparticles we expect that both nanoparticle-supported graphene and graphene suspended between nanoparticles will be formed. We suppose that – due to the graphene-silver interaction – the local density of states (LDOS) near point defects in silver supported graphene will be different from the LDOS distribution of point defects in suspended graphene. To investigate this, we will induce point defects in the hybrid structure and will perform atomic resolution scanning tunnelling microscopy (STM) measurements. LDOS calculations and STM simulations will be carried out as well. A further question is: does the oxidation of graphene-covered silver accelerates at the graphene point defects?
In the vapour sensing experiments of graphene/silver nanoparticle hybrids, we will investigate the extent to which the surface plasmon resonance of silver nanoparticles changes in the presence of different concentrations of vapours, or whether the graphene overlayer improves the sensitivity or selectivity for some specific vapour. Further questions to be explored: how do the point defects generated in graphene affect the plasmon resonance of nanoparticles and the sensing properties of the hybrid?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The hybrid system offers an ideal platform to study and to better understand the strength of nanostructured silver-graphene interaction. Possible applications can depend also on the shape and size of the nanoparticles. Exploring the vapour sensing properties of graphene-silver nanoparticle hybrids can provide the scientific foundation for the development of new types of sensors. The presence of different vapours affects the plasmon resonance of the nanoparticles. The corrugation of the graphene is determined by the morphology of the nanoparticles on which it is placed, and the corrugation can increase significantly. Thus, the graphene becomes more reactive. The strained graphene lattice is more sensitive to its environment. The perspective on this issue is that the deformed (corrugated) graphene can improve the sensitivity or selectivity of silver nanoparticles to some vapours. In addition, the point defects generated in graphene can also affect significantly the aforementioned properties.
On the other hand, in hemispherical silver nanoparticles with diameters in the ten nanometres range, local surface plasmons can be excited by illumination at appropriate wavelengths. If these particles are close enough to each other, the electric field can be drastically enhanced in the space between them, due to the collective electron motion occurring simultaneously in neighbouring nanoparticles. If graphene is transferred onto such plasmonic nanoparticles, its Raman signal can significantly increase (surface enhanced Raman spectroscopy, SERS). These advanced substrates can be suitable to detect very low concentrations of molecules.
To the best of our knowledge, the planned research is unique in Hungary. However, numerous laboratories worldwide carry out research activities in the field of graphene-silver nanoparticle hybrids. These are mainly concerned with the SERS properties and with the applicability as flexible electrodes in wearable devices. The uniqueness of our research is the characterization of graphene-silver nanoparticles by scanning tunnelling microscopy (STM). One of the strengths of the project is the atomic resolution STM and tunnelling spectroscopy (STS) of point defects induced in the hybrid material.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The one-atomic thick graphene is one of the most studied two-dimensional material, which has been in the centre of interest in both basic research and electronics industry. Transferring the exceptional properties of graphene (light, strong, flexible, semi-metal) is currently one of the hot topics in material science. In order to fully exploit its unique mechanical, optical, and electronic properties, it is necessary to study the interaction of graphene with its substrate. The project offers timely research in the field of nanotechnology and more specifically on the development of graphene-silver hybrid materials of great potential for innovative nano-products. Hybrid materials consisting of silver nanoparticles distributed on, or below graphene could potentially display additional novel properties due to the interaction between nanoparticles and graphene. Many applications can be envisioned for these hybrid structures, such as in sensors, photovoltaic cells, flexible devices, or antimicrobial coatings.
The objective is to prepare graphene-silver hybrid nanostructures and to find correlations between the interaction, point defects, and the vapour sensing properties of the hybrid material. Point defects generated in graphene will be investigated by both experimental and theoretical methods. In addition, we will investigate the applicability of graphene as a protective layer against the oxidation of silver. The project contributes to the enhancement of the knowledge on the fundamental properties of graphene-silver nanohybrids. The planned scanning probe and optical spectroscopy investigations aim to achieve new results that will stimulate further research in this field.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
