Desarrollo y caracterización de grafeno sobre sustratos dieléctricos mediante PECVD para funcionalización aplicada a biosensores fotónicos

Abstract

[ES] El grafeno es un material bidimensional (2D) que presenta unas propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas únicas. Desde su obtención en 2004, el conocimiento sobre el grafeno ha ido en aumento y con ello el número de aplicaciones para el cuál se emplea. En concreto, el campo de la ingeniería biomédica ha encontrado en el grafeno un material biocompatible capaz de aumentar la respuesta de detección de moléculas mediante los biosensores fotónicos.

El objetivo del trabajo es desarrollar el proceso de obtención de grafeno mediante la técnica de depósito en fase vapor mejorada por plasma (PECVD) con el fin de sintetizar directamente grafeno sobre materiales dieléctricos (aislantes) a temperaturas relativamente bajas, lo que constituye uno de los retos actuales en la producción de grafeno. Posteriormente se funcionaliza su superficie con la molécula 1-pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester (PBASE), que servirá como elemento de unión entre el grafeno y biomoléculas de interés para el uso de grafeno en desarrollo de biosensores fotónicos.

La metodología empleada en este trabajo se basa en el planteamiento de distintos diseños de experimentos (DoE), con los que se pretende optimizar el proceso multifactorial que constituye el PECVD. Las variables del proceso son la temperatura, la presión, la potencia del plasma, el flujo de gases y el tiempo de depósito, mientras que las variables de control se extraen del espectro Raman de cada muestra a partir de un ajuste matemático del mismo. La validación del grafeno crecido con esos procesos se llevará a cabo con la funcionalización de su superficie con PBASE.

Este trabajo se engloba dentro del proyecto Crecimiento Selectivo de nAnosellos de GRAfeno para dispositivos fotónicos integraDOs (SAGRADO) y ha sido llevado a cabo dentro del grupo de trabajo Plasmonics and Optomechanics del NTC al que pertenecen los tutores de este trabajo.

[EN] Graphene is a two-dimensional (2D) material that exhibits unique mechanical, electrical, and optical properties. Since it was obtained in 2004, knowledge about graphene has been increasing and with it the number of applications for which it is used. Specifically, the field of biomedical engineering has found in graphene a biocompatible material capable of increasing the detection response of molecules using photonic biosensors.

The objective of this work is to develop the process for obtaining graphene using the plasma-enhanced vapor phase deposition (PECVD) technique in order to directly synthesize graphene on dielectric materials (insulators) at relatively low temperatures, which constitutes one of the Current challenges in graphene production. Subsequently, its surface is functionalized with the molecule 1-pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester (PBASE), which will serve as a link between graphene and biomolecules of interest for the use of graphene in the development of photonic biosensors.

The methodology used in this work is based on the approach of different designs of experiments (DoE), with the aim to optimize the multifactorial process that constitutes PECVD. The process variables are temperature, pressure, plasma power, gas flow and deposition time, while the control variables are extracted from the Raman spectrum of each sample from a mathematical adjustment. The validation of the growth graphene with these methods will be carried out with the functionalization of its surface with PBASE molecule.

This work is included within the project ¿Crecimiento Selectivo de nAnosellos de GRAfeno para dispositivos fotónicos integraDOs (SAGRADO)¿ and has been carried out within the NTC Plasmonics and Optomechanics working group led by the tutors of this work.

[CAT] El grafeno és un material bidimensional (2D) que presenta unes propietats mecàniques, elèctriques i òptiques úniques. Des de la seua obtenció en 2004, el coneixement sobre el grafeno ha anat en augment i amb això el nombre d'aplicacions per al qual s'empra. En concret, el camp de l'enginyeria biomèdica ha trobat en el grafeno un material biocompatible capaç d'augmentar la resposta de detecció de molècules mitjançant biosensors fotònics. L'objectiu del treball és desenvolupar el procés d'obtenció de grafeno mitjançant la tècnica de depòsit en fase vapor millorada per plasma (PECVD) amb la finalitat de sintetitzar directament grafeno sobre materials dielèctrics (aïllants) a temperatures relativament baixes, el qual constitueix un dels reptes actuals en la producció de grafeno. Posteriorment es funcionalitza la seua superfície amb la molècula 1-pyrenebutyric acid Nhydroxysuccinimide ester (PBASE), que servirà com a element d'unió entre el grafeno i les biomolècules d’interès per a seu posterior ús en el desenvolupament de biosensors fotònics. La metodologia ocupada en aquest treball es fonamenta en el plantejament de diferents dissenys d'experiments (DoE), amb els quals es pretén optimitzar el procés multifactorial que constitueix el PECVD. Les variables del procés són la temperatura, la pressió, la potència del plasma, el flux de gasos i el temps de depòsit, mentre que les variables de control s'extrauen de l'espectre Raman de cada mostra a partir d'un ajust matemàtic d'aquest. La validació del grafeno crescut amb aqueixos processos es durà a terme amb la funcionalització de la seua superfície amb PBASE. Aquest treball s'engloba dins del projecte Crecimiento Selectivo de nAnosellos de GRAfeno para dispositivos fotónicos integraDOs (SAGRADO) i ha sigut dut a terme dins del grup de treball Plasmonics and Optomechanics del NTC al qual pertanyen els tutors d'aquest treball.