Investigation of photodetectors using graphene field effect transistors incombination with functional dyematerials

Abstract

A J-aggregate dye is a type of water-soluble, functional dye, which has a sharp and narrow absorption peak after it self-assembles into a brick-wall structure at high concentrations. The absorption peak of the J-aggregates is sharp, narrow and shifted to longer wavelengths compared to their monomer form and it is in the visible or near infrared spectrum. Due to its very sharp and narrow absorption, it has been used in silver halide photography, non-linear optics, lasing and sensing applications. On the other hand, graphene is one atom layer thick, honeycomb lattice of carbon atoms. In the pure, freestanding form, the bands of its electronic structure touch at one point, making it a gapless semimetal. Due to this characteristic, it is possible to manipulate its optical and electronic properties by changing the Fermi energy of graphene. Therefore, graphene found applications in many fields such as light emitting diodes, photodetectors, Hall sensors, optical modulators and flexible optoelectronics. The functional dye materials have not been combined with graphene photodetectors even though they are highly sensitive to light, less toxic than their competitors and stable at room temperature. In this thesis, using a J-aggregate dye, which has a sharp absorption peak around 585 nm wavelength, a graphene phototransistor has been demonstrated. By changing the charge concentration on graphene, using the charge carriers that arise from the excitation of J-aggregate dye, reversible modulation of graphene Dirac point has been demonstrated. In addition, a novel thin film formation technique has been developed in this study. Porous polyethylene membrane has been used to create thin films of water-soluble materials, such as J-aggregates, on hydrophobic surfaces.

J-agrega boya, yüksek yoğunluklarda bir tuğla duvar yapısına kendiliğinden birleştikten sonra keskin ve dar bir soğurma spektrumu tepe noktasına sahip olan, suda çözünür, fonksiyonel bir boya türüdür. J-agregalarının soğurma tepe noktası keskin, dar ve monomer formlarına kıyasla daha uzun dalga boylarına kaymış durumdadır. Bu nokta, görünür veya yakın kızılötesi spektrumda bulunur. Çok keskin ve dar soğurması nedeniyle gümüş halid fotoğrafçılığında, doğrusal olmayan optikte, lazerle ve algılama uygulamalarında kullanıldı. Öte yandan grafin, bir atom tabakası kalınlığında, karbon atomlarından oluşan bal peteği benzeri bir yapıdadır. Saf, bağımsız formda, elektronik yapısının bantları bir noktada dokunarak enerji bant yapısından boşluk bulunmayan bir semimetal oluşturur. Elektronik yapısı nedeniyle, yük taşıyıcı yoğunluğunu değiştirerek grafinin Fermi enerjisini değiştirmek, optik ve elektronik özelliklerini manipüle etmek mümkündür. Grafinin benzersiz özellikleri, ışık yayan diyotlar, fotodetektörler, Hall algılayacıları, optik modülatörler ve esnek optoelektronik gibi birçok alanda uygulama buldu. Fonksiyonel boya malzemeleri rakiplerinden daha az zehirli olmalarına ve oda koşullarında kararlı olmalarına rağmen grafin ile ortak bir yapıda kullanılmamıştır. Bu tezde, 600 nanometre dalga boyunda keskin bir soğurma spektrumu tepe noktasına sahip olan bir J-agrega boya kullanılarak, bir grafin fototransistörü ve grafinin spektral hassasiyeti arttırılmıştır. Işık kullanılarak grafin üzerindeki yük yoğunluğu değiştirilmiş, enerji bandı yapısındaki Dirac noktasında geri çevrilebilir bir modülasyon gösterilmiştir. Ayrıca, bu çalışmada yeni bir ince film oluşturma tekniği geliştirilmiştir. Gözenekli polietilen membran, hidrofobik yüzeyler üzerinde J-agregaları gibi suda çözünür malzemelerin ince filmlerini oluşturmak için kullanılmıştır.