Surface potentiometry with graphene field effect transistors for sensing applications

In this thesis, we establish the foundations on which graphene based chemical sensors can be developed. Graphene combines several ideal characteristics for potentiometry and charge probing at surfaces which are essential for chemical sensing applications. Hitherto, graphene/substrate interactions have masked the response of graphene based chemical sensors. We demonstrate the use of hydrophobic polymers as a substrate for graphene field effect transistors (FETs) as a means to eliminate undesired graphene/substrate interactions. Parylene gated devices exhibit stable neutrality point gate voltage under ambient conditions, higher mobilities (~10,000 cm2/V.s), and less hysteresis than that observed in graphene FETs with a typical silicon oxide gate. We show quantitatively that electrochemistry involving adsorbed water, graphene, and the substrate is responsible for p-doping in silicon oxide gated graphene FETs. We identify the water/oxygen redox couple as the underlying mechanism for this reaction and capture its kinetics.The aforementioned fundamental studies of graphene permit the development of improved graphene FET based chemical sensors in atmosphere and in solution. We demonstrate that large-area, graphene FETs with a passive parylene substrate and a polyethyleneimine (PEI) functional layer have enhanced sensitivity to CO2 gas exposure. The electron doping of graphene, caused by protonated amine groups within the PEI, is modulated by the formation of negatively charged species generated by CO2 adsorption. The charge doping mechanism is general, and quantitative doping density changes can be determined from the graphene FET characteristics. Finally, we investigate the behavior of graphene FETs in a solution. We present electrochemical techniques to probe the graphene's Fermi level position versus changes in pH. We show that bare graphene devices are not sensitive to changes in pH due to the absence of surface sites available to participate in the protonation and deprotonation process necessary for pH sensing. We finally provide a technique to increase the sensitivity of graphene FETs to changes in pH by utilizing a thin Ta2O5 layer on the graphene surface.Dans cette thèse, nous établissons les bases selon lesquelles les senseurs chimiques à base de graphène pourront être développés. Le graphène combine plusieurs caractéristiques idéales pour la potentiométrie et la sensibilité aux charges en surface. Ces deux caractéristiques sont essentielles pour des applications de senseurs chimiques. Depuis lors, les interactions entre le graphène et le substrat ont masqués la réponse des senseurs chimiques à base de graphène. Nous démontrons l'utilité de polymères hydrophobe comme substrat pour des transistors à effet de champ (FET) à base de graphène afin d'éliminer les interactions entre le substrat et le graphène. Les dispositifs à base de parylène démontrent une stabilité du point de neutralité dans le voltage de grille, des mobilités supérieures (10000 cm2/Vs) ainsi que moins d'hystérèse que les dispositifs avec une grille à base d'oxyde de silicium. Nous démontrons quantitativement que l'électrochimie entre l'eau adsorbée, le graphène et le substrat est responsable du dopage p dans les FETs à base de graphène et d'oxyde de silicium. Nous identifions le couple redox eau/oxygène comme responsable de cette réaction et nous mesurons la cinétique de cette réaction. Les études fondamentales mentionnées ci-haut permettent le développement de senseurs chimiques à base de graphène dans des conditions ambiantes ainsi qu'en solution. Nous démontrons que des échantillons de large taille de FETs à base de graphène avec une couche de parylène passivé et une couche fonctionnelle de polyethyleninine (PEI) augmentent la sensibilité au CO2. Le dopage aux électrons du graphène, causé par la protonation des groupes aminés dans le PEI, est modulé par la formation d'espèces chargées négativement par l'absorption de CO2. Le mécanisme de dopage de charge est général et la densité du dopage peut être déterminée par les caractéristiques des FETs à base de graphène.Finalement, nous investiguons le comportement des FETs à base de graphène en solution. Nous présentons des techniques électrochimiques afin de mesurer la position du niveau de Fermi dans le graphène en fonction de changement du pH. Nous démontrons que des dispositifs sans PEI ne sont pas sensibles aux changements de pH à cause de l'absence de sites en surface capables de participer à la protonation et la dé-protonation nécessaire pour être sensible au pH. Nous présentons finalement une technique pour augmenter la sensitivité des FETs de graphène aux changements de pH en utilisant une fine couche de Ta2O5 sur la surface du graphène