Ανάπτυξη Και Φυσικές Ιδιότητες Νανοδομημένων Υλικών Με Βάση Τον Άνθρακα Για Φωτοθερμικές Και Φωτονικές Εφαρμογές

Abstract

Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη νανοδομημένων υλικών με βάση των άνθρακα, με χημική εναπόθεση ατμών με υδρογονάνθρακες ως πρόδρομες ενώσεις σε καταλυτικά υποστρώματα που αποτελούνται από νανοδομημένα λεπτά υμένια για φωτοθερμικές και φωτονικές εφαρμογές. Συγκεκριμένα, μελετάται η ανάπτυξη τεχνολογίας καταλυτών νικελίου-άνθρακα για την ανάπτυξη νανοσωλήνων άνθρακα αλλά και η χρήση καταλυτικών νανοσωματιδίων χαλκού για την ανάπτυξη γραφενίου. Αναπτύχθηκαν νανοδομημένοι καταλύτες νικελίου-άνθρακα για την ανάπτυξη νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs) κατάλληλων για φωτοθερμικές εφαρμογές σε ευρεία κλίμακα με υψηλή απόδοση και χαμηλό κόστος παραγωγής. Όσον αφορά την ανάπτυξη των νανοσωλήνων άνθρακα έγινε με χρήση της μεθόδου της θερμικής χημικής εναπόθεσης ατμών σε χαμηλή πίεση. Το σημαντικότερο ζήτημα στην ανάπτυξη CNTs με χημική εναπόθεση ατμών είναι η χρήση κατάλληλων καταλυτών. Χρησιμοποιώντας τις μεθόδους μαγνητικής ιοντοβολής διπλής καθόδου, της αντιδρώσας μαγνητικής ιοντοβολής και της αποδόμησης με παλμικό λέιζερ αναπτύχθηκαν καταλύτες άμορφης μήτρας άνθρακα με εγκλείσματα νικελίου, α-C:Ni, α-C:H:Ni και DLC:Ni αντίστοιχα. Στόχος είναι να μελετηθεί η επίδραση της φύσης της μήτρας άνθρακα (υδρογονωμένη: α-C:H, μη υδρογονωμένη: α-C, Diamond Like Carbon: DLC) των καταλυτών στην ανάπτυξη νανοσωλήνων άνθρακα και να διαπιστωθεί αν οι νανοσύνθετοι καταλύτες άνθρακα ενισχύουν την ανάπτυξη νανοσωλήνων άνθρακα. Οι πολύ καλές θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των CNTs επιτρέπουν τη χρήση τους σε πληθώρα τεχνολογικών εφαρμογών. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε προσπάθεια κατασκευής ενός αισθητήρα θερμοκρασίας (Thin Film Gauge, TFG) χρησιμοποιώντας νανοσωλήνες άνθρακα σε νανοσύνθετο υπόστρωμα και μελετήθηκε η ενίσχυση της θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας για μικρές μεταβολές της θερμοκρασίας. Τέλος, μελετήθηκε η αλληλεπίδραση του φωτός με τους νανοσωλήνες άνθρακα μετρώντας την οπτική τους ανακλαστικότητα προκειμένου να διαπιστωθεί η δυνατότητα χρήσης τους σαν «παγίδες» φωτός εξαιτίας της μαύρης επιφάνειας τους σε φωτοθερμικούς συλλέκτες. H ανάπτυξη του γραφενίου έγινε με χημική εναπόθεση ατμών σε χαμηλή πίεση στην επιφάνεια καταλυτικών νανοσωματιδίων χαλκού που παρασκευάστηκαν είτε με απλή ηλεκτρολυτική εναπόθεση (Electroless Metal Deposition, EMD) είτε με ηλεκτροαπόθεση (Electrodeposition, ED). Μελετήθηκαν τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των καταλυτικών υποστρωμάτων χαλκού που αναπτύχθηκε με τις δύο μεθόδους καθώς και η επίδραση τους στη ανάπτυξη γραφενίου. Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του γραφενίου είναι ότι μπορεί εύκολα να γίνει χημική τροποποίηση της επιφάνειας του. Συγκεκριμένα, λόγω της καλής του ηλεκτρικής αγωγιμότητας, εξαιτίας των ενεργών pz ηλεκτρονίων, όταν το γραφένιο βρεθεί σε βιοχημικό περιβάλλον μπορεί να τροποποιηθεί κατάλληλα με την προσκόλληση χημικών ουσιών στα επίπεδα του. Από την άλλη, τα πλασμονικά νανοσωματίδια παρουσιάζουν εξαιρετική ευαισθησία ανίχνευσης μέσω της επιφανειακής ενισχυμένης σκέδασης Raman (SERS), αλλά δεν είναι εύκολη η τροποποίηση της επιφάνειας τους. Ως εκ τούτου, ο συνδυασμός πλασμονικών νανοσωματιδίων με στρώματα γραφενίου, τα οποία είναι επαρκώς λεπτά ώστε να επιτρέπεται η ενίσχυση πεδίου καθιστά τα υλικά αυτά υποψήφια για φωτονικές εφαρμογές.