Ανάπτυξη λεπτών υμενίων οξειδίων με χρήση ακτινοβολίας laser και μελέτη των φυσικοχημικών ιδιοτήτων τους

Abstract

Κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη λεπτών υμενίων μετάλλων και οξειδίων μετάλλων με την τεχνική της εναπόθεσης με χρήση παλμικής ακτινοβολίας laser. Τα υλικά που αναπτύχθηκαν είναι Ta, TaOx, ZnO, TiO2, σύνθετα υμένια Al - ZnO, Au - TiO2 και λεπτά υμένια ZnO με σωματίδια Au ή Pd στην επιφάνειά τους. Όλες οι εναποθέσεις έλαβαν χώρα αποκλειστικά στο Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών μέσω πολύχρονης συνεργασίας ΕΜΠ - ΕΙΕ. Για τις ανάγκες της διατριβής αναπτύχθηκαν οι εξής τρεις πειραματικές διατάξεις: 1. Μία διάταξη για τη μείωση των σωματιδίων που παράγονται κατά την εναπόθεση λεπτών υμενίων με την τεχνική της PLD κάνοντας χρήση και δεύτερης δέσμης laser. Η δεύτερη δέσμη laser εστιαζόταν κάθετα στο παραγόμενο από το πρώτο laser πλάσμα και αφορούσε στα λεπτά υμένια των Ta και TaOx.2. Η δεύτερη διάταξη αφορούσε στην παράλληλη και ελεγχόμενη εμφύτευση σωματιδίων σε λεπτά υμένια με την εστίαση δύο διαφορετικών παλμικών δεσμών laser σε δύο διαφορετικούς στόχους. Με αυτήν τη διάταξη αναπτύχθηκαν σύνθετα υμένια Al - ZnO και Au - TiO2.3. Με την τελευταία διάταξη υλοποιήθηκε η εναπόθεση σωματιδίων στην επιφάνεια λεπτών υμενίων ZnO, ειδικών προδιαγραφών που καθορίζονται από τις διαστάσεις του κατάλληλα τροποποιημένου ειδικού χρωματογράφου –αντιδραστήρα του ΕΜΠ, με απώτερο σκοπό την ανάπτυξη δειγμάτων κατάλληλων να μελετηθούν με τη χρήση της αεριοχρωματογραφίας αναστρεφόμενης ροής της RF-IGC. Με τη διάταξη αυτή αναπτύχθηκαν λεπτά υμένια ZnO με σωματίδια Au ή Pd στην επιφάνειά τους καθώς και καθαρού ZnO και Pd, τα οποία για πρώτη φορά εναποτέθησαν σε κυλινδρική επιφάνεια. Για να επιτευχθεί η ομοιομορφία στην εναπόθεση χρειάσθηκε να κατασκευασθεί μηχανισμός περιστροφής της υάλινης κυλινδρικής βάσης. Μία σειρά μεθόδων εφαρμόστηκε στη συνέχεια για τον συνήθη χαρακτηρισμό νέων υλικών SEM, AFM, XRD, RBS, UV-Vis οι οποίες έλαβαν χώρα στην Ελλάδα (ΕΙΕ) ή στο εξωτερικό (Ισπανία – Ρουμανία μέσω συνεργασιών-προγραμμάτων). Επιπλέον στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο μελετήθηκαν ενδελεχώς οι φυσικοχημικές ιδιότητες των προαναφερόμενων λεπτών υμενίων ZnO με ή χωρίς σωματίδια Au ή Pd στην επιφάνειά τους καθώς και υμενίου καθαρού Pd όπως επίσης και ZnO υπό μορφή εμπορικού προϊόντος pro-analysi, μέσω μιας νέας διεθνώς αναγνωρισμένης μεθόδου της time resolved RF-IGC προκειμένου να ερευνηθεί το είδος και η έκταση της προσρόφησης καθώς και η πιθανή καταλυτική δράση των νέων υλικών. Η μέθοδος είναι πρωτότυπη και μέσω χρονικής ανάλυσης παρακολουθεί την εξέλιξη των φυσικοχημικών φαινομένων προσρόφησης – εκρόφησης λαμβάνοντας υπόψη και τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας ενσωματώνοντας δύο ισοζύγια μάζας στο θεωρητικό υπόβαθρο των μαθηματικών της μοντέλων που παρατίθενται στο παράρτημα. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν χαρακτηρίζονται καινοτόμα τόσον όσον αφορά την κατασκευή των υμενίων όσο και ως προς την πρωτότυπη φυσικοχημική ανάλυση.