Αυτοργάνωση και εγχάραξη με πλάσμα για την κατασκευή νανονημάτων πυριτίου και εφαρμογές
Authors: Σμυρνάκης Αθανάσιος 
Published: September 2021

Η διατριβή εντάσσεται στον τομέα της νανοτεχνολογίας και νανοκατασκευαστικής. Βασικό αντικείμενό της είναι η ανάπτυξη, μελέτη και αριστοποίηση των κατάλληλων διεργασιών για την κατασκευή κάθετων νανονημάτων πυριτίου (SiNWs) μεγάλης αναλογίας ύψους προς διαμέτρου, έχοντας ως βασικό εργαλείο κατασκευής την εγχάραξη με πλάσμα, αφού προηγηθεί κάποιας μορφής νανολιθογραφία ή αυτοργάνωση. Στόχος είναι η μελέτη των ιδιοτήτων των νανονημάτων και η εκμετάλλευση αυτών σε εφαρμογές, με έμφαση στην κατασκευή φωτοβολταϊκών διατάξεων.H διατριβή κινείται σε τρεις κατευθύνσεις. H πρώτη περιλαμβάνει τις πειραματικές διεργασίες για την κατασκευή νανονημάτων Si, με χρήση της κρυογενικής εγχάραξης με πλάσμα. Για τη νανοσχηματοποίηση χρησιμοποιούνται (α) η οπτική λιθογραφία, (β) η λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης και (γ) η αυτοργάνωση κολλοειδών σωματιδίων. Παρουσιάζεται η κατασκευή νανονημάτων Si με λόγο ύψους προς διάμετρο έως ~40:1 με τις καλύτερες προδιαγραφές στην διεθνή βιβλιογραφία, αφού η διεργασία χαρακτηρίζεται από καθαρότητα, απουσία τραχύτητας, ευελιξία στο σχήμα, μεγάλο ρυθμό εγχάραξης και υψηλή επιλεκτικότητα. H δεύτερη κατεύθυνση, αφορά τη μέθοδο της κατευθυνόμενης από το πλάσμα αυτοργάνωσης για τη νανοδόμηση πολυμερικών επιφανειών και την κατασκευή περιοδικών νανοτελειών PMMA. Γίνεται έλεγχος του φαινομένου μέσω ελέγχου της ιοντοβολής παρεμποδιστών εγχάραξης από τα τοιχώματα του αντιδραστήρα πλάσματος. Επίσης, άλλες παράμετροι πλάσματος χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των διαστάσεων των νανοτελειών. Οι νανοτελείες αυτές χρησιμοποιούνται στη συνέχεια ως μάσκα εγχάραξης για μεταφορά σχήματος στο Si, όπου επιτυγχάνεται η κατασκευή νανονημάτων με διάμετρο <50 nm. Η διατριβή είναι η πρώτη που αποδεικνύει ότι είναι δυνατή η ελεγχόμενη κατασκευή με το πλάσμα αυτοργανωμένων νανοτελειών πολυμερούς και η μεταφορά του σχήματος για την ελεγχόμενη κατασκευή νανονημάτων Si.Η τρίτη κατεύθυνση αφορά τις ιδιότητες και εφαρμογές των νανονημάτων Si. Γίνεται πειραματική μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων συστοιχιών νανονημάτων, όπου αναδεικνύονται οι αντιανακλαστικές ιδιότητες νανοδομημένων επιφανειών. Επίσης, αποδεικνύεται για πρώτη φορά στην διεθνή βιβλιογραφία με πειραματικό τρόπο ότι η τυχαία διαστατική μεταβλητότητα των νανονημάτων και οι πλεγματικές ατέλειες, αποτέλεσμα της μεθόδου κατασκευής, μειώνουν την ανακλαστικότητα αυξάνοντας παράλληλα την απορρόφηση φωτός.Τα νανονήματα Si χρησιμοποιούνται για την κατασκευή φωτοβολταϊκών διατάξεων. Συγκεκριμένα γίνεται ανάπτυξη διεργασιών κατασκευής και χαρακτηρισμός φωτοβολταϊκών διατάξεων νανοκολόνων Si αξονικής p-n επαφής, καθώς και διατάξεων νανονημάτων Si ακτινικής p-n επαφής. Η μελέτη αυτή είναι από τις πρώτες που αφορούν ακτινικές ρηχές επαφές σε νανονήματα με χρήση Spin-On Dopants. Παράλληλα, μελετώνται θέματα όπως η ηλεκτρική παθητικοποίηση, η κάλυψη και μόνωση των νανονημάτων και η κατασκευή των ηλεκτροδίων. O ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των διατάξεων έδειξε υποσχόμενα και ανταγωνιστικά ως προς τη βιβλιογραφία αποτελέσματα όσον αφορά τη χαρακτηριστική Ι-V υπό συνθήκες φωτισμού. Τέλος, γίνεται χρήση των νανονημάτων Si ως μήτρες για ανάπτυξη νανοράβδων ZnO και την κατασκευή βιομιμητικών τρισδιάστατων ιεραρχικών δομών ZnO/Si.