Χαρακτηρισμός τροποποιημένων ημιαγώγιμων υλικών με φυσικοχημικές μεθόδους
Authors: Βαγενά Άρτεμις 
Published: September 2021

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που αφορούν τη μελέτη της παρασκευής και του χαρακτηρισμού νέων σύνθετων υλικών. Τα νέα αυτά υλικά, έχουν ως βάση διάφορα οξείδια μετάλλων, τα οποία εμφανίζουν ημιαγώγιμες ιδιότητες. Η τροποποίηση των οξειδίων αυτών γίνεται με την προσθήκη οξειδίου του γραφενίου (GO), με στόχο την ενίσχυση των ιδιοτήτων τους. Η σύνθεση των τροποποιημένων υλικών μελετήθηκε, τόσο ως προς τη διαδικασία της υδροθερμικής κατεργασίας, όσο και ως προς τον καθορισμό των ιδανικών αναλογιών του GO και του οξειδίου του μετάλλου. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των νέων αυτών υλικών μελετήθηκαν με τη χρήση διαφόρων τεχνικών, όπως η Μονοφασική Χρωματογραφία Πεδίου (ΜΧΠ), οι φασματοσκοπίες UV-Vis, Raman και δυναμική σκέδαση φωτός (DLS), καθώς επίσης με την οπτική και την ηλεκτρονική μικροσκοπία. Στο πρώτο μέρος της διατριβής αυτής, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα τροποποιημένων υλικών με βάση το TiO2, παρουσία GO. Παρασκευάστηκαν νέα υλικά με τρεις διαφορετικές διαδικασίες υδροθερμικής επεξεργασίας, στα οποία χρησιμοποιήθηκαν διάφορες αναλογίες GO/TiO2. Οι συγκεκριμένες μέθοδοι σύνθεσης αφορούν την υδροθερμική διαδικασία μέχρι ξηρού, σε αυτόκλειστο δοχείο και υπό αναρροή (reflux). Βρέθηκε, με την τεχνική της ΜΧΠ, ότι η υδροθερμική διαδικασία υπό αναρροή δίνει το μικρότερο μέσο μέγεθος των σωματιδίων GO/TiO2, τόσο της τάξης μερικών μικρομέτρων, όσο και μερικών εκατοντάδων νανομέτρων. Επιπλέον, με την τεχνική της DLS, παρατηρήθηκε σε ορισμένες συνθέσεις και δυωνυμική κατανομή μεγεθών από τα σωματίδια GO/TiO2. Και στις τρεις διαδικασίες σύνθεσης, η επιτυχής σύνδεση των επιμέρους υλικών επιβεβαιώθηκε, τόσο με την τεχνική της φασματοσκοπίας Raman, όσο και με το TEM. Στο δεύτερο μέρος, μελετήθηκε η τροποποίηση του μεικτού οξειδίου ZrO2/Υ2Ο3 (ζιρκόνια σταθεροποιημένη με ύττρια – YSZ), με το GO. Με τη διαδικασία υδρόλυσης–πολυμερισμού (sol-gel σύνθεση), παρασκευάστηκαν τα μεικτά οξείδια 3YSZ (3 % w/w Υ2Ο3/ZrO2) και 7YSZ (7 % w/w Υ2Ο3/ZrO2). Στη συνέχεια, μέσω της υδροθερμικής διαδικασίας υπό αναρροή, παρασκευάστηκαν τα σύνθετα υλικά GO/3YSZ και GO/7YSZ. Τα υλικά που παρασκευάστηκαν χαρακτηρίστηκαν ως προς το μέγεθός τους με τις τεχνικές της ΜΧΠ και της DLS, και βρέθηκε ότι το μέγεθος των σωματιδίων εμφάνισε διωνυμικές και τριωνυμικές κατανομές, στην περιοχή πάνω και κάτω από 1 μm. Από την φασματοσκοπία Raman, βρέθηκε ότι οι μικρές περιεκτικότητες σε YSZ είναι ιδανικές για το σχηματισμό σταθερών δομών GO/YSZ, ανεξάρτητα από το ποσοστό πρόσμιξης του Υ2Ο3 στο ZrO2. Στο τρίτο και τελευταίο μέρος, μελετήθηκε η τροποποίηση του MgO παρουσία GO. Τo MgO παρασκευάστηκε με τη μέθοδο sοl-gel, ενώ για τα σύνθετα υλικά ακολουθήθηκε η υδροθερμική διαδικασία υπό αναρροή, σε διάφορες αναλογίες GO/MgO. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι στα υλικά αυτά εμφανίζονται συσσωματώματα σε πολύ μεγάλο ποσοστό και έχουν μεγάλο μέγεθος. Από την ανάλυση της μορφολογίας των υλικών, με την οπτική και ηλεκτρονική μικροσκοπία TEM, παρατηρήθηκε ανομοιογένεια στον σχηματισμό και στην κατανομή μεγέθους των σωματιδίων. Τέλος, όλα τα παραπάνω υλικά χαρακτηρίστηκαν και ως προς τις ιδιότητες που εμφανίζουν κατά την απορρόφηση ακτινοβολίας στην ορατή και υπεριώδη περιοχή του φάσματος. Παρατηρήθηκε ότι ακόμα και οι μικρότερες ποσότητες φωτοενεργούς ουσίας είναι ικανές στο να δημιουργήσουν τροποποιημένα υλικά με βελτιωμένες φωτοηλεκτρονιακές ιδιότητες, αξιοποιώντας έτσι ένα μεγάλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας.