Ανάπτυξη και μελέτη ιδιοτήτων προηγμένων νανοδομών και επικαλύψεων με έμφαση στις νανομηχανικές ιδιότητες
Authors: Κουμούλος Ηλίας 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή (ΔΔ) πραγματεύεται την ανάπτυξη και μελέτη προηγμένων νανοδομών και επικαλύψεων με έμφαση στις νανομηχανικές ιδιότητες μέσω της τεχνικής της νανοδιείσδυσης (nanoindentation), προκειμένου:1) να υπολογίζονται με ακρίβεια οι τιμές σκληρότητας και οι μηχανικές ιδιότητες υλικών, όπως τα λεπτά υμένια, όπου ο υπολογισμός της επιφάνειας του αποτυπώματος είναι αδύνατος λόγω μεγέθους με τις κλασσικές τεχνικές2) να αποτιμηθούν ιδιότητες όπως παραμόρφωση, ερπυσμός, μηχανισμοί αποδόμησης, διασπορά προσθέτων σε μήτρα, πρόσφυση, δομήΣκοπός ήταν ο κατάλληλος σχεδιασμός πειραμάτων και πρωτοκόλλων ώστε η συγκεκριμένη τεχνική να μπορεί να συμβάλλει σημαντικά (αν όχι να αποφανθεί) στην απόφαση για τη λειτουργικότητα και την αξιοπιστία των υλικών στις εφαρμογές για τις οποίες προορίζονται (σημαντικότητα όρου "τεχνολογικές ιδιότητες, engineering properties").Το αποτέλεσμα αποτυπώνεται σε καμπύλες φόρτισης-αποφόρτισης, από τις οποίες προκύπτουν πληροφορίες για τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού που εξετάζεται, όπως το μέτρο ελαστικότητας και η σκληρότητα. Τα φορτία που επιτυγχάνονται πλέον είναι της τάξεως των nN.Τις δύο τελευταίες δεκαετίες η ανάπτυξη τεχνολογίας καταγραφής φορτίων και μετατοπίσεων κατά τη διάρκεια της σκληρομέτρησης με υψηλή ακρίβεια οδήγησε στη χρήση των πειραμάτων στη νανοκλίμακα. Συγκεκριμένα στις μέρες μας έχει επιτευχθεί χρήση φορτίων nN και ανίχνευση μετατοπίσεων της ακίδας - διεισδύτη με διακριτική ικανότητα ~0.04 nm, καθιστώντας τη νανοδιείσδυση κυρίαρχη μέθοδο προσδιορισμού των νανομηχανικών ιδιοτήτων υλικών, όπως λεπτά υμένια, επικαλύψεις και διατάξεις με πάχος μερικές δεκάδες nm. Επίσης με την χρήση αισθητήρα εφαπτομενικής δύναμης δύναται να διενεργούνται πειράματα εγχάραξης (scratch testing) στην επιφάνεια δοκιμίων με αποτέλεσμα τον προσδιορισμό των τριβολογικών τους ιδιοτήτων.Στη βιβλιογραφία, ενώ οι νανομηχανικές ιδιότητες αναφέρονται ευρέως σε πληθώρα υλικών, δεν συσχετίζονται άμεσα με το πεδίο εφαρμογής αφήνοντας έτσι κενό στον καθορισμό τους ως κατάλληλα ή μη. Επιπλέον, ο υπολογισμός μέτρου ελαστικότητας ή/και σκληρότητας τοπικά -στην περιοχή λίγων nm- (όπως η όποια εφαρμογή το απαιτεί) καθιστά τη χρήση συμβατικών μεθόδων (π.χ. εφελκυσμός, μικροσκληρότητα) αδύνατη.Με τη χρήση της συγκεκριμένης τεχνικής, σε συνδυασμό με τις τεχνικές Scanning Probe Microscopy (SPM), Scanning Electron Microscopy (SEM), Thermal Chemical Vapor Deposition (T-CVD), X-Ray Diffractometer (XRD), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Fourier Transformed InfraRed Spectroscopy (FTIR), Metallographic analysis – optical microscope αποτιμήθηκαν χαρακτηριστικές ομάδες υλικών, που χαρακτηρίζονται ως τεχνολογικά. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν πολυμερή και νανοσύνθετα πολυμερή (PDMS, PDMS με νανοσωματίδια μοντμοριλλονίτη, εποξειδική μήτρα με νανοσωλήνες άνθρακα), πολυστρωματικές δομές (Teflon, FC), λεπτά υμένια μετάλλων και οξειδίων τους (Co, Co3O4) και κεραμικά (ζεόλιθος) που προορίζονται για βιοεφαρμογές, αντιδιάβρωση, μικροηλεκτρονική, αισθητήρες και μοριακά κόσκινα, αντίστοιχα.Συγκεκριμένα, οι μετρήσεις νανοδιείσδυσης στα πολυμερικά και νανοσύνθετα ανέδειξαν τους μηχανισμούς αποδόμησης κατά τη μέτρηση, δίνοντας ταυτόχρονα πληροφορία για τη διασπορά των νανοσωματιδίων και τη μέγιστη συγκέντρωση πέρα από την οποία φθίνει η μηχανική απόκριση του υλικού. Αποδείχθηκε ότι η νανοδιείσδυση μπορεί να χρησιμοποιηθεί αξιόπιστα ως εργαλείο αποτίμησης νανομηχανικών ιδιοτήτων, καθώς ποσοτικοποιούνται φαινόμενα όπως η ιξωδοελαστικότητα, η πρόσφυση της ακίδας στο δείγμα, η διεπιφάνεια μήτρας-νανοσωλήνων και χρονοεξαρτημένη συμπεριφορά. Ειδικότερα για τις αντιδιαβρωτικές επικαλύψεις, καθορίστηκε η κρίσιμη συγκέντρωση πέρα από την οποία φθίνει η μηχανική ακεραιότητα του υλικού, καθιστώντας το ακατάλληλο για εφαρμογή. Ταυτόχρονα, καθορίστηκε ο μηχανισμός αποδόμησης κατά την εγχάραξη. Σχετικά με τα λεπτά υμένια κοβαλτίου και οξειδίου του, η τεχνική έδωσε τις απαραίτητες κατευθύνσεις για την αξιοπιστία των υλικών. Ειδικότερα, το οξείδιο του κοβαλτίου αποδείχθηκε ως καταλληλότερο, με αυξημένες μηχανικές και τριβολογικές ιδιότητες (αντίσταση σε φθορά). Μετρώντας την πολυστρωματική δομή, αποκαλύφθηκε η μετάβαση από προηγούμενο σε επόμενο στρώμα (βάσει ιδιοτήτων) αλλά και η αλληλεπίδραση τους. Ελέγχθηκε η πρόσφυση και αποτιμήθηκε η λειτουργία τους ως υλικά ηλεκτροδιαβροχής. Τέλος, υπολογίστηκαν οι νανομηχανικές ιδιότητες του ζεόλιθου φωγιασίτη, δίνοντας σημαντικά δεδομένα για την απόκριση του υλικού, χρησιμοποιώντας σύγκριση πειραμάτων ερπυσμού.