Ανάπτυξη και εφαρμογές υβριδικών νανοϋλικών και νανοδομημένων επιφανειών
Authors: Κανίδη Μαρία 
Published: September 2021

Ο σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη υβριδικών συστημάτων με ”έξυπνες” και προηγμένες ιδιότητες, συνδυάζοντας μικρο/νανοδομημένες επιφάνειες πυριτίου με άλλα υλικά, όπως είναι το γραφένιο, υμένια από μίγματα πολυμερών και νανοράβδοι οξειδίου του ψευδαργύρου. Με κατεργασία laser αναπτύχθηκαν μικροδομές στην επιφάνεια πυριτίου, χρησιμοποιώντας δύο μήκης κύματος, (532 και 1064 nm), σε περιβάλλον SF6 αερίου και μελετήθηκε η επίδραση των παραμέτρων κατεργασίας στη μορφολογία των μικροδομών. Κατά την ακτινοβόληση του πυριτίου με δέσμη laser κατάλληλης ροής φωτεινής ακτινοβολίας δημιουργήθηκαν ομοιόμορφα μικροδομημένες επιφάνειες πυριτίου μεγάλων διαστάσεων, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν ως υποστρώματα για την ανάπτυξη “έξυπνων” επιφανειών με ελεγχόμενη διαβρεξιμότητα. Ακόμα, συνδυάζοντας την κατεργασία laser με τη μαλακή λιθογραφία, οι μικροδομημένες επιφάνειες πυριτίου χρησιμοποιήθηκαν ως μήτρες για την μικροδόμηση πολυμερικών επιφανειών. Στο πρώτο μέρος, μελετήθηκε το φάσμα Raman γραφενίου ενσωματωμένου σε πλασμονική επιφάνεια laser-νανοδομημένου πυριτίου επιστρωμένου με νανοσωματίδια χρυσού συγκριτικά με το φάσμα Raman γραφενίου τοποθετημένου σε μη πλασμονικά ή/και επίπεδα υποστρώματα. Η νανοτοπογραφία της πλατφόρμας πυριτίου με νανοσωματίδια χρυσού ενίσχυσε την αλληλεπίδραση του γραφενίου με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και παρατηρήθηκαν έντονα φαινόμενα πλασμονικής ενίσχυσης SERS (Surface-enhanced Raman Scattering) σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος διέγερσης. Επιπλέον, παρατηρήθηκαν φαινόμενα τάσης ή/και νόθευσης στο γραφένιο, τα οποία οφείλονται στη διαδικασία μεταφοράς του γραφενίου, αλλά και στην ηλεκτρονιακή αλληλεπίδραση του γραφενίου με το εκάστοτε υπόστρωμα. Η προτεινόμενη πλασμονική πλατφόρμα σε συνδυασμό με το γραφένιο, αλλά και με άλλα 2D υλικά, προάγει την ανάπτυξη μελλοντικών πραγματικών εφαρμογών 2D υλικών, μεγάλων διαστάσεων και σύνθετης λειτουργικότητας, στους τομείς της ανίχνευσης και ανάπτυξης αισθητήρων, στη διαγνωστική της ιατρικής κ.α.. Στο δεύτερο μέρος, αναπτύχθηκαν “έξυπνες” οργανικές και ανόργανες επιφάνειες με αποκρινόμενη διαβρεξιμότητα σε ερεθίσματα του εξωτερικού περιβάλλοντος, όπως τη θερμοκρασία και το φως. Αρχικά, αναπτύχθηκαν πολυμερικά υμένια από μίγματα πολυστυρενίου (PS) με το θερμοαποκρινόμενο πολυ(ισοπροπυλακριλοαμίδιο) (PNIPAM) και το συμπολυμερές του, PS-b-PNIPAM, επιστρωμένα σε επίπεδα υποστρώματα πυριτίου με την τεχνική spin coating και παρατηρήθηκαν ποικίλες μορφολογίες στην επιφάνεια των υμενίων, μεταβάλλοντας το λόγο ανάμιξης και τις συνθήκες ξήρανσης των υμενίων. Κατά τη θέρμανση, τα υμένια από μίγματα του ομοπολυμερούς PNIPAM παρουσίασαν θερμοαποκρινόμενη διαβρεξιμότητα, χωρίς όμως να μεταβάλλουν τη κατάσταση διαβροχής τους. Στη συνέχεια, τα θερμοαποκρίνομενα υμένια επιστρώθηκαν σε laser-μικροδομημένες επιφάνειες πυριτίου και σημειώθηκε ενισχυμένη θερμοπόκριση, εξαιτίας της μικρομορφολογίας του υποστρώματος, επιτυγχάνοντας αντιστρεπτά μεταβολή της κατάστασης διαβροχής τους. Τέλος, αναπτύχθηκαν νανοδομές οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO) σε επίπεδες και laser-μικροδομημένες επιφάνειες πυρίτου, δημιουργώντας νανοδομημένες επιφάνειες και επιφάνειες με ιεραρχική τραχύτητα. Μελετήθηκε η συμπεριφορά διαβροχής των παραπάνω επιφανειών σε συνθήκες έκθεσης σε φυσικό φωτισμό και παραμονής στο σκοτάδι, όπου οι νανοδομές ZnO παρουσίασαν φωτοαπόκριση, η οποία ενισχύεται στις ιεραρχικές επιφάνειες ZnO, επιτυγχάνοντας αντιστρεπτά μεταβολή της κατάστασης διαβροχής τους. Η κατεργασία laser είναι μια οικονομική τεχνική που δίνει τη δυνατότητα να μικρο/νανοδομηθούν γρήγορα επιφάνειες, μεγάλων διαστάσεων με ομοιόμορφα χαρακτηριστικά, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, είτε άμεσα είτε συνδυαστικά με άλλες τεχνικές μικρο/νανοδόμησης, όπως η μαλακή λιθογραφία, σε πρακτικές εφαρμογές. Η τροποποίηση της τοπογραφίας των επιφανειών σε συνδυασμό με καινοτόμα υλικά, όπως είναι τα δισδιάστατα υλικά και τα ”έξυπνα” υλικά, δημιουργεί υβριδικά συστήματα, που παρουσιάζουν νέες ή βελτιωμένες ιδιότητες με σύνθετες λειτουργίες, και έχουν στόχο την επέκταση των εφαρμογών που βασίζονται στο φαινόμενο SERS και των εφαρμογών “έξυπνων” επιφανειών με ελεγχόμενη διαβρεξιμότητα, αλλά και τη βελτίωση των ήδη υπαρχόντων εφαρμογών τους.