Λεπτά υμένια πορώδους αλουμίνας σε υπόστρωμα πυριτίου
Authors: Κοκόνου Μαρία 
Published: August 2021

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η ηλεκτροχημική ανάπτυξη και η διεξοδική μελέτη πολύ λεπτών (στο εύρος από 20 έως 750 nm) υμενίων συμπαγούς και πορώδους αλουμίνας σε υπόστρωμα πυριτίου. Η ανάπτυξη τέτοιων υμενίων σε υπόστρωμα πυριτίου, αντί για την επιφάνεια φύλλων αλουμινίου που συναντάται στη βιβλιογραφία, ανοίγει νέους ορίζοντες για καινοτόμες εφαρμογές στη νανοηλεκτρονική, τα νανοφωτονικά και τους αισθητήρες. Ο δομικός τους χαρακτηρισμός πραγματοποιήθηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης και διερχόμενης δέσμης (SEM, ΤΕΜ), συμπεριλαμβανομένης και μιας διεξοδικής μελέτης της διεπιφάνειας της αλουμίνας με το πυρίτιο. Επίσης, εισήχθη μια καινοτόμα εφαρμογή κατά την οποία τα υμένια της πορώδους ανοδικής αλουμίνας (ΠΑΑ) χρησιμοποιήθηκαν ως μάσκα για την ανάπτυξη νησίδων SiΟ₂ πάνω στο πυρίτιο, ομοιόμορφα, εξαγωνικά διατεταγμένων στο επίπεδο (2-D). Η νανοσχηματοποίηση του πυριτίου δια μέσου των υμενίων ΠΑΑ διερευνήθηκε διεξοδικά. Το νανοσχηματοποιημένο πυρίτιο χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια σαν υπόστρωμα για την αυτο-οργάνωση διακριτών νανοκρυσταλλιτών Si στο επίπεδο (2-D), με ελάχιστη διασπορά στα μεγέθη, σε πολύ υψηλή πυκνότητα. Για την ανάπτυξη των συμπαγών υμενίων ανοδικής αλουμίνας, χρησιμοποιήθηκε κιτρικό οξύ ως ηλεκτρολύτης, για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία. Ανοδιώθηκαν υμένια Al πάχους από 10 έως 50 nm πάνω σε πυρίτιο. Η σχηματιζόμενη συμπαγής αλουμίνα είχε πάχος ανάλογο της τάσης ανοδίωσης (~ 1-1.2 nm/V). Για την παρασκευή πορώδους αλουμίνας, ανοδιώθηκαν υμένια Al πάχους από 10 έως 500 nm, είτε σε θειικό είτε σε οξαλικό οξύ. Προσαρμόζοντας προσεκτικά τις συνθήκες ανοδίωσης ανάλογα με το πάχος, παρασκευάστηκε ΠΑΑ με πάχη από 20 έως 750 nm, με διαμέτρους πόρων από 5 έως 40 nm και πυκνότητες από 10¹⁰ έως 6.2x10¹¹/cm². Εξ όσων γνωρίζουμε, είναι πρώτη φορά που αναφέρεται ΠΑΑ λεπτότερη από 400 nm. Διερευνήθηκαν διεξοδικά οι διαφοροποιήσεις που εισάγουν στη διαδικασία της ανοδίωσης η μείωση του πάχους του προς ανοδίωση Al κατά μία τάξη μεγέθους σε σχέση με τη βιβλιογραφία, καθώς και η ύπαρξη του υποστρώματος πυριτίου. Το υπόστρωμα Si εισήγαγε δύο βασικές διαφοροποιήσεις: το επίστρωμα φραγμού δεν παρουσιάζει τη συνήθη «δαντελωτή» μορφή που παρατηρείται πάνω στο Al, αλλά παρουσιάζει ανεστραμμένη καμπυλότητα και μία κοιλότητα κάτω από κάθε πόρο, σε όλα τα πάχη. Κατά δεύτερο λόγο, το ρεύμα ανοδίωσης ως προς το χρόνο διαφοροποιείται στη φάση ισορροπίας, αφού στην περίπτωση του υποστρώματος πυριτίου η διάρκεια της δεν ελέγχεται εξωτερικά, αλλά εξαρτάται από το πάχος του προς ανοδίωση αλουμινίου. Καθώς το πάχος μειώνεται, η διάρκειά της μειώνεται στα λίγα δευτερόλεπτα, διότι η ανοδίωση ολοκληρώνεται πολύ γρήγορα, σε λιγότερο από ένα λεπτό. Η μείωση του πάχους του αλουμινίου οδηγεί σε διαφοροποίηση των συνθηκών ανοδίωσης και σχηματισμό πόρων με μικρότερες διαμέτρους και αποστάσεις σε σύγκριση με τα παχύτερα υμένια και σημαντικά αυξημένη πυκνότητα πόρων. Επιπλέον μελετήθηκε η επίδραση της θερμικής ανόπτησης του αλουμινίου πριν την ανοδίωση καθώς και η αντικατάσταση του αμιγούς αλουμινίου από κράμα αλουμινίου με 1% πυρίτιο. Διερευνήθηκε διεξοδικά η χρήση των υμενίων ΠΑΑ σαν μάσκα για τη νανοσχηματοποίηση του υποστρώματος. Σχηματοποιήθηκαν επιφάνειες πυριτίου και διοξειδίου του πυριτίου. Η προτεινόμενη τεχνική νανοσχηματοποίησης αποτελεί μία ιδιαίτερα οικονομική, απλή και γρήγορη τεχνική για το σχηματισμό δομών στο πυρίτιο μικρότερων και πυκνότερων από αυτών που επιτυγχάνονται με λιθογραφικές τεχνικές. Τα σχηματοποιημένα υμένια SiΟ₂, χαρακτηρίστηκαν δομικά και ηλεκτρικά και βρέθηκαν εξίσου υψηλής ποιότητας με τα επίπεδα θερμικά οξείδια. Επίσης, μελετήθηκε διεξοδικά η αυτοοργάνωση νανοκρυσταλλιτών πυριτίου με χημική εναπόθεση από ατμούς σε χαμηλή πίεση, πάνω στις νανοσχηματοποιημένες επιφάνειες. Οι κρυσταλλίτες αναπτύχθηκαν ανά περίπτωση επιλεκτικά ή ομοιόμορφα σε ολόκληρη την επιφάνεια. Οι διαστάσεις τους κυμάνθηκαν από 6 έως 30 nm ανά περίπτωση, και η πυκνότητά τους ξεπερνούσε το 5x10¹¹/cm².