Ανάπτυξη και εφαρμογή απεικονιστικής τεχνικής για τον χαρακτηρισμό οργανικών υμενίων και υποστρωμάτων
Authors: Φραγκούλη Δέσποινα 
Published: January 2014

Η χρήση αυτοδομούμενων μοριακών υμενίων για την δημιουργία αισθητήρων αερίων είναι ιδιαίτερης σπουδαιότητας. Η αλληλεπίδραση των μορίων των υμενίων με αέρια προκαλεί την αλλαγή της μοριακής διπολικής ροπής και κατά συνέπεια της ηλεκτρονιακής διαπερατότητας και των φυσικών ιδιοτήτων των υποστρωμάτων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την επιλεκτική ανίχνευση πολύ μικρών ποσοτήτων αερίων. Η δημιουργία ενός τέτοιου είδους αισθητήρων βρίσκει πολλές εφαρμογές σε διάφορους τομείς όπως στην φυσικοχημεία βιολογία και ιατρική. Μια ενδιαφέρουσα προοπτική είναι η χρήση τους στην μελέτη των δομικών στοιχείων των έργων τέχνης τα οποία βρίσκονται σε ελεγχόμενο περιβάλλον, αφού είναι δυνατή η ανίχνευση μικρών ποσοτήτων αερίων που έχουν να κάνουν με την οξείδωση και τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στην επιφάνειά τους. Τοιουτοτρόπως, η μελέτη των ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων αυτών των υμενίων καθώς και η μελέτη της επίδρασής τους στις φυσικές ιδιότητες του υποστρώματος είναι ιδιαίτερης σημασίας. Γνωρίζοντας ακριβώς τους μηχανισμούς αυτούς είναι δυνατή η βελτίωση της επιλεκτικότητας και ευαισθησίας των εν λόγω ανιχνευτών. Για το σκοπό αυτό, η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζεται στην ανάπτυξη μίας νέας απεικονιστικής τεχνικής για τον χαρακτηρισμό οργανικών υμενίων πάνω σε μεταλλικές και άλλες επιφάνειες, της Φασματοσκοπίας Απεικόνισης Φωτοηλεκτρονίων Χαμηλής Ενέργειας (LEPIS). Με την μέθοδο αυτή καθίσταται δυνατή η μελέτη των ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων των διαμορφωμένων επιφανειών, η οποία παρέχει πληροφορίες για τον τρόπο που οι εγγενείς ιδιότητές τους, πχ. το έργο εξαγωγής και η αγωγιμότητα, επηρεάζονται από την χημική τροποποίηση της μεταλλικής επιφάνειας. Επιπλέον η απεικονιστική αυτή τεχνική παρέχει μία νέα δυνατότητα για τον χαρακτηρισμό υμενίων σε επιφάνειες πχ. έργα τέχνης. Η μελέτη αυτών των ιδιοτήτων διεξάγεται μέσω μίας σειράς πειραμάτων όπου καταγράφεται το έργο εξαγωγής και η πιθανότητα διαπερατότητας των φωτοηλεκτρονίων, κατά τα οποία μεταβάλλονται ποικίλες παράμετροι που σχετίζονται με τις προς μελέτη επιφάνειες. Παράλληλε έγινε η θεωρητική μελέτη αυτών των συστημάτων με την χρήση της ab initio DFT και της ημι-εμπειρικής μεθόδου και τα αποτελέσματα είναι σε πολύ καλή αντιστοιχία με τις πειραματικές μετρήσεις. Τοιουτοτρόπως, διαπιστώθηκε η δυνατότητα παρακολούθησης της κινητικής του φαινομένου της αυτοσυγκρότησης οργανικών υμενίων πάνω σε μεταλλικές επιφάνειες μέσω της καταγραφής της μεταβολής του έργου εξαγωγής. Βρέθηκε ότι η κινητική προσρόφησης όπως καταγράφεται από την μελέτη του έργου εξαγωγής, αποκλίνει από το μοντέλο Langmuir λόγω αλληλεπιδράσεων μεταξύ των προσροφητών. Επιπλέον, το έργο εξαγωγής παρουσία ενός SAM προσροφημένων αλκυλοθειολών βρίσκεται στο αναμενόμενο εύρος τιμών και εξαρτάται κυρίως από τις ιδιότητες της διεπιφάνειας και την οργάνωση των υμενίων και όχι από το μήκος της αλυσίδας. Επιπροσθέτως, απεδείχθη ότι το κυρίαρχο φαινόμενο κατά την διαδικασία της διαπερατότητας φωτοηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας είναι το φαινόμενο της σήραγγας. Κατέστη δυνατή η παρακολούθηση της κινητικής σχηματισμού του φράγματος δυναμικού και βρέθηκε ότι αυτή είναι χαρακτηριστική του βαθμού προσρόφησης και της αυτοσυγκρότησης των οργανικών προσροφητών στην επιφάνεια. Επιπλέον, έγινε δυνατή η καταγραφή της εξάρτησης του συντελεστή εξασθένισης των φωτοηλεκτρονίων από την ενέργειά τους στην πολύ χαμηλή ενεργειακή κλίμακα των 0-1.2eV. Τέλος, μελετήθηκε η αλλαγή που προκαλείται στις ιδιότητες της επιφάνειας λόγω της σταδιακής προσρόφησης μοριακών συστημάτων πορφυρινών /φουλερενίων. Η εργασία αυτή κατέδειξε την χρησιμότητα τόσο της πειραματικής όσο και της θεωρητικής μεθόδου για την μελέτη των ιδιοτήτων των οργανικών υμενίων. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου σε σχέση με τις υπόλοιπες είναι η ταυτόχρονη καταγραφή τόσο της διαπερατότητας όσο και της γωνιακής κατανομής φωτοηλεκτρονίων πολύ χαμηλής ενέργειας. Κατά συνέπεια λαμβάνονται πληροφορίες τόσο για την δομή όσο και για τις ηλεκτρονιακές ιδιότητες των υμενίων, με ένα πολύ γρήγορο και σχετικά απλό τρόπο. Πέρα από τισ παραπάνω δυνατότητες, η εργασία αυτή παρέχει τη βάση για την κατανόηση της διάβρωσης έργων τέχνης και των αρχικών σταδίων σχηματισμού οργανικών προσμίξεων στην επιφάνειά τους. Οι πληροφορίες αυτές αναμένεται να βοηθήσουν στην βελτίωση των μεθοδολογιών συντήρησης και αποκατάστασης.