Εναπόθεση νανοσωματιδίων καθώς και συμπαγών λεπτών στρωμάτων αποτελούμενων από νανοσωματίδια και εφαρμογές τους σε ηλεκτρονικές διατάξεις
Authors: Μιχελακάκη Ειρήνη 
Published: September 2021

Tα τελευταία χρόνια παρατηρείται έντονο ενδιαφέρον για την χρήση μεταλλικών νανοσωματιδίων και λεπτών στρωμάτων νανοσωματιδίων σε μια ευρεία κατηγορία τεχνολογιών, όπως σε εφαρμογές κατάλυσης, στη αποθήκευση δεδομένων, σε συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, στη βιοτεχνολογία, σε αισθητήρες. Πολύ συχνά η λειτουργικότητα τέτοιων νανοδομημένων υλικών επηρεάζεται από τα επιμέρους χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων όπως το μέγεθος, το σχήμα, τη δομή τους. Έτσι για παράδειγμα σε εφαρμογές κατάλυσης προτιμώνται νανοσωματίδια πολυεδρικού σχήματος, σε αισθητήρες αερίων έχει παρατηρηθεί βελτίωση της απόδοσης τους με την σμίκρυνση των διαστάσεων των νανοσωματιδίων ή έχει παρατηρηθεί ότι η χημική δραστηριότητα κάποιων νανοσωματιδίων εξαρτάται από τη κρυστάλλωσή τους. Επιπλέον ότι αφορά υλικά αποτελούμενα από λεπτά στρώματα νανοσωματιδίων, τα χαρακτηριστικά που καθορίζουν τη λειτουργικότητα τους, μεταξύ άλλων είναι και το πορώδες τους σε συνδυασμό με τις μηχανικές τους ιδιότητες. Ενώ διαρκώς αυξάνονται οι εφαρμογές λεπτών στρωμάτων αποτελούμενων από νανοσωματίδια, την ίδια ώρα η έλλειψη μηχανικής σταθερότητας αυτών των υλικών αποτελεί βασικό εμπόδιο για την εκτεταμένη βιομηχανική εφαρμογή τους. Οι ασθενής δυνάμεις συνοχής μεταξύ των νανοσωματιδίων καθιστούν αυτά τα πορώδη υλικά σαθρά, με αποτέλεσμα να απαιτούνται διαδικασίες οι οποίες βελτιώνουν τις μηχανικές τους ιδιότητες. Σε αυτά τα πλαίσια η παρούσα διατριβή ασχολήθηκε με την σύνθεση και τη μελέτη νανοσωματιδίων και λεπτών στρωμάτων νανοσωματιδίων και κάποιες τεχνολογικές εφαρμογές τους. Το πρώτο μέρος ασχολείται με τη παρασκευή και το χαρακτηρισμό νανοσωματιδίων χαφνίου (Hf) εξαγωνικής δομής πυκνής διάταξης. Οι μελέτες πάνω σε μεταλλικά νανοσωματίδια εξαγωνικής δομής είναι περιορισμένες και συγκεκριμένα τα νανοσωματίδια Hf έχουν μελετηθεί μόνο σε θεωρητικό επίπεδο εώς σήμερα. H σύνθεση των νανοσωματιδίων Ηf έγινε με μία φυσική μέθοδο τη λεγόμενη τεχνική συμπύκνωσης αδρανούς αερίου. Τα νανοσωματίδια χαρακτηρίστηκαν ως προς τα μορφολογικά και τα δομικά τους χαρακτηριστικά. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν διάφορες τεχνικές όπως περίθλαση ακτίνων-Χ (ΧRD), μικροσκοπία ηλεκτρονικής διέλευσης (TEM) και μικροσκοπία ατομικής δύναμης (ΑFM). Στη συνέχεια μελετήθηκε η οξείδωση των νανοσωματίδιων Ηf με δύο τεχνικές, η μία αφορούσε την οξείδωση κατά την διάρκεια της εναπόθεσης τους σε θερμοκρασία δωματίου και η δεύτερη αφορούσε τη θερμική οξείδωση τους μετά την εναπόθεση. Το δεύτερο μέρος της διατριβής ασχολείται με την ανάπτυξη και τον χαρακτηρισμό λεπτών φιλμ αποτελούμενων από νανοσωματίδια. Για το σκοπό αυτό εφαρμόστηκε η τεχνική της ενεργητικής εναπόθεσης νανοσωματιδίων και χρησιμοποιήθηκαν νανοσωματίδια Hf. Mεταβάλλοντας την κινητική ενέργεια των νανοσωματιδίων παρασκευάστηκαν με ένα βήμα πορώδη υμένια νανοσωματιδίων με καλές μηχανικές ιδιότητες. Η τεχνική της ενεργητικής εναπόθεσης δίνει τη δυνατότητα ρύθμισης του πορώδους και συνεπώς μπορεί να εφαρμοστεί για το ελεγχόμενο σχεδιασμό πορωδών υλικών νανοσωματιδίων. Στη παρούσα μελέτη εφαρμόστηκε για νανοσωματίδιο Hf αλλά μπορεί να εφαρμοστεί για οποιοδήποτε μεταλλικά νανοσωματίδια, ανάλογα με την επιθυμητή εφαρμογή. Το τρίτο και τελευταίο μέρος ασχολείται με τις εφαρμογές νανοσωματιδίων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν νανοσωματίδια Hf σε μνήμες εναλλαγής αντίστασης (RRAM) και νανοσωματίδια χρυσού (Αu) σε βιολογικούς αισθητήρες. Ότι αφορά τις μνήμες εναλλαγής αντίστασης μελετήθηκε η συμπεριφορά μνημών εναλλαγής αντίστασης διοξειδίου του τιτανίου ΤiO2 πριν και μετά την ενσωμάτωση νανοσωματιδίων Ηf εντός της μήτρας του διηλεκτρικού (TiO2). Η εισαγωγή των νανοσωματιδίων τροποποίησε εντελώς τη συμπεριφορά του TiO2. Η σημαντική αλλαγή αφορούσε τη πτητικότητα των μνημών, η οποία μπορούσε να μεταβληθεί αντιστρεπτά με μεταβολή του ρεύματος κατωφλίου. Ότι αφορά τα νανοσωματίδια Au, εφαρμόστηκαν για την ανάπτυξη του τμήματος του βιουποδοχέα ενός βιολογικού αισθητήρα. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν για την τροποποίηση επιφανειών διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) και μελετήθηκε η ακινητοποίηση και υβριδοποίηση βιομορίων σε αυτές τις επιφάνειες ως συνάρτηση του μεγέθους και της πυκνότητας των νανοσωματιδίων. Από τη μελέτη αυτή προέκυψαν συμπεράσματα για τις βέλτιστες παραμέτρους σχετικά με την υβριδοποίηση των βιομορίων και κατά συνέπεια για την απόδοση του βιουποδοχέα.