Φασματοσκοπική ελλειψομετρία υπέρυθρου και υπεριώδους στην μελέτη ανόργανων και οργανικών νανοδομικών υλικών
Creators: name: Λασκαράκης, Αργύριος Β.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2005
Subjects: subject: Φασματοσκοπική ελλειψομετρία
subject: Πολυμερικές μεμβράνες
subject: Νανοτεχνολογία
subject: Spectroscopic ellipsometry
subject: Polymer
subject: Nanotechnology
subject: FOS: Nanotechnology

description: Στην εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων συγκεκριμένων νανοδομικών υλικών με την τεχνική της Φασματοσκοπικής Ελλειψομετρίας(ΦΕ) σε μια ευρεία ενεργειακή περιοχή, από το Υπέρυθρο(IR, 900-4000cm^(-1)) έως το Ορατό-μακρό Υπεριώδες(Vis-fUV SE, 1.5-6.5 eV) για την μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων συγκεκριμένων νανοδιμικών υλικών τα οποία αναπτύσσονται ραγδαία και ενσωματώνονται σε ένα ολοένα και μεγαλύτερο πεδίο επιστημονικών και τεχνολογικών εφαρμογών. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκαν οι οπτικές ιδιότητες δύο τύπων υλικών α)ανόργανων νανοδομικών υλικών με μορφή λεπτών υμενίων όπως τα λεπτά υμένια Νιτριδίου του Ανθρακα(CN^(x)) και Βορίου(ΒΝ) και β)οργανικών νανοδομικών υλικών με μορφή μεμβρανών όπως οι πολυμερικές μεμβράνες Poly(Ethylene Terephtalate)(PET), και Poly(Ethylene Napthalate)(PEN), και με μορφή υλικών όγκου, όπως το PolyCarbonate PC. Αναφορικά με τα λεπτά υμένια CN^(x) με την τεχνική της ΦΕ IR προσδιορίστηκαν και ταυτοποιήθηκαν οι χαρακτηριστικές δομές που αντιστοιχούν στους τρόπους δόνησης των sp^(3), sp^(2) &amp; sp^(1) υβριδισμένων δεσμών μεταξύ των ατόμων C και Ν, ενώ με την τεχνική ΦΕ Vis-FUV προσδιορίστηκαν οι ηλεκτρονικές μεταπτώσεις π&gt;π* και σ&gt;σ* μεταξύ των διαφόρων ενεργειακών καταστάσεων των sp^(3) και sp^(2) υβριδισμένων δομών. Από την ανάλυση της μετρούμενης ψευδοδιηλεκτρικής συνάρτησης προέκυψαν σημαντικά συμπεράσματα που σχετίζονται με την μελέτη της επίδρασης εφαρμοζόμενης τάσης πόλωσης V^(bias) στο υπόστρωμα κατά την ανάπτυξη των λεπτών υμενίων CN^(x). Αποδείχτηκε ότι η εφαρμοζόμενη τάση πόλωσης V^(bias) που επηρεάζει σημαντικά την ενέργεια των βομβαρδιζόντων ατόμων στην αναπτυσσόμενη επιφάνεια έχει καθοριστικό ρόλο στην κατανομή των ατόμων Ν στις διάφορες δομές με τα άτομα του C. Επίσης, η εφαρμογή υψηλής αρνητικής V^(bias) οδηγεί στον σχηματισμό τρισδιάστατων νανοδομών σαν αποτέλεσμα της κύρτωσης και συνένωσγης των γραφιτικών επιπέδων(crosslinking). Ακόμη, μελετήθηκε επίδραση της δομής των λεπτών υμενίων CN^(x) στην θερμική τους σταθερότητα όπως φανερώνεται από την μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων στις φασματικές περιοχές του IR και του Vis-fUV. Επίσης, μελετήθηκαν οι οπτικές ιδιότητες των λεπτών υμενίων ΒΝ για την συσχετισμό των κρίσιμων πειραματικών συνθηκών, όπως η θερμοκρασία του υποστρώματος Τ^(s) και το ποσοστό του Ν^(2) στο πλάσμα. Από την μελέτη των χαρακτηριστικών τρόπων δόνησης του sp^(3) υβριδισμένου c-BN και του sp^(2) υβριδισμένου h-BN, αποδείχτηκε ότι η θερμοκρασία T^(s) επηρεάζει σημαντικά τους μηχανισμούς ανάπτυξης και τη δομή των λεπτών υμενίων ΒΝ. Στην περίπτωση των οργανικών νανοδομικών υλικών και πιο συγκεκριμένα των οπτικά ανισότροπων πολυμερικών μεμβρανών ΡΕΤ και ΡΕΝ, μελετήθηκαν οι χαρακτηριστικές δομές που αντιστοιχούν στις ηλεκτρικές μεταπτώσεις μεταξύ των διαφόρων δομών στα μονομερή τους, αλλά και οι χαρακτηριστικοί τρόποι δόνησης των διαφόρων δεσμών μεταξύ των ατόμων C, H &amp; O, που τα αποτελούν. Η οπτική τους ανισοτροπία είναι το αποτέλεσμα του προτιμητέου προσανατολισμού των μακρομοριακών αλυσίδων εξαιτίας της διαδικασία παραγωγής τους. Δύο πολύ σημαντικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την μελέτη αυτή είναι η λεπτομερής μελέτη και ταυτοποίηση των ηλεκτρονικών μεταπτώσεων, αλλά επίσης το γεγονός ότι τα υλικά αυτά μπορούν σε πρώτη προσέγγιση να θεωρηθούν ως μονάξονα υλικά με τον οπτικό τους άξονα παράλληλο στην επιφάνειά τους. Το τελευταίο, αποδείχτηκε και μέσω του αναλυτικού υπολογισμού των κυρίων συνιστωσών της διηλεκτρικής συνάρτησης. Στην περίπτωση του PolyCarbonate, μελετήθηκαν οι οπτικές του ιδιότητες αλλά και η βελτίωση στις μηχανικές και νανοτοπογραφικές τους ιδιότητες μέσω της ανάπτυξης υπέρ-σκληρών υβριδικών επικαλύψεων(anti-scratch layer). Ακόμη, εξαιτίας της χημικής αδράνειας που χαρακτηρίζει την επιφάνεια των οργανικών νανοδομικών υλικών, είναι απαραίτητη η επιφανειακή τους τροποποίηση με χρήση ιοντικών δεσμών και πλάσματος για την δημιουργία χημικών δεσμών και ειδών υψηλής ενέργειας πάνω σε αυτές, για παράδειγμα ρίζες, ιόντα, μόρια σε διεγερμένες ηλεκτρονικές καταστάσεις. Ετσι, στα πλαίσια της εργασίας αυτής μελετήθηκαν οι μεταβολές στις οπτικές ιδιότητες των πολυμερικών υλικών(PET, PEN, PC) κατά την επιφανειακή τροποποίησή τους(surface functionalization) με τη χρήση τεχνικών πλάσματος και ιοντικών δεσμών
description: In this work, we study of optical properties of nanostructured materials which are developing rapidly and they excellent candidates for a new field of state-of-the art applications. This is realized by the use of Spectroscopic Ellipsometry in a wide energy region, from the Infrared(900-4000cm^(-1)) to the Visible-far UltraViolet(1.5-6.5 eV). The types of nanostructures materials that were studied: a) Carbon(CN^(x)) and Boron Nitride(BN) thin films and b)Polymer membranes of Poly(Ethylene) Terephthalate(PET), Poly(Ethylene)Naphthalate(PEN) and in bulk from PolyCarbonate(PC). In regard to the CN^(x) thin films, in this work we have studied the effect of the applied bias voltage(Vbias) in th substrate during the deposition procedure, on the optical properties. The study of the revealed the contribution of the characteristic vibration modes corresponding to the sp^(3), sp^(2) and sp^(1) bonding structures between C and N atoms. As it was found, the V^(bias)influences considerably the energy of bombarding ions in the growing film surface which has a decisive role in the bonding strycture of the CN^(x) thin films with obvious consequences in the optical and mechanical properties but also in their thermal stability. Concerning the BN thin films, the effect of the structure temperature Ts and the N2 content in the working gas on thei bonding structure and the growth mechanisms was correlated to the optical response of the sp^(3) c-BN and sp^(2)h-BN bonding structures. In the case of PET and PEN membranes we have studied the characteristic structures the correspond in the electronic transitions, the vibration modes but also their optical anisotropy which is induced during the elongation process(stretching procedure) that constitutes important stage of their production process. Two very importnat conclusions that resulted from this study was the identification of electronic transitions but also the conclusion that these materials in first approximation can be considered as uniazial with their optic axis parallel in their surface. This was also verified by the analytic calculation of principal components of the dielectric function. In the case of PC, we have studied its optical response and also the modification and improvement in its mechanical and nanotopographical properties by the growth of anti-scratch coatings. Also, due to the chemical inactivity of the polymer surfaces the surface modification by ion beams and plasma techniques is essential. Therefore, in this work we have studied the modification in the optical properties of polymer materials(PET, PEN, PC) by the surface modification(functionalization) by the use of ion bean and plasma techniques