Υψηλής τάξης Νανοδομές Νιτριδίου του Τιτανίου για Πλασμονικές Εφαρμογές
Creators: name: Ραμπότα, Παρασκευή Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Νανοδομές
Νανοσφαίρες
Πλασμόνια
Nanostructures
Nanospheres
Plasmons

description: Ελληνική Περίληψη Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και ανάπτυξη διαφορετικού μεγέθους και γεωμετρίας υψηλής τάξης πλασμονικών νανοδομών νιτριδίου του τιτανίου (TiN), χρησιμοποιώντας συνδυαστικά τις μεθόδους της λιθογραφίας νανοσφαιρών (NanoSphere Lithography - NSL) και της αντιδρώσας ιοντοβολής (Reactive Magnetron Sputtering). Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη νανοδομών νιτριδίου του τιτανίου σε υποστρώματα πυριτίου, υάλου και εύκαμπτων μεμβρανών PET, μέσω μιας διαδικασίας τριών σταδίων που συμπεριλαμβάνει τη λιθογραφία νανοσφαιρών. Αρχικά, δημιουργήθηκε σε πρώτο στάδιο μια δισδιάστατη φωτονική μάσκα με τη χρήση περιστροφικής εναπόθεσης (Spin-Coating) ενός κολλοειδούς διαλύματος νανοσφαιρών πολυστυρενίου. Στη συνέχεια, εναποτέθηκε το κεραμικό υλικό (TiN) μέσω δύο διαφορετικών τεχνικών ιοντοβολής (DC Reactive Magnetron Sputtering και High Power Impulse Magnetron Sputtering/HiPIMS), με σκοπό τη δημιουργία διαφορετικού μεγέθους νανοδομών και τελικώς, η μάσκα απομακρύνθηκε με την χρήση κατάλληλου διαλύτη, προκειμένου να εμφανιστούν οι νανοδομές στο υπόστρωμα. Για κάθε ένα από τα τρία βήματα εξετάστηκαν διεξοδικά οι πειραματικές παράμετροι που είναι πιθανό να επιδρούν στην τελική διαμόρφωση των νανοδομών. Πρωταρχικός στόχος, είναι η ανάπτυξη μονοστρωματικής μάσκας λιθογραφίας μεγάλων διαστάσεων (δηλ. με μεγάλη επικάλυψη πάνω στο επιθυμητό υπόστρωμα). Για τη δημιουργία της μάσκας αναπτύχθηκε πρωτόκολλο ανάπτυξης κρυσταλλικής μάσκας και μελετήθηκαν ξεχωριστά η επίδραση της ταχύτητας περιστροφής κατά την εναπόθεση με την τεχνική Spin-Coating, η επίδραση χρήσης επιφανειοδραστικού στο διάλυμα, καθώς και η επίδραση του εκάστοτε υποστρώματος, κρυσταλλικού ή μη. Έπειτα, μελετήθηκε η επίδραση των συνθηκών εναπόθεσης του Νιτριδίου του Τιτανίου στο μέγεθος, το σχήμα και την τάξη των νανοδομών TiN και ειδικά στην περίπτωση του HiPIMS η μεταβολή της ισχύος στον στόχο. Στη συνέχεια για το στάδιο της απομάκρυνσης των σφαιρών εξετάστηκε τόσο το είδος του διαλύτη όσο και η χρονική διάρκεια εμβάπτισης του δείγματος σε αυτόν. Όλα τα συμπεράσματα προήλθαν από τη μελέτη των νανοδομών με τη Μικροσκοπία Ατομικών Δυνάμεων (AFM), η οποία αποτελεί την κύρια τεχνική χαρακτηρισμού και μελέτης που χρησιμοποιήθηκε για την μελέτη της μορφολογίας των ανεπτυγμένων νανοδομών TiN υψηλής τάξης και του καθορισμού της ποιότητας των μασκών στη μικροκλίμακα.
description: The aim of this work is to develop plasmonic titanium nitride (TiN) nanostructures of different sizes and geometries, using a combination of NanoSphere Lithography (NSL) and Reactive Ion Sputtering methods. Specifically, the growth of titanium nitride nanostructures on silicon, glass and flexible PET film substrates was carried out by a three-step process using nanosphere lithography. In the first step, a two-dimensional photonic mask was created by spin-coating a colloidal polystyrene nanosphere solution. The ceramic material (TiN) was then deposited using two different ion beam techniques (DC Reactive Magnetron Sputtering and High Power Impulse Magnetron Sputtering/HiPIMS) to create different sized nanostructures, and finally the mask was removed by placing the samples in an ultrasonic bath with a suitable solvent to allow the nanostructures to appear on the substrate. For each of the three steps, the experimental parameters likely to influence the final configuration of the nanostructures were studied in detail. The primary objective is to develop a monolayer mask for large-scale lithography. To create the mask, the crystal mask development protocol was presented along with the separate study of the effects of spin-coating speed, the use of different surfactants in solution, and the effect of each substrate, crystalline or non. The operating principles of the different sputtering techniques used to deposit TiN were then studied, as well as the parameters of the total deposition pressure resulting from changes in gas flow, deposition time and particularly in the case of HiPIMS power cycling, which was kept constant in the DC Magnetron Sputtering experiments. Then, for the nanosphere removal step, were considered both the type of solvent and the time of immersion of the sample in it. All conclusions were derived from the study of the nanostructures by Atomic Force Microscopy (AFM), which is the main characterisation and study technique that gave us a complete picture of the morphology of the developed structures and the determination of the quality of the masks at the microscale.