Στοιχεία επιβλεπόντων καθηγητών:
Χατζηχρηστίδη Μαργαρίτα, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια, Τμήμα Χημείας, ΕΚΠΑ
Μακαρώνα Ελένη, Κύρια Ερευνήτρια, Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας, ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος
Περίληψη:
Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η δυνατότητα ανάπτυξης νανοδομών οξειδίου του χαλκού (CuO) με συνδυασμό bottom-up και top-down μεθόδων. Πιο συγκριμένα, διερευνήθηκε η δυνατότητα δημιουργίας νοδομών CuO σε δισκία πυριτίου με συνδυασμό των μεθόδων πηκτωμάτων γέλης (sol-gel) και υδροθερμικής ανάπτυξης (bottom-up) και η συμβατότητά τους με την τεχνική της οπτικής λιθογραφίας (top-down).
Το οξείδιο του χαλκού θεωρείται ως ένα πολλά υποσχόμενο υλικό λόγω του ότι διαθέτει ένα μοναδικό συνδυασμό ιδιοτήτων, όπως ότι είναι p-τύπου ημιαγωγός, δεν είναι τοξικό, μπορεί να παραχθεί με σχετικά χαμηλό κόστος, ενώ διαθέτει σημαντική ηλεκτροχημική δραστηριότητα. Επιπροσθέτως, το CuO έχει τη δυνατότητα να αναπτύσσεται μέσω διαφόρων μεθόδων -κυρίως αυτών της συνθετικής χημείας- σε ποικίλλες μορφές νανοδομών/νανοαρχιτεκτονικών όπως νανοφύλλα, νανολουλούδια, νανοτοιχία, νανοκαλώδια, νανοσωλήνες, νανοκυλίνδρους. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των νανοδομών αυτών –και συνεπακολούθως τα λειτουργικά τους χαρακτηρισιτκά- μπορούν να μεταβληθούν και να ελεγχθούν μέσω των συνθηκών της σύνθεσης. Η ποικιλομορφία των νανοδομών και ο συνδυασμός των ιδιοτήτων του καθιστούν το οξείδιο αυτό ως ένα ιδιαίτερα πολυπροσμαρμοστικό και ελκυστικό υλικό για μία σειρά εφαρμογών, ειδικότερα υπό το πρίσμα ότι υπάρχει δυνατότητα παραγωγής του μέσα από ένα πλήθος τεχνικών χαμηλού κόστους.
Στην παρούσα εργασία η ανάπτυξη νανοδομών οξειδίου του χαλκού πραγματοποιήθηκε με την υδροθερμική μέθοδο (Hydrothermal Growth) σε υποστρώματα πυριτίου. Η μέθοδος αυτή επιλέχθηκε τόσο για το χαμηλό της κόστος, όσο και για το γεγονός ότι είναι πλήρως συμβατή με τις μεθόδους κατασκευής των μικροηλεκτρονικών διατάξεων. Το σημαντικότερο όμως χαρακτηριστικό της μεθόδου αυτής είναι το ότι υπακούει στον όρο της «Πράσινης Χημείας». Με τον όρο «Πράσινη Χημεία» εννοούμε το φιλικό προς το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία τρόπο παραγωγής υλικών από ασφαλή υλικά, ελαχιστοποιώντας την παραγωγή επικίνδυνων ουσιών και αντιμετωπίζοντας τυχόν θέματα τοξικότητας.
Σκοπός της μελέτης αυτής ήταν η διερεύνηση της καταλληλότητας διαφόρων συνθηκών ανάπτυξης νανοαρχιτεκτονικών δομών CuO σε λιθογραφημένα δισκία πυριτίου και η συμβατότητα των μεθόδων σύνθεσης με την οπτική λιθογραφία, μιας και μια τέτοια κατασκευαστική προσφέρει σχεδιαστική ευελιξία και χαμηλό κόστος παραγωγής μικρο και νανοαρχιτεκτονικών. Η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε ήταν η εξής: αρχικά διερευνήθηκαν διάφορα πηκτώματα γέλης που απαιτούνται για τη δημιουργία καταλλήλων στρωμάτων πυρήνωσης τόσο σε υποστρώματα πυριτίου όσο και θερμικού οξειδίου του πυριτίου, μελετήθηκαν οι συνθήκες της υδροθερμικής ανάπτυξης, ενώ επιλεγμένες βελτιστοποιημένες συνθήκες δοκιμάστηκαν σε συνδυασμό με την οπτική λιθογραφία.
Διάφορες παράμετροι μελετήθηκαν τόσο ως προς την παρασκευή των διαλυμάτων sol-gel, την υδροθερμική ανάπτυξη, όσο και ως προς τη συμβατότητα των δύο μεθόδων με την οπτική λιθογραφία θετικού τόνου. Συνοπτικά οι παράγοντες που μελετήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας ήταν: (α) το είδος του υποστρώματος, (β) το είδος του πηκτώματος γέλης για την ανάπτυξη του υμενίου πυρήνωσης, (γ) η παλαιότητα του πηκτώματος γέλης, (δ) η θερμοκρασία ανόπτησης (annealing) του στρώματος πυρήνωσης, (ε) η ταχύτητα περιστροφής του περιστροφικού επιστρωτή, (στ) η χρήση HMDS (hexamethyldisilazane) πριν την επίστρωση του πηκτώματος γέλης και (ζ) ο χρόνος παραμονής των δειγμάτων στο διάλυμα της υδροθερμικής ανάπτυξης.
Τα αποτελέσματα της μορφολογίας των νανοδομών CuO αξιολογήθηκαν με Οπτική Μικροσκοπία και Μικροσκοπία Ηλεκτρονικής Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy - SEM), ενώ χρησιμοποιήθηκε Φασματοσκοπία Υπερύθρου (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FT-IR) για μελέτη των υμενίων πυρήνωσης, ώστε να συσχετισθούν οι ιδιότητές τους με την επακόλουθη ανάπτυξη των νανοδομών.
