Ανάπτυξη, δομή και οπτικές ιδιότητες νανοσύνθετων υμενίων διηλεκτρικής μήτρας

Abstract

At the present PhD Thesis nanocomposite thin films consisting of two different dielectric matrices metal inclusions were grown and their structural and optical properties were studied. The matrices were: 1) Diamond Like Carbon (DLC) and 2) Aluminum Nitride (AIN) Silver (Ag) was selected as the metal dispersion phase. Two different growth techniques were employed: 1) Pulsed Laser Deposition (PLD) and 2) Dual Confocal Reactive Magnetron Sputtering (DC RMS). Several experimental characterization techniques were employed for the study of the different properties of the thin films. Auger Electron Spectroscopy (AES) X-Ray Diffraction (XRD), X Ray Reflectivity (XRR), Neutron Reflectivity (NR), High Resolution Transmission Electron Microscopy (HR TEM), Optical Reflectance/Transmittance (ORS/OTS), Spectroscopic Ellipsometry (SE) and Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS). The incorporation of metallic nanoparticles into a high sp³ a-C matrix results in severe degradation of the sp³ content of the a-C matrix. The size of the Ag metallic nanoparticles was determined 3-7nm. Concerning the optical properties it was found that the a-C Ag thin films exhibit high absorption (especially compared to pure a-C films) in the visible and infrared part of the solar spectrum A M1 5 (ASTM G173 03) where the density of available photon is high and can be exploited making these nanocomposite films suitable for harvesting solar light and photothermal applications. In the case of AIN Ag nanocomposite thin films Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) of Ag nanoparticles was observed and verified in ORS/OTS measured spectrums. UV laser (193nm) annealing resulted in the redshift of the plasmon due to the change in the refraction index of the AIN matrix as it interacts with the offered energy and crystallizes locally around the particles (before the UV laser irradiation the AIN matrix is amorphous). Ag nanoparticles also become larger with UV laser annealing resulting in higher intensity of the plasmon. A special asset of the present PhD Thesis is the growth of stable nanocomposite films consisting of inorganic hard matrix that incorporates soft Ag inclusions. In the case of amorphous AIN with Ag spherical nanoparticles embedded in the matrix (a-AIN Ag -the growth of which has not been reported in the international literature) the hardness turns out to be 14 9GPa much higher than any kind of steel (Fe-C) making these films suitable for functioning under extreme conditions.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν ως προς την δομή και τις οπτικές τους ιδιότητες νανοσύνθετα υμένια αποτελούμενα από διηλεκτρική μήτρα είτε άμορφου άνθρακα τύπου διαμαντιού είτε νιτριδίου του αλουμινίου με μεταλλικά νανοσωματίδια Ag (a C Ag AIN Ag). Για την ανάπτυξη των υμενίων χρησιμοποιήθηκαν οι τεχνικές εναπόθεσης: 1) με παλμικό laser (PLD) και 2) αντιδρώσας συνεστιασμένης ιοντοβολής υπό μαγνητικό πεδίο (R-MS). Για το χαρακτηρισμό των υμενίων χρησιμοποιήθηκαν οι τεχνικές: α) φασματοσκοπίας ηλεκτρονίων Auger (AES), β) περίθλασης ακτινών Χ (XRD), γ) ανακλαστικότητας ακτίνων-Χ (XRR), δ) ανακλαστικότητας νετρονίων (NR), ε) ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ), στ) οπτικής ανακλαστικότητας/διαπερατότητας (ORS/OTS), ζ) φασματοσκοπικής ελλειψομετρίας (SE) και η) φασματοσκοπίας ενεργειακών απωλειών ηλεκτρονίων (EELS). Η εισαγωγή των μεταλλικών νανοσωματιδίων εντός μιας μήτρας a-C με υψηλό ποσοστό sp³ έχει σαν αποτέλεσμα την σημαντική υποβάθμιση του ποσοστού sp³ της μήτρας a-C. Το μέγεθος των κρυσταλλικών (fcc) vανοσωματιδίων Ag προσδιορίστηκε στα 3-7nm. Όσον αφορά τις οπτικές ιδιότητες παρατηρήθηκε ιδιαίτερα αυξημένη απορρόφηση των υμενίων a-C Ag (ειδικά σε σύγκριση με τα υμένια καθαρού a-C) στο ορατό και υπέρυθρο τμήμα του φάσματος του ήλιου ΑΜ1 5 (ASTM G173 03) όπου η πυκνότητα διαθέσιμων φωτονίων είναι μεγάλη καθιστώντας τα υμένια αυτά κατάλληλα για συλλογή ηλιακού φωτός και φωτοθερμικές εφαρμογές. Στην περίπτωση των νανοσύνθετων υμενίων AINAg παρατηρήθηκε και τεκμηριώθηκε σε ληφθέντα φάσματα οπτικής ανακλαστικότητας/διαπερατότητας η ύπαρξη και εκδήλωση του συντονισμού εντοπισμένου επιφανειακού πλασμονίου των νανοσωματιδίων Ag. Η ανόπτηση με παλμούς UV laser (193nm) προκαλεί την αύξηση του μεγέθους των νανοσωματιδίων Ag με αποτέλεσμα υψηλότερη ένταση του πλασμονίου στο φάσμα ORS και παρατηρείται η φασματική μετατόπιση του πλασμονίου προς το κόκκινο λόγω της μεταβολής του δείκτη διάθλασης της μήτρας AIN σαν αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασής της με την προσφερόμενη ενέργεια. Ένα ιδιαίτερο στοιχείο είναι η ανάπτυξη σταθερών δομών νανοσύνθετων υμενίων αποτελούμενα από ανόργανη σκληρή μήτρα που ενσωματώνει μαλακά εγκλείσματα Ag. Ειδικότερα για τα νανοσύνθετα υμένια άμορφης μήτρας AIN a-AIN Ag (η ανάπτυξη των οποίων δεν έχει αναφερθεί στην διεθνή βιβλιογραφία) η σκληρότητα είναι 14 9GPa πολύ υψηλότερη από κάθε είδους κράματος χάλυβα Fe-C καθιστώντας αυτά τα υμένια κατάλληλα για λειτουργία υπό ακραίες συνθήκες.