Amorphous or nanostructured composite films with predefined properties

Abstract

This thesis focuses on the growth of thin films with predefined properties by controlling the deposition conditions and by post growth processing. Briefly, we studied the control of the optical properties of hydrogenated amorphous diamond-like carbon (a-C:H) films, as well as their photosensitivity and optical performances by post growth laser irradiation. In addition, binary, ternary and quaternary metallic Zr-based glassy films were grown and used as templates for the production of selective ZrO2 phases (material that is widely used due to their catalytic activity) by oxygen plasma treatment. Ti-based polycrystalline films were grown aiming in the stabilization of the Ti in the β-phase, which is widely used as a biocompatible implant. Moreover, we studied metal containning (Nickel and Silver) amorphous diamond-like carbon (DLC:Ni and DLC:Ag) as catalysts for carbon nanotubes (CNTs) growth and as biocompatible coatings, respectively. Additional study, which has been accomplished on the growth of CNTs, was performed for their use as solar energy collector coatings, while the a-C:Ag films were examined for their biocompatibility.The deposition techniques, which were used for the growth of thin films, were the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), the magnetron sputtering and the pulsed laser deposition (PLD). For post growth treatments and the CNTs growth, oxygen plasma and thermal chemical vapor deposition (TCVD) were used, respectively. Laser irradiations were performed by a picosecond laser.The physical properties of all films were examined by various characterization techniques. Electronic characterization was performed by Auger electron (AES), X-ray photoelectron (XPS) and energy dispersive electron (EDS) spectroscopy. For the structural characterization X-ray diffraction (XRD) were used, while morphology characterization was performed by scanning electron microscopy (SEM), specular and nonspecular X-ray reflectivity (XRR) and atomic force microscopy (AFM). The electronic structure and the optical properties of the films were performed by normal and variable angle specular and nonspecular optical reflectivity (ORS) and electron energy loss spectroscopy (EELS).

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη λεπτών υμενίων με προκαθορισμένες ιδιότητες τα οποία αναπτύχθηκαν με τις τεχνικές χημικής εναπόθεσης ατμών υποβοηθούμενη από πλάσμα, ιοντοβολής και εναπόθεσης με τη χρήση παλμικού laser. Η μελέτη επικεντρώθηκε στις παραμέτρους εναπόθεσης και στην εκ των υστέρων τροποποίηση των αναπτυγμένων υμενίων.Επιγραμματικά, έγινε μελέτη του ελέγχου των οπτικών ιδιοτήτων υμενίων άμορφου υδρογονωμένου άνθρακα (a-C:H) βάσει των παραμέτρων εναπόθεσης. Επιπλέον μελετήθηκε η φωτοευαισθησία και η οπτική απόκριση ήδη αναπτυγμένων υμενίων a-C:H υπό την ακτινοβόληση τους με laser. Μελετήθηκαν δυαδικά, τριαδικά και τετραδικά άμορφα μεταλλικά γυαλιά με βάση το Ζιρκόνιο για την χρήση τους ως πρότυπα για την επιλεκτική ανάπτυξη, με την οξείδωση τους με τη χρήση πλάσματος oξυγόνου, της μονοκλινούς και της τετραγωνικής φάσης του ZrO2, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως ως καταλύτης. Επίσης μελετήθηκαν δυαδικά και τριαδικά πολυκρυσταλλικά υμένια με βάση το Τιτάνιο με σκοπό την σταθεροποίηση του στην β φάση της κρυσταλλική δομής του, το οποίο χρησιμοποιείται ως βιοσυμβατό εμφύτευμα. Τέλος, μελετήθηκαν νανοδομημένα υμένια μήτρας άμορφου άνθρακα με μεταλλικά εγκλείσματα, Νικελίου και Αργύρου, για τη χρήση τους ως καταλύτες στην ανάπτυξη νανοσωλήνων άνθρακα και ως προς την βιοσυμβατότητα τους, αντίστοιχα. Επιπλέον, έγινε μελέτη των αναπτυγμένων νανοσωλήνων άνθρακα ως πιθανές επικαλύψεις στους συσσωρευτές ηλιακής ενέργειας. Οι διεργασίες τροποποίησης, ανάπτυξης και μελέτης των αναπτυγμένων υμενίων έγιναν με τις τεχνικές πλάσματος οξυγόνου, με θερμική εναπόθεση ατμών και με την ακτινοβόληση των υμενίων με παλμικό laser διάρκειας παλμού της τάξεως των picosecond. Οι φυσικές ιδιότητες των υμενίων διερευνήθηκαν ως προς τις ηλεκτρονιακές τους ιδιότητες με τη φασματοσκοπία ηλεκτρονίων Auger (AES), τη φωτοηλεκτρονιακή φασματοσκοπία ακτίνων-Χ (XPS) και με τη φασματοσκοπία διασπειρόμενης ενέργειας ακτίνων-Χ (EDS). Ο δομικός χαρακτηρισμός των υμενίων έγινε βάσει της περίθλαση ακτίνων-Χ (XRD), ενώ για την επιφανειακή μορφολογία των υμενίων χρησιμοποιήθηκε μικροσκόπιο ηλεκτρονιακής σάρωσης (SEM), κατοπτρική και μη ανακλαστικότητα (XRR) και μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM). Για τη μελέτη της ηλεκτρονιακής δομής, καθώς και οι οπτικές ιδιότητες των υμενίων χρησιμοποιήθηκαν οι φασματοσκοπίες κάθετης και μεταβλητής γωνίας οπτικής ανακλαστικότητας (ORS) και η φασματοσκοπία απώλειας ενέργειας ηλεκτρονίων (EELS).