xxiii Ïανελληνιο ÏÏ Î½ÎµÎ´Ïιο ÏÏ ÏÎ¹ÎºÎ·Ï ÏÏεÏÎµÎ±Ï ÎºÎ±ÏαÏÏαÏÎ·Ï & εÏιÏÏÎ·Î¼Î·Ï ...
xxiii Ïανελληνιο ÏÏ Î½ÎµÎ´Ïιο ÏÏ ÏÎ¹ÎºÎ·Ï ÏÏεÏÎµÎ±Ï ÎºÎ±ÏαÏÏαÏÎ·Ï & εÏιÏÏÎ·Î¼Î·Ï ...
xxiii Ïανελληνιο ÏÏ Î½ÎµÎ´Ïιο ÏÏ ÏÎ¹ÎºÎ·Ï ÏÏεÏÎµÎ±Ï ÎºÎ±ÏαÏÏαÏÎ·Ï & εÏιÏÏÎ·Î¼Î·Ï ...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
XXIII ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ<br />
ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ<br />
& ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΥΛΙΚΩΝ<br />
Αθήνα, 23-26 Σεπτεμβρίου 2007<br />
Συνεδριακό Κέντρο Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ»
… αντί για πρόλογο<br />
Ιστορική Αναδρομή των Συνεδρίων Φυσικής Στερεάς Κατάστασης<br />
& Επιστήμης Υλικών<br />
Με το ΧΧΙΙΙ Πανελλήνιο Συνέδριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης & Επιστήμης<br />
Υλικών συνεχίζεται ένας γόνιμος και συνεχώς αναπτυσσόμενος θεσμός στον<br />
Ελλαδικό χώρο στην περιοχή της Φυσικής Στερεάς Κατάστασης και Επιστήμης<br />
Υλικών.<br />
Θα προσπαθήσω να κάνω μια σύντομη ιστορική αναδρομή ξεκινώντας από το<br />
εναρκτήριο λάκτισμα για το θεσμό αυτό. Το πρώτο συνέδριο οργανώθηκε από τον<br />
τότε Σύλλογο Φυσικών Έρευνας και Εφαρμογών στη Θεσσαλονίκη το 1982, σαν<br />
Συνέδριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης (ΦΣΚ), που αποσκοπούσε στη γνωριμία<br />
των ερευνητών μεταξύ τους, την τότε σύγχρονη καταγραφή της υπάρχουσας<br />
υποδομής στα διάφορα εργαστήρια, και την ενημέρωση για τις δυνατότητες που<br />
υπήρχαν για ερευνητική δουλειά στον Ελλαδικό χώρο καθώς και την πιθανότητα<br />
συνεργασίας μεταξύ των διαφόρων ομάδων. Με μια ματιά στα πρακτικά εκείνου του<br />
πρώτου συνεδρίου, αποκομίζει κανείς την εικόνα της έρευνας στη χώρα μας σ’ αυτό<br />
το επιστημονικό πεδίο την εποχή εκείνη. Διαπιστώνει ότι ήδη είχε αρχίσει αρκετά<br />
έντονη ερευνητική δραστηριότητα σε διάφορες περιοχές της Φυσικής Στερεάς<br />
Κατάστασης. Υπενθυμίζεται ότι τότε δεν υπήρχε ούτε ηλεκτρονικό ταχυδρομείο ούτε<br />
το διαδίκτυο που μπορεί να μας δώσει σήμερα άμεσες πληροφορίες, επαφές και<br />
διασυνδέσεις. Η πληροφορία για το τι ερευνούσε το κάθε εργαστήριο γινόταν μάλλον<br />
έμμεσα, είτε από τις δημοσιεύσεις είτε από συναντήσεις σε διεθνή συνέδρια είτε στην<br />
εβδομάδα Φυσικής που είχε αρχίσει να οργανώνει ο Δημόκριτος σε όλους τους τομείς<br />
της Φυσικής. Η αρχή του κλεισίματος του πρώτου συνεδρίου από τον αείμνηστο<br />
καθηγητή Βαγγέλη Αναστασάκη δίνει μια σαφή εικόνα του επιδιωκόμενου σκοπού:<br />
“Mε την ελπίδα ότι ο επίλογος τούτος θα αποτελέσει τον πρόλογο για ένα επόμενο<br />
συνέδριο στη Φυσική Στερεάς Κατάστασης (ΦΣΚ), θα προσπαθήσω στις επόμενες<br />
γραμμές να δώσω μια σύνοψη των συμπερασμάτων που απορρέον από αυτό το<br />
συνέδριο σχετικά με τη τωρινή κατάσταση της ΦΣΚ στην Ελλάδα. Ο πίνακας του<br />
κλεισίματος του πρώτου αυτού συνεδρίου δίνει μια σαφή εικόνα το τι ανακοινώθηκε<br />
στο πρώτο αυτό συνέδριο. ”. Και η ελπίδα αυτή έγινε πραγματικότητα.<br />
Το κενό χρόνου που υπάρχει μεταξύ του πρώτου συνεδρίου το 1982 και του<br />
δευτέρου το 1986 δεν οφείλεται σε αδράνεια, αλλά τότε εντατικοποιήθηκαν οι<br />
εβδομάδες Φυσικής που οργάνωνε ο Δημόκριτος για όλους τους τομείς της Φυσικής<br />
και γινόταν προσπάθεια να βρεθεί κάποιος τρόπος να υπάρξει συνέχεια ξεχωριστού<br />
συνεδρίου ΦΣΚ, πιο εντοπισμένου σε αυτή τη θεματολογία. Σε μια συνάντηση που<br />
έγινε το χρονικό εκείνο διάστημα στην Κρήτη αποφασίζεται να συνεχιστούν αυτά τα<br />
συνέδρια και αναλαμβάνει ο αείμνηστος καθηγητής του Πανεπιστημίου των<br />
Ιωαννίνων Χρήστος Παπαγεωργόπουλος να οργανώσει το δεύτερο Πανελλήνιο<br />
Συνέδριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης.<br />
Στα Ιωάννινα αποφασίζεται η ετήσια διεξαγωγή των συνεδρίων και τη<br />
διοργάνωση του τρίτου συνεδρίου αναλαμβάνει το Πανεπιστήμιο της Πάτρας. Ετσι<br />
αρχίζει μια εκ περιτροπής οργάνωση των συνεδρίων στις πόλεις όπου υπάρχει<br />
Πανεπιστήμιο με φορά: Ιωάννινα, Πάτρα, Αθήνα, Ξάνθη, Κρήτη, Θεσσαλονίκη. Το<br />
2004, στα Ιωάννινα και πάλι, αποφασίζεται στον κύκλο των διοργανωτών να<br />
προστεθεί και η Κύπρος, αρχής γενομένης από τον επόμενο χρόνο στη Λευκωσία. Η<br />
Αθήνα στο αυστηρό γεωγραφικό της περίγραμμα αποφεύγεται για εύλογους λόγους<br />
δυσκολίας της μεγάλης πόλης και τα συνέδρια γίνονται σε σχετικά γειτονικούς<br />
χώρους όπως Μαραθώνας, Δελφοί, Ναύπλιο. Η οργανωτική επιτροπή του ΧΧΙΙΙ<br />
συνεδρίου του 2007 όμως αποφάσισε τη διεξαγωγή του στον αυστηρό γεωγραφικό<br />
χώρο της Αθήνας, κατ’ εξαίρεση.
Κοιτώντας τα πρακτικά του πρώτου συνεδρίου του 1982 και τα μετέπειτα,<br />
εύκολα διακρίνεται η έντονη ανάπτυξη της ερευνητικής δραστηριότητας στα διάφορα<br />
εργαστήρια της χώρας μας και η επέκταση σε διάφορους τομείς. Συγχρόνως<br />
διαπιστώνεται ο εμπλουτισμός του ερευνητικού δυναμικού με νέους ικανότατους<br />
επιστήμονες, πολλοί από τους οποίους επανέρχονται από το εξωτερικό ή ακόμη<br />
εκπαιδεύονται, ζυμώνονται και ενθουσιάζονται στις αναπτυσσόμενες ερευνητικές<br />
ομάδες στη χώρα μας. Στο μεταξύ συμβαίνουν διάφορα γεγονότα: Η έντονη<br />
ανάπτυξη της Μικροηλεκτρονικής και η ίδρυση των παρά τα Πανεπιστήμια<br />
Ερευνητικών Κέντρων από το τότε Υπουργείο Έρευνας και Τεχνολογίας. Γίνεται πια<br />
συνείδηση και στα πολιτικά κέντρα ότι η χώρα για να αναπτυχθεί χρειάζεται την<br />
ενδυνάμωση των ερευνητικών δραστηριοτήτων. Παράλληλα, η ύπαρξη ευρωπαϊκών<br />
προγραμμάτων προσέφερε αφενός μια νέα δυναμική και αφετέρου μεγαλύτερες<br />
δυνατότητες εξέλιξης και συνεργασίας με ξένες ερευνητικές ομάδες.<br />
Τα συνέδρια συνεχίζονται ανελλιπώς και εμπλουτίζονται με νέες περιοχές<br />
έρευνας, καινούριες πιο προηγμένες μεθόδους και θεωρητικές αναλύσεις,<br />
παρακολουθώντας τις διεθνείς εξελίξεις και τάσεις με αξιόλογη συμμετοχή και<br />
επιτυχία. Βλέπουμε να έχουμε, π.χ., ενδιαφέρουσες δουλειές στους υπεραγωγούς<br />
υψηλών θερμοκρασιών, στα άμορφα υλικά, στα υλικά χαμηλών διαστάσεων, στα<br />
στρωματικά υλικά, στα νανοσωματίδια, και άλλα. Το συνέδριο παρακολουθεί από<br />
κοντά την επιστημονική εξέλιξη, και μετά το 2000 μετονομάζεται σε Συνέδριο<br />
Φυσικής Στερεάς Κατάστασης & Επιστήμης Υλικών. Έχει φθάσει πια στο σημείο<br />
να μην υστερεί των μεγάλων διεθνών συνεδρίων. Είναι σημαντικό ιδιαίτερα για τους<br />
νέους ερευνητές, που δεν έχουν αποκτήσει ακόμη μια ολοκληρωμένη εικόνα των<br />
δυνατοτήτων έρευνας στη χώρα μας, να προσεγγίσουν παλιούς και νέους ερευνητές<br />
στον Ελλαδικό χώρο. Το φιλικό κλίμα που επικρατεί δημιουργεί και το ανάλογο<br />
κλίμα ανταλλαγής πολλών απόψεων ακόμη και εκτός των διαλέξεων.<br />
Η οργάνωση των συνεδρίων έχει τη δική της δυναμική και δεν<br />
πραγματοποιείται από καθορισμένο φορέα ή επιστημομική εταιρεία. Ορισμένοι, ίσως<br />
φανατικοί ή ονειροπόλοι, από την περιοχή όπου θα διεξαχθεί το συνέδριο<br />
αναλαμβάνουν την οργάνωση. Για την οργανωτική επιτροπή δεν είναι διασκέδαση,<br />
χρειάζεται κόπος και μεγάλη προσπάθεια να βρεθούν οικονομικοί πόροι, να<br />
οργανωθεί και να διεξαχθεί το εκάστοτε συνέδριο. Είναι το δικό μας συνέδριο αλλά<br />
γιατί όχι να γίνει ελκυστικό και σε ξένους ερευνητές, όπως συνέβη αρκετές φορές<br />
όταν είχαμε την παρουσία διακεκριμένων ξένων επιστημόνων που με θέρμη<br />
παρουσίασαν τα τεκτενόμενα στο διεθνή χώρο.<br />
Η μικρή αυτή αναδρομή αφιερώνεται σε εκείνους που δεν είναι πια ανάμεσά μας, και<br />
που η ενεργή υποστήριξή και παρουσία τους στα συνέδριά μας άφησε την υπογραφή<br />
τους.<br />
Σημείωση Η ιστορική αυτή αναδρομή ήταν αρχικά να παρουσιαστεί στο ΧΧ<br />
συνέδριο των Ιωαννίνων. Δυστυχώς όμως αυτό δεν έγινε λόγω της απώλειας του<br />
εκλεκτού συναδέλφου Βασίλη Παπαευθυμίου που ήταν και ο πρόεδρος της<br />
οργανωτικής επιτροπής αυτού του συνεδρίου.<br />
Ελένη Γκάμαρη-Seale
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ<br />
Επιτροπές…………………………………………………………………………….……i<br />
Χορηγοί…………………………………………………………………………………...ii<br />
Πρόγραμμα……………………………………………………………………………….iii<br />
Ανοιχτή Συνεδρία: Συμπυκνωμένη Ύλη και Τεχνολογία…………………………………..1<br />
1 η Προφορική Συνεδρία: Ημιαγώγιμα Υλικά και Διατάξεις……………………………….3<br />
2 η Προφορική Συνεδρία: Ημιαγώγιμα Υλικά και Διατάξεις……………….……………..14<br />
1 η Συνεδρία Αφίσας: Ημιαγώγιμα Υλικά και Διατάξεις………………………………….27<br />
1 η Συνεδρία Αφίσας: Συστήματα με Ισχυρές Συσχετίσεις………………….……………..88<br />
3 η Προφορική Συνεδρία: Συστήματα με Ισχυρές Συσχετίσεις…………………………...120<br />
4 η Προφορική Συνεδρία: Συστήματα με Ισχυρές Συσχετίσεις…………………………...132<br />
5 η Προφορική Συνεδρία: Μη Συμβατικά Νανοδομημένα και Άμορφα Υλικά………….. 145<br />
2 η Συνεδρία Αφίσας: Μη Συμβατικά Νανοδομημένα και Άμορφα Υλικά…………… 158<br />
6 η Προφορική Συνεδρία Μη Συμβατικά Νανοδομημένα και Άμορφα Υλικά……………244<br />
7 η Προφορική Συνεδρία Μη Συμβατικά Νανοδομημένα και Άμορφα Υλικά……………256<br />
Ευρετήριο Συγγραφέων (Ελληνικό)……………………………………………………266<br />
Ευρετήριο Συγγραφέων (Λατινικό)……………………………………... …………….269
ΕΠΙΤΡΟΠΕΣ<br />
Οργανωτική Επιτροπή<br />
Πρόεδρος Γκάμαρη-Seale E. (E.K.E.Φ.E «Δημόκριτος»)<br />
Γραμματέας Βαλαμόντες Ε. (Τ.Ε.Ι. ΑΘΗΝΑΣ)<br />
Ταμίας Γιαννακόπουλος Κ. (Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος»)<br />
Μέλη<br />
Γαρδέλης Σ. (E.K.E.Φ.E «Δημόκριτος»)<br />
Καλαμιώτου Μ. (Ε.Κ.Π.Α.)<br />
Λιαροκάπης Ε. (Ε.Μ.Π.)<br />
Νικολαίδης Γ. (Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ)<br />
Πίσπας Σ. (Ε.Ι.Ε.)<br />
Πίσσας Μ. (Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. "Δημόκριτος")<br />
Στεφάνου Ν. (Ε.Κ.Π.Α.)<br />
Εθνική Συμβουλευτική Επιτροπή<br />
Γιαπιντζάκης Ι. (Π. Κύπρου)<br />
Ευθυμίου Π. (Ε.Κ.Π.Α.)<br />
Ζδέτσης Α. (Π. Π.)<br />
Ζώτος Ξ. (Π. Κ.)<br />
Καλογήρου Ο. (Α.Π.Θ.)<br />
Καμαράτος Μ. (Π. Ι..)<br />
Καμίτσος Ε. (Ε.Ι.Ε.)<br />
Κέννου Σ. (Π.Π.)<br />
Καρακώστας Θ. (Α.Π.Θ.)<br />
Κουρούκλης Γ. (Α.Π.Θ.)<br />
Λόντος Χ. (Ε.Κ.Π.Α.)<br />
Μπάκας Θ. (Π. Ι.)<br />
Νασιοπούλου Α. (Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. "Δημόκριτος")<br />
Οικονόμου Ε. (Π.Κ.)<br />
Παλούρα Ε. (Α.Π.Θ.)<br />
Παπαβασιλείου Γ. (Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. "Δημόκριτος")<br />
Πίσσης Π. (Ε.Μ.Π.)<br />
Πολίτης Κ. (Π. Π.)<br />
Ράπτης Κ. (Ε.Μ.Π.)<br />
Ρούτση Χ. (Δ.Π.Θ.)<br />
Ρούτση Χ. (Δ.Π.Θ.)<br />
Σεμιτέλου Ι. (Δ.Π.Θ.)<br />
Χριστοφίδης Κ. (Π. Κύπρου)<br />
i
Χορηγοί<br />
ΕΚΕΦΕ «ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ»<br />
ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΑΣ<br />
ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝEΙΟ<br />
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠAIΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΑΘΗΝΑΣ<br />
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠAIΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΙΡΑΙΑ<br />
ΜΑLVA A.E.<br />
INTERACTIVE A.E.<br />
Ν. ΑΣΤΕΡΙΑΔΗΣ Α.Ε.<br />
ii
ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΥΝΕΔΡΙΟΥ<br />
Κυριακή, 23 Σεπτεμβρίου 2007<br />
Πολιτιστικό Κέντρο-Εντευκτήριο ΕΚΠΑ<br />
19:30 Έναρξη Εγγραφών-Δεξίωση<br />
Υποδοχής<br />
Δευτέρα, 24 Σεπτεμβρίου 2007<br />
Συνεδριακό Κέντρο<br />
ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος»<br />
Ανοιχτή Συνεδρία<br />
«Συμπυκνωμένη Ύλη και Τεχνολογία»<br />
Πρόεδρος: Γ. Παπαβασιλείου<br />
9:00<br />
9:30<br />
Προσφωνήσεις - Έναρξη εργασιών<br />
Συμπυκνωμένη ύλη και τεχνολογική<br />
πρόοδος<br />
Ε.Ν. Οικονόμου<br />
13:10<br />
13:25<br />
13:40<br />
neighbour distances: An EXAFS study<br />
M. Κatsikini, F. Pinakidou, E.C.<br />
Paloura, Ph. Komninou, E. Dimakis, and<br />
A. Georgakilas<br />
Successive layer charging of Si<br />
nanocrystals in a double-layer<br />
nanocrystal structure within SiO 2<br />
M. Theodoropoulou, A. Salonidou, and<br />
A.G. Nassiopoulou<br />
Φασματοσκοπική μελέτη διεπιφανειών<br />
υπέρλεπτων υμενίων φθαλοκυανίνης<br />
κοβαλτίου με ανόργανα υποστρώματα<br />
Φ. Πετράκη και Σ. Κέννου<br />
Μεσημβρινή διακοπή<br />
2 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Ημιαγώγιμα Υλικά & Διατάξεις»<br />
Πρόεδρος: Σ. Κέννου<br />
10:15<br />
10:55<br />
11:10<br />
Νανοϋλικά για παραγωγή και<br />
αποθήκευση ενέργειας<br />
Δ. Νιάρχος<br />
Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Κύπρου:<br />
Αναγκαιότητα, σχεδιασμός ανάπτυξης<br />
και προοπτικές<br />
Π. Κελίρης<br />
Διάλειμμα<br />
1 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Ημιαγώγιμα Υλικά & Διατάξεις»<br />
Πρόεδρος: Χ. Λόντος<br />
15:00<br />
15:15<br />
Εντοπισμός φορέων σε InGaN/GaN<br />
κβαντικά φρέατα φωτοδιόδων<br />
ανεπτυγμένων με MOCVD<br />
S.-L. Sahonta, Φ. Κομνηνού, Γ.Π.<br />
Δημητρακόπουλος, Ι. Κιοσέογλου, Θ.<br />
Κεχαγιάς, Θ. Καρακώστας, C. Salcianu,<br />
and E.J. Thrush<br />
Παρασκευή και χαρακτηρισμός λεπτών<br />
υμενίων ZnN με τη μέθοδο του R.F.<br />
magnetron sputtering<br />
Β. Καμπυλαυκά, Π. Βουλγαροπούλου, Σ.<br />
Ντούνης, Μ. Ανδρουλιδάκη, M. Ružinský,<br />
V. Šály, P. Prokein Ζ. Βισκαδουράκης,<br />
και Η. Απεραθίτης<br />
11:30<br />
12:10<br />
12:25<br />
New materials and MOS device<br />
concepts for future Si nanoelectronics<br />
S. Mantl<br />
Non-radiative energy transfer in hybrid<br />
organic-inorganic semiconductor<br />
structures<br />
G. Itskos, C. Belton, M.D. Dawson, I.M.<br />
Watson, R. Murray, and D.D.C. Bradley<br />
Reliability characteristics of rare earth<br />
oxides and their gate stacks on<br />
germanium substrate<br />
M.S. Rahman, E.K. Evangelou, I.I.<br />
Androulidakis, S. Galata, G. Mavrou, A.<br />
Dimoulas, and D.F. Anagnostopoulos<br />
15:30<br />
15:45<br />
16:00<br />
Electrical spin injection from Fe into<br />
silicon<br />
G. Kioseoglou, A.T. Hanbicki, C.H. Li,<br />
P.E. Thompson, and B.T. Jonker<br />
Εμφάνιση σιδηρομαγνητικών ιδιοτήτων<br />
σε ημιαγώγιμα οξείδια του τύπου In 2 O 3<br />
με προσμίξεις Fe και Mn<br />
Α. Π. Δούβαλης, L. Jankovic, και Θ.<br />
Μπάκας<br />
Electrical spin injection of spinpolarized<br />
electrons into InAs QDs from<br />
Fe contacts<br />
A. Petrou, M. Yasar, M. Diaz-Avila, G.<br />
Kioseoglou, C.H. Li, and B.T. Jonker<br />
12:40<br />
12:55<br />
Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός<br />
νανοραβδίων ZnO<br />
Ν. Μπούκος, Χ. Χανδρινού, Χ. Στόγιος,<br />
Κ. Γιαννακόπουλος, και Α. Τραυλός<br />
Effect of strain on the InN nearest<br />
16:15<br />
Charge storage into metallic<br />
nanoparticles<br />
E. Verrelli, D. Tsoukalas, K.<br />
Giannakopoulos, D. Kouvatsos, P.<br />
Normand, and D.E. Ioannou<br />
iii
16:30<br />
16:45<br />
17:00<br />
Transistor επίδρασης πεδίου με λεπτό<br />
υμένιο ZnO ως ενεργό υλικό για<br />
εφαρμογές χημικών αισθητήρων<br />
Φ. Φαρμάκης, Α. Σπηλιώτης, Κ.<br />
Αλεξάνδρου, Χ. Τσάμης, Μ. Κομπίτσας,<br />
και Ι. Φασάκη<br />
Προσομοίωση, ταυτοποίηση σχημάτων<br />
και μετρολογία στη λιθογραφία<br />
ηλεκτρονικής δέσμης<br />
N. Τσικρίκας, Γ.Π. Πάτσης, και Ι. Ράπτης<br />
Διάλειμμα<br />
1 η Συνεδρία Αφίσας<br />
«Ημιαγώγιμα Υλικά & Διατάξεις»<br />
και «Συστήματα με Ισχυρές<br />
Συσχετίσεις»<br />
Συντονιστές: Α. Νασιοπούλου και Α.<br />
Ανδριώτης<br />
17:20<br />
17:40<br />
Παρουσίαση Αφισών από τους<br />
Συντονιστές<br />
Έναρξη Συνεδρίας<br />
1. Μελέτη ατελειών σε ακτινοβολημένο πυρίτιο<br />
ντοπαρισμένο με γερμάνιο με τη μέθοδο της<br />
υπέρυθρης φασματοσκοπίας<br />
X.A. Λόντος, A. Aνδριανάκης, Δ. Aλιπράντης, και<br />
E.N. Σγούρου<br />
2. Facet-stress-driven ordering in SiGe nanoislands<br />
G.E. Vantarakis, I.N. Remediakis, and P.C. Kelires<br />
3. Νανοκρυσταλλίτες Si σε υπέρλεπτα υμένια<br />
ανεπτυγμένα κατά τα πρώτα στάδια ανοδίωσης<br />
κρυσταλλικού πυριτίου: Μελέτη της δομής και των<br />
οπτικών τους ιδιοτήτων<br />
Σ. Γαρδέλης, Α.Γ. Νασιοπούλου, Ι. Tσιαούσης, και Ν.<br />
Φράγκης<br />
4. Λεπτά υμένια νανοκρυσταλλικού πυριτίου σε<br />
υπόστρωμα χαλαζία με κβαντικές ιδιότητες<br />
Χ.Β. Λιούτας, Ν. Βουρουτζής, Ι. Τσιαούσης, Ν.<br />
Φράγκης, και Α.Γ. Νασιοπούλου<br />
5. Εμφύτευση ιόντων As σε λεπτά υμένια<br />
πολυκρυσταλλικού πυριτίου ανεπτυγμένα σε<br />
υπόστρωμα χαλαζία<br />
Χ.Β. Λιούτας, Ν. Βουρουτζής, Ι. Τσιαούσης, Ν.<br />
Φράγκης, και Α.Γ. Νασιοπούλου<br />
6. Τεχνολογία ανάπτυξης διατεταγμένων δομών στο<br />
Si για φωτονικές εφαρμογές μέσω λεπτών υμενίων<br />
αυτο-οργανούμενης πορώδους αλουμίνας<br />
Φ. Ζαχαράτος, Β. Γιαννέτα, και Α.Γ. Νασιοπούλου<br />
7. Μελέτη της σκέδασης Raman από τα φωνόνια<br />
της υπερδομής (GaAs) 8 /(AlAs) 8 (001) με αταξία<br />
στις διεπιφάνειες<br />
Δ. Mπερδέκας και Σ. Βες<br />
8. Μελέτη των τρόπων ταλάντωσης των υπερδομών<br />
GaSb/AlSb (001)<br />
Δ. Mπερδέκας<br />
9. Μελέτη της Επίδρασης Ιονίζουσας Ακτινοβολίας<br />
Σωματίων α σε δομές με διπλό φραγμό<br />
AlGaAs/GaAs/AlGaAs<br />
Π. Γεωργακάκος, Γ.Ι. Παπαϊωάννου, Γ.<br />
Κωνσταντινίδης, και Ζ. Χατζόπουλος<br />
10. Annealing-induced dissociation of N 2 formed in<br />
indium-implanted GaN<br />
M. Katsikini, E.C. Paloura, F. Boscherini, E.<br />
Wendler, and W. Wesch<br />
11. Εναπόθεση με παλμικό laser λεπτών υμενίων<br />
ZnO και Al:ZnO με ελεγχόμενες ιδιότητες<br />
Μ. Βάρδα, Ε.Λ. Παπαδοπούλου, Κ. Κουρούπης-<br />
Αγάλου, G. Huyberechts, E. Chikoidze, Μ.<br />
Ανδρουλιδάκη, και Η. Απεραθίτης<br />
12. Μελέτη της χημείας των διαλυμάτων μοριακών<br />
ενώσεων μετάλλων–χαλκογονιδίων με<br />
φασματομετρία μάζας ηλεκτροψεκασμού<br />
Α. Φιλιππίδης , Σ.Α. Περγαντής, και Π.Ν. Τρικαλίτης<br />
13. Ανάπτυξη νέων μεσοδομημένων ημιαγώγιμων<br />
στερεών από υδατικά διαλύματα<br />
Ν.Κ. Τσαμουρτζή και Ν.Π. Τρικαλίτης<br />
14. Application of thermal quadrupoles method for<br />
modeling of AC impendence in thermoelectric<br />
elements<br />
D. Georgakaki, E. Hatzikraniotis, J. Samaras, O. G.<br />
Ziogos, and K. M. Paraskevopoulos<br />
15. Στοχαστική προσομοίωση της διάλυσης<br />
φωτοευαίσθητων υλικών με εφαρμογές στη<br />
μικροηλεκτρονική<br />
Δ. Δρυγιαννάκης, Γ.Π. Πάτσης, Ι. Ράπτης, και Α.Γ.<br />
Μπουντουβής<br />
16. Νανοτραχύτητα κατά την εγχάραξη με πλάσμα<br />
επιφανειών Si και πολυμερών: Θεωρία, πείραμα και<br />
εφαρμογές<br />
Μ. Βλαχοπούλου, Ν. Βούρδας, Γ. Κόκκορης, Β.<br />
Κωνσταντούδης, Γ. Μπουλούσης, Α. Τσερέπη, και Ε.<br />
Γογγολίδης<br />
17. Ευαισθησία και διακριτική ικανότητα της<br />
τεχνικής SXRF εντός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου<br />
σάρωσης για την ανάλυση πολύ λεπτών υμενίων.<br />
Ε. Βαλαμόντες και Κ. Νομικός<br />
18. Optical properties of CuIn 1-x Ga x Se 2 quaternary<br />
alloys<br />
S. Theodoropoulou, D. Papadimitriou, K. Anestou,<br />
Ch. Cobet, and N. Esser<br />
19. Ανόπτηση SiC με λέιζερ και χαρακτηρισμός<br />
οπτικών ιδιοτήτων<br />
Χ. Μπουτόπουλος, Π. Τερζής, Α.Γ. Κόντος, Κ.<br />
Ζεκεντές, Ι.Σ. Ράπτης, και Ι. Ζεργιώτη<br />
20. Φασματοσκοπία διφωτονικής απορρόφησης<br />
συζυγιακών-ημιαγώγιμων ενώσεων παράγωγων του<br />
φλουορενίου και καρβαζολίου<br />
Ι. Φυτίλης, Μ. Φακής, Ι. Πολύζος, Π. Περσεφόνης,<br />
Β. Γιαννέτας, Π. Βελλής, και Ι. Μικρογιαννίδης<br />
iv
21. Οργανικά τρανζίστορ με χρήση υδατοδιαλυτών<br />
φθαλοκυανινών μετάλλων ως ενεργό κανάλι<br />
Γ. Χαϊδόγιαννος, Φ. Πετράκη, Ν. Γλέζος, Σ. Κέννου,<br />
και S. Nešpůrek<br />
22. Επίδραση της θερµικής οξείδωσης στα<br />
ηλεκτρικά χαρακτηριστικά πυκνωτών μετάλλου –<br />
οξειδίου – ηµιαγωγού σε υποστρώµατα πυριτίου<br />
υπό μηχανική τάση<br />
Ν. Κελαϊδής, Δ. Σκαρλάτος, και Χ. Τσάµης<br />
23. The effect of sub-boundaries on the performance<br />
and reliability of novel SLS ELA polysilicon TFTs<br />
M.A. Exarchos, D.C. Moschou, D.N. Kouvatsos,<br />
G.J. Papaioannou, and A.T. Voutsas<br />
24. Degradation at the back polysilicon interface<br />
during hot carrier stress in double gate polysilicon<br />
TFTs<br />
G.P. Kontogiannopoulos, F.V. Farmakis, D.N.<br />
Kouvatsos, and A.T. Voutsas<br />
25. Μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων διατάξεων<br />
TFT δομημένων σε SLS υμένια πολυκρυσταλλικού<br />
πυριτίου<br />
Λ. Μιχαλάς, Γ.Ι. Παπαϊωάννου, Δ.Ν. Κουβάτσος, και<br />
Α.Τ. Βουτσάς<br />
26. Stress and performance characteristics of novel<br />
polysilicon TFTs<br />
D.C. Moschou, M.A. Exarchos, D.N. Kouvatsos,<br />
G.J. Papaioannou, and A.T. Voutsas<br />
27. Fabrication of a MOS memory device<br />
containing metal nanoparticles and a high-k control<br />
oxide layer<br />
Ch. Sargentis, K. Giannakopoulos, A. Travlos, and<br />
D. Tsamakis<br />
28. Εκτίμηση του φαινομένου φόρτισης του<br />
διηλεκτρικού διατάξεων RF MEMS υπό την<br />
επίδραση ιονίζουσας ηλεκτρομαγνητικής<br />
ακτινοβολίας<br />
Β. Θεωνάς, Γ.Ι. Παπαϊωάννου, Γ. Κωνσταντινίδης,<br />
και Ι. Παπαπολυμέρου<br />
29. Κατασκευή και χαρακτηρισμός αισθητήρα<br />
θέσης με συνδυασμό τεχνολογιών μικρομηχανικής<br />
και τυπωμένων κυκλωμάτων<br />
Α. Πετρόπουλος, Γ. Καλτσάς, και Α. Γ. Νασιοπούλου<br />
30. Θερμικοί αισθητήρες ροής ολοκληρωμένοι σε<br />
οργανικά υποστρώματα<br />
Α. Πετρόπουλος, Γ. Καλτσάς, και Α.Γ. Νασιοπούλου<br />
31. Βελτιστοποίηση της εξωτερικής απόδοσης<br />
οργανικών διόδων εκπομπής φωτός (OLEDs) με<br />
χρήση θεωρητικού μοντέλου<br />
Α. Κορρές, Ν. Σταθόπουλος, Π. Αργείτης, και Μ.<br />
Βασιλοπούλου<br />
32. Σύστημα ηλεκτροπτικού χαρακτηρισμού<br />
οργανικών διόδων εκπομπής φωτός (OLEDs)<br />
Α. Μποτσιαλάς, Ν. Σταθόπουλος, Π. Αργείτης, και<br />
Μ. Βασιλοπούλου<br />
33. Μελέτη των μηχανισμών αγωγιμότητας του<br />
LiCuVO 4 με φασματοσκοπία σύνθετης αντίστασης<br />
Α. Καζακόπουλος και Ο. Καλογήρου<br />
34. Ανάπτυξη και μελέτη διαμεταλλικών ενώσεων<br />
Gd-Fe-Nb-Zr<br />
Χ. Σαραφίδης, N. Scheloudko, Χ. Σερλέτης, Κ.Γ.<br />
Ευθυμιάδης, Α. Κωτούλας, Μ. Γκιόκα, και Ο.<br />
Καλογήρου<br />
35. Structure and magnetic properties of<br />
Pr(Fe,Co,Ti,Cu,Zr) 9.66<br />
melt-spun nanostructured<br />
alloys<br />
M. Gjoka, D. Niarchos, C. Sarafidis, O. Kalogirou,<br />
M. Grigoras, N. Lupu and H. Chiriac<br />
36. Δομή και μαγνητικές ιδιότητες του περοβσκίτη<br />
La 0.7 Ba 0.3 CoO 3<br />
Ε. Γκάμαρη-Seale, A. Sazonov, Κ.Λ. Στεφανόπουλος,<br />
και V. Simolensko<br />
37. Μετρήσεις ειδικής θερμότητας σε<br />
μονοκρυστάλλους La 1-x Ca x MnO 3<br />
Ν. Πανόπουλος, Γ. Παπαβασιλείου, και Μ. Πίσσας<br />
38. Raman study of β-Sr 0.33 V 2 O 5 micro-crystals<br />
under variable temperature and pressure<br />
A.G. Kontos, D. Lampakis, Y.S. Raptis, E.<br />
Liarokapis, Z.V. Popović , M. Isobe, and Y. Ueda<br />
39. Μαγνητικές ιδιότητες νανοσωλήνων άνθρακα<br />
εμπλουτισμένων με βόριο<br />
Β. Λυκοδήμος, Σ. Γλένης, and C.L. Lin<br />
40. Eπίδραση των παραμέτρων σύνθεσης σε<br />
δομικές ιδιότητες νανοσωματιδίων Μn-Pt<br />
Σ. Μoυρδικούδης, A. Shavel, K. Simeonidis, M.<br />
Angelakeris, O. Kalogirou, and L. Liz-Marzan<br />
41. Synthesis, characterization and magnetic<br />
properties of ZnFe 2 O 4 and In-doped ZnFe 2 O 4<br />
nanoparticles<br />
M. Maletin, E.G. Moshopoulou, A.G. Kontos, E.<br />
Devlin, and V.V. Srdic<br />
42. Μελέτη του φαινομένου παίδευσης σε<br />
νανοσωματίδια με μορφολογία πυρήνα/φλοιού<br />
Μ. Βασιλακάκη και Κ. Τροχίδου<br />
43. Νέοι εξαφερίτες Ba με υποκατάσταση Dy για<br />
εφαρμογές μονίμων μαγνητών<br />
Γ. Λιτσαρδάκης, Ι. Μανωλάκης, Α. Στεργίου, Χ.<br />
Σερλέτης, και Κ.Γ. Ευθυμιάδης<br />
44. Crystal structure of a new supramolecular<br />
copper(I) complex (μ-isothiocyanato)-(2-<br />
pyridinecarboxaldehydebenzoylhydrazonato)<br />
copper(I)<br />
D.G. Paschalidis, Ch. Batistakis, Y. Gan, Ch.J.<br />
Cardin, and C.A. Kavounis<br />
45. Magnetic phase transition in synthetic cobaltolivine<br />
A.P. Sazonov, M. Meven, V. Hutanu, G. Heger, M.<br />
Merz, V.V. Sikolenko<br />
v
46. Συσχέτιση πλαστικής παραμόρφωσης και<br />
μαγνήτισης σε φερρομαγνητικούς χάλυβες<br />
Κ. Κοσμάς, P. Svec, και Ε. Χριστοφόρου<br />
47. Μετασχηματισμοί φάσης σε άμορφες<br />
μεταλλικές ταινίες finemet ενισχυμένες με Co<br />
Θ. Παπαϊωάννου, P. Svec, D. Jani<br />
11:10 Διάλειμμα<br />
4 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Συστήματα με Ισχυρές Συσχετίσεις»<br />
Πρόεδρος: Δ. Νιάρχος<br />
48. Μελέτη της επίδρασης της παρατεταμένης<br />
θέρμανσης στη μικροδομή<br />
(Ni 0.3 Zn 0.63 Cu 0.07 Fe 1.93 O 4 ) με ηλεκτρονική<br />
μικροσκοπία διέλευσης<br />
Δ. Σακελλάρη, Β. Τσακαλούδη, Β. Ζασπάλης, και<br />
Ε.Κ. Πολυχρονιάδης<br />
49. Resonant spin transfer torque in double barrier<br />
magnetic tunnel junctions<br />
I. Theodonis, A. Kalitsov, and N. Kioussis<br />
19:30 Λήξη Συνεδρίας<br />
Τρίτη, 25 Σεπτεμβρίου 2007<br />
Συνεδριακό Κέντρο<br />
ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος»<br />
3 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Συστήματα με Ισχυρές Συσχετίσεις»<br />
Πρόεδρος: Ε.Ν. Οικονόμου<br />
9:00<br />
9:40<br />
9:55<br />
Room temperature doped ferromagnetic<br />
oxides: A current scenario towards<br />
magnetic p-n junctions<br />
K.V. Rao<br />
Bias dependence of spin transfer torque<br />
in magnetic tunnel junctions<br />
I. Theodonis, N. Kioussis, A. Kalitsov,<br />
M. Chshiev, and W.H. Butler<br />
Αντισυμμετρική ανταλλαγή σε μοριακά<br />
μαγνητικά υλικά<br />
Ι. Σανάκης, Α. Μπούνταλης, Α.<br />
Ραπτοπούλου, Β. Ψυχάρης, και Σ.<br />
Περλεπές<br />
11:30<br />
12:10<br />
12:25<br />
12:40<br />
12:55<br />
13:10<br />
13:25<br />
13:40<br />
Combining magnetism and<br />
ferroelectricity in novel electromagnets<br />
D.N. Argyriou<br />
Μελέτη των ενδοεπιφανειακών τάσεων<br />
σε λεπτά υμένια μαγγανιτών<br />
Α. Αντωνάκος, Ε. Λιαροκάπης, G.H.<br />
Aydogdu, H.-U. Habermeier<br />
A low-T study of the 3d random-field<br />
Ising model: The critical disorder<br />
strength<br />
N.G. Fytas and A. Malakis<br />
Μελέτη Raman του κρυστάλλου ErPO 4<br />
υπό μεταβλητή υδροστατική πίεση<br />
Α.Γ. Κόντος, Ε. Σταύρου, Ε. Σαλπέα, Ι.<br />
Ράπτης, και Κ. Ράπτης<br />
Παραβίαση της συμμετρίας αντιστροφής<br />
στις υπεραγώγιμες συγκεντρώσεις του<br />
La 2-x Sr x CuO 4<br />
Ε. Σιρανίδη, Δ. Λαμπάκης, Ε.<br />
Λιαροκάπης, X. Παναγόπουλος, και Κ.<br />
Conder<br />
Αλληλεπίδραση συμπυκνώματος Bose-<br />
Einstein με θερμικό νέφος: Θεωρητική<br />
περιγραφή, ιδιότητες & εφαρμογές<br />
Ν.Π. Προυκάκης, B. Jackson, C.F.<br />
Barenghi, and H.T.C. Stoof<br />
Γένεση, δυναμική και έλεγχος<br />
σολιτονίων σε συμπυκνώματα Bose-<br />
Einstein<br />
Δ. Φραντζεσκάκης<br />
Μεσημβρινή διακοπή<br />
10:10<br />
10:25<br />
10:40<br />
10:55<br />
Υπολογισμός υψηλής θερμοκρασίας<br />
Curie σε bcc Co και σε κράματα FeCo<br />
Φ. Μαυρόπουλος, M. Ležaić, and S.<br />
Blügel<br />
Linear relationship between melting and<br />
Curie temperatures in Ni-clusters<br />
A.N. Andriotis, Z.G. Fthenakis, and M.<br />
Menon<br />
Μαγνητικά νανοσωματίδια με<br />
διαμόρφωση πυρήνα-φλοιού<br />
Κ. Συμεωνίδης, Σ. Μουρδικούδης, Ι.<br />
Τσιαούσης, Κ. Δενδρινού-Σαμαρά, Μ.<br />
Αγγελακέρης, και Ο. Καλογήρου<br />
Επίδραση των διασωµατιδιακών<br />
αλληλεπιδράσεων σε συλλογές<br />
συνθέτων νανοσωµατιδίων<br />
Δ. Κεχράκος και Κ. Ν. Τροχίδου<br />
5 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Μη Συμβατικά Νανοδομημένα και<br />
Άμορφα Υλικά»<br />
Πρόεδρος: Π. Πίσσης<br />
15:00<br />
15:15<br />
The influence of the macromolecular<br />
architecture on the micellization in block<br />
copolymer/homopolymer blends<br />
E. Pavlopoulou, K. Chrissopoulou, S.H.<br />
Anastasiadis, G. Portale, H. Iatrou, S.<br />
Pispas, and N. Hadjichristidis<br />
Αυτο-οργάνωση και μοριακή δυναμική<br />
δενδριμερών πολυφαινυλενίων<br />
τροποποιημένα με πεπτίδια<br />
Α. Γίτσας, Π. Παπαδόπουλος, Γ.<br />
Φλούδας, M. Mondeshki, H.W. Spiess,<br />
και K. Müllen<br />
vi
15:30<br />
15:45<br />
16:00<br />
16:15<br />
16:30<br />
16:45<br />
17:00<br />
Viscoelastic response of micelles with<br />
chemically cross-linked cores<br />
A. Pamvouxoglou, E. van Ruymbeke, G.<br />
Petekidis, D. Vlassopoulos, G.<br />
Mountrichas, and S. Pispas<br />
Διηλεκτρική απόκριση σύνθετων υλικών<br />
εποξειδικής ρητίνης- ZnO<br />
Α.Λ. Σουλιντζής , Γ.Α. Κόντος, Π.K.<br />
Kαραχάλιου, Γ.Χ. Ψαρράς, Σ.N. Γεωργά,<br />
Χ.A. Kροντηράς, και Μ.Ν. Πιζάνιας<br />
Two-dimensional supramolecular<br />
organisation of core-shell nanoparticles.<br />
A computer simulation study.<br />
G. Tritsaris, A.G. Vanakaras<br />
Light - induced reversible hydrophilicity<br />
of hydrothermally grown TiO 2 films<br />
D. Vernardou, E. Stratakis, G.<br />
Kenanakis, H.M. Yates, S. Couris, M.E.<br />
Pemble, E. Koudoumas, and N.<br />
Katsarakis<br />
Μελέτη λεπτών υμενίων MgCl πάνω<br />
στην αναδομημένη επιφάνεια<br />
Si(111)7x7 με επιφανειακά ευαίσθητες<br />
τεχνικές<br />
Σ. Καράκαλος, Σ. Λαδάς, Α. Σιώκου, Β.<br />
Δρακόπουλος, M. Skoda, V. Nehasil, V.<br />
Matolin, F. Sutara, T. Skala, and K.<br />
Prince<br />
Ba adsorption on an oxygen<br />
chemisorbed O(2×1)/Ni(110) surface<br />
D. Vlachos, S.D. Foulias, and M.<br />
Kamaratos<br />
Διάλειμμα<br />
Α. Γίτσας, Γ. Φλούδας, M. Dietz, M. Mondeshki,<br />
H.W. Spiess και G. Wegner<br />
5. Επίδραση της τοπολογίας στην αυτο-οργάνωση<br />
και τη δυναμική αστεροειδών συμπολυμερών<br />
πεπτιδίων<br />
Α. Γίτσας, Γ. Φλούδας, M. Mondeshki, H.W. Spiess,<br />
Ε. Ιατρού, και Ν. Χατζηχρηστίδης<br />
6. Σύνθεση πολυμερών συναρμογής του τετραθειοτερεφθαλικού<br />
διανιόντος<br />
Ε. Νεοφώτιστου και Π. Τρικαλίτης<br />
7. Atomistic molecular dynamics simulations of<br />
dendrimers and their complexes with linear<br />
polyelectrolytes<br />
I. Tanis and K. Karatasos<br />
8. Σχέση μεταξύ μορφολογίας και ηλεκτρικών<br />
ιδιοτήτων νανοσύνθετων υλικών PP/PPy/MMT<br />
Χ. Ζώης, Ε. Λογκάκης, Χ. Πανδής, Π. Πίσσης, Λ.<br />
Απέκης, M. Mravčáková, και M. Omastová<br />
9. Νανοϋβρίδια πολυμερούς–ανοργάνου : Μελέτη<br />
δομής και δυναμικής σε περιορισμένη γεωμετρία<br />
Σ. Φωτιάδου, Κ. Χρυσοπούλου, Σ.Χ. Αναστασιάδης,<br />
Κ. Ανδρικόπουλος, Δ. Χριστόφιλος, Γ. Κουρούκλης,<br />
and Β. Fric<br />
10. Hybrid materials from giant compound block<br />
copolymer micelles encapsulating gold<br />
nanoparticles<br />
C. Mantzaridis and S. Pispas<br />
11. Nonlinear optical response of hybrid block<br />
copolymer micelles encapsulating metal<br />
nanoparticles<br />
A. Meristoudi, S. Pispas, N. Vainos, K. Iliopoulos,<br />
and S. Couris<br />
2 η Συνεδρία Αφίσας<br />
«Μη Συμβατικά Νανοδομημένα και<br />
Άμορφα Υλικά»<br />
Συντονιστές: Π. Κελίρης και Σ. Πίσπας<br />
17:20<br />
17:40<br />
Παρουσίαση Αφισών από τους<br />
Συντονιστές<br />
Έναρξη Συνεδρίας<br />
1. Synthesis of polymer brushes onto inorganic<br />
nanoparticles<br />
D. S. Achilleos and M. Vamvakaki<br />
2. Conformational properties of dendritic<br />
homopolymers with interacting branching points<br />
P. Efthymiopoulos and M. Kosmas<br />
3. Structure and dynamics of branched hexaalkyl<br />
and functionalized hexa-peri-hexabenzocoronenes<br />
M.M. Elmahdy, G. Floudas, X. Doo, and K. Müllen<br />
4. Δομή και δυναμική συμπολυμερών γ-μεθυλ-Lγλουταμινικού<br />
οξέος-και-γ-στεαρυλο-Lγλουταμινικού<br />
οξέος<br />
12. Μελέτη του μηχανισµού θερµικής διάσπασης<br />
του πολυ(τερεφθαλικού αιθυλενεστέρα) (ΡΕΤ)<br />
ενισχυµένου µε νανοσωµατίδια SiO 2<br />
Γ. Αντωνιάδης, Κ. Χρυσάφης, Κ.Μ.<br />
Παρασκευόπουλος, A. Βασιλείου, και Δ. Μπικιάρης<br />
13. Υπολογισμός παραμέτρων της μεθόδου ισχυρής<br />
δέσμευσης για τη μοντελοποίηση μεταφοράς<br />
ηλεκτρικού φορτίου στο DNA.<br />
L.K. Hawke, G. Kalosakas, and C. Simserides<br />
14. Bioactive glass/nanodiamonds system produced<br />
by the sol-gel technique: Study of bioactive<br />
behaviour<br />
O.M. Goudouri, S. Stavrev, X. Chatzistavrou, N.<br />
Kantiranis, T. Zorba, P. Koidis, and K.M.<br />
Paraskevopoulos<br />
15. Energy loss rates of hot electrons in<br />
semiconducting carbon nanotubes<br />
M. Tsaousidou<br />
16. Σύνθεση και χαρακτηρισμός διαλυμάτων<br />
τροποποιημένων νανοσωλήνων άνθρακα μέσω<br />
προσρόφησης μακρομορίων πρωτεϊνικής φύσης<br />
Ε. Γούναρη, Ε. Καρούτσος, και Δ. Τάσης<br />
vii
17. Επίδραση υψηλών πιέσεων στο φάσμα Raman<br />
2 ης τάξης νανοσωλήνων άνθρακα απλού και διπλού<br />
τοιχώματος<br />
Κ. Παπαγγελής, Ι. Αρβανιτίδης, Δ. Χριστόφιλος, Κ.Σ.<br />
Ανδρικόπουλος, Σ. Βες , και Γ.Α. Κουρούκλης<br />
18. Υδατοδιαλυτοί νανοσωλήνες άνθρακα μέσω<br />
διεργασιών οξειδο-αναγωγικού ριζικού<br />
πολυμερισμού<br />
Σ. Παπάζογλου, Δ. Λάμπου, Γ. Κανδυλιώτη, Δ.<br />
Τάσης, και Κ. Παπαγγελής<br />
19. Nανοσυνθέτα εποξειδικής ρητίνης με υψηλού<br />
ογκομετρικού κλάσματος τροποποιημένους<br />
νανοσωλήνες άνθρακα ως ενίσχυση<br />
Δ. Καστάνης, Ι. Παρθένιος, Δ. Τάσης, Κ.<br />
Παπαγγελής, και Κ. Γαλιώτης<br />
20. Pillared graphites – A new 3D network<br />
nanostructure for enhanced hydrogen storage<br />
G.K. Dimitrakakis, E. Tylianakis, and G.E.<br />
Froudakis<br />
21. Grand canonical Monte Carlo method for<br />
predicting hydrogen adsorption<br />
E. Tyllianakis, E. Klontzas, G.K. Dimitrakakis, G.<br />
Mpourmpakis, and G.E. Frοudakis<br />
22. Θεωρητική μελέτη αποθήκευσης υδρογόνου στα<br />
υπερνανοπορώδη υλικά της οικογένειας IRMOF<br />
Ε. Κλώντζας και Γ.Ε. Φρουδάκης<br />
23. Μορφοποιημένα λεπτά μεταλλικά υμένια πάνω<br />
σε φωτονικό κρύσταλλο Si για εκπομπή υπερύθρου<br />
υψηλής απόδοσης.<br />
Π. Θεοδώνη, Π. Μπαγιάτη, Μ. Χατζηχρηστίδη, A.<br />
Σπηλιώτης, Β. Βαμβακάς, Ι. Ράπτης, και Ν.<br />
Παπανικολάου<br />
24. Οπτικές ιδιότητες περιοδικών δομών<br />
μεταλλικών νανοφλοιών<br />
Χ. Τσερκέζης, Γ. Γκαντζούνης, και Ν. Στεφάνου<br />
25. Fishnet structure: The occurrence of left-handed<br />
behavior over a wide range of geometrical<br />
parameters<br />
I. Tsiapa, N. Katsarakis, M. Kafesaki, G. Kenanakis,<br />
C.M. Soukoulis, and E.N. Economou<br />
26. Discrete breathers in SRR planes<br />
M. Eleftheriou, N. Lazarides, and G.P. Tsironis<br />
27. Συναπόθεση Cr-Ni σε μονοκρύσταλλο<br />
NiO(100) και μελέτη της διεπιφάνειας με<br />
φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ<br />
Ε. Συμιανάκης και Σ. Λαδάς<br />
28. Investigation of the structural, morphological<br />
and photocatalytic properties of ZnO thin films and<br />
nanostructures deposited by different chemical<br />
routes<br />
G. Kenanakis, Z. Giannakoudakis, D. Vernardou, E.<br />
Koudoumas, and N. Katsarakis<br />
29. Substrate and deposition time effect on the<br />
hydrophilicity of the hydrothermally grown TiO 2<br />
films<br />
Κ. Vlachou, G. Kalogerakis, D. Vernardou, E.<br />
Stratakis, G. Kenanakis, E. Koudoumas, and N.<br />
Katsarakis<br />
30. Modification of perlite cementitious samples<br />
with nanostructured titania<br />
A.I. Kontos, A.G. Kontos, M. Fardis, S. Kourkoulis,<br />
V. Tsitsias, G. Papavassiliou, and P. Falaras<br />
31. Templated sol-gel synthesis of TiO 2<br />
nanoparticles presenting nanowire-like structure for<br />
dye-sensitized solar cells<br />
N. Alexaki, T. Stergiopoulos, A.G. Kontos, D.<br />
Tsoukleris, and P. Falaras<br />
32. Παρασκευή υμενίων νανοκρυσταλλικού TiO 2 με<br />
την μέθοδο screen-printing για<br />
φωτοευαισθητοποϊημένες ηλιακές κυψελίδες<br />
Γ. Καντώνης, Θ. Στεργιόπουλος, και Π. Φαλάρας<br />
33. Preparation of YSZ solid electrolytes for solid<br />
oxide fuel cells by e-beam evaporation<br />
Z. Sompolos and P. Yianoulis<br />
34. Σύνθεση, ανισοτροπική ανάπτυξη και έλεγχος<br />
μεγέθους νανοσωματιδίων γ-Fe 2 O 3 για βιοϊατρικές<br />
εφαρμογές<br />
Β.Κ. Τζιτζιός, Α. Σκαρμούτσου, Γ. Μπασινά, Κ.Α.<br />
Χαριτίδης, και Δ. Νιάρχος<br />
35. Μελέτη ανθρώπινων ονύχων με τη<br />
φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ με<br />
ακτινοβολία synchrotron<br />
Α. Μαυρομάτη, Μ. Κατσικίνη, Φ. Πινακίδου, Ε.Κ.<br />
Παλούρα, Δ. Ιωαννίδης, και A. Erko<br />
36. Local coordination of Zn and Fe in glasses<br />
containing electric arc furnace dust: A NEXAFS<br />
study<br />
F. Pinakidou, M. Katsikini, A. Mavromati, G.<br />
Kaimakamis, Th. Kehagias, and E.C. Paloura<br />
37. Επίδραση της προσθήκης αργιλοπυριτικών<br />
ορυκτών στη δομή και τις ιδιότητες των βορικών<br />
υάλων<br />
Ε. Διαμάντη, Α. Γεωργούλας, Α. Λεκάτου, Θ.<br />
Ματίκας, και Μ. Καρακασίδης<br />
38. Αλκαλική σύνθεση και δομικός χαρακτηρισμός<br />
ένυδρων ασβεστο-αργιλοπυριτικών δομών από<br />
ιπτάμενη τέφρα<br />
Π. Τζιώγας, Γ.Π. Δημητρακόπουλος, Γ. Καϊμακάμης,<br />
Ε. Παυλίδου, Δ. Παπαδόπουλος, Σ. Κόκκου, Φ.<br />
Κομνηνού, και Θ. Καρακώστας<br />
39. Μηχανικές ιδιότητες ένυδρων ασβεστοαργιλοπυριτικών<br />
προϊόντων από ιπτάμενη τέφρα<br />
Π. Τζιώγας, Γ. Καϊμακάμης, Ι. Ιωάννου, Σ.<br />
Αντωνίου, Ι. Χαριτωνίδης, Κ. Χαριτίδης, και Γ.Π.<br />
Δημητρακόπουλος<br />
40. The influence of thermal aging on the electrical<br />
and morphological properties of PEDOT:PSS<br />
E. Vitoratos, S. Sakkopoulos, E. Dalas, N. Paliatsas,<br />
F. Petraki, S. Kennou, and S.A. Choulis<br />
viii
41. Modeling and quantitative phase analyses of<br />
archaic pottery<br />
I.M. Siouris and W. Kockelmann<br />
42. Συμβολή στη συντήρηση των αρχαιολογικών<br />
ευρημάτων της Αιανής Κοζάνης με τη βοήθεια των<br />
ακτίνων Χ και της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας<br />
σάρωσης.<br />
Χ. Μαντζώλα και Α. Στεργίου<br />
43. Κρυσταλλική συµπεριφορά του συστήµατος<br />
SiO 2 -Na 2 O-CaO ενισχυµένο µε απόβλητο<br />
σιδηρουργίας (EAFD)<br />
Ε. Τσιλίκα, Γ. Καϊµακάµης, Γ. Δηµητρακόπουλος, Σ.<br />
Κόκκου, Θ. Κεχαγιάς, Φ. Κοµνηνού, και Θ.<br />
Καρακώστας<br />
9:30<br />
9:45<br />
Γ. Γκαντζούνης και Ν. Στεφάνου<br />
Φασματοσκοπική μελέτη Raman<br />
συστημάτων νανοσωλήνων άνθρακα σε<br />
υψηλές υδροστατικές πιέσεις<br />
Δ. Χριστόφιλος, Ι. Αρβανιτίδης, Η.<br />
Ευθυμιόπουλος, X. Zhao, and Y. Ando, T.<br />
Takenobu, Y. Iwasa, H. Kataura, Σ. Βες,<br />
και Γ.Α. Κουρούκλης<br />
Thermal and electrical properties of<br />
polymer/multi-walled carbon nanotubes<br />
nanocomposites<br />
E. Logakis, Ch. Pandis, P. Pissis, J.<br />
Pionteck, P. Pötschke, M. Mičušík, and<br />
M. Omastová<br />
44. Σύνθεση στερεών διαλυμάτων τύπου β-<br />
Κ 2 Bi 8 Se 13 με μηχανική κραμάτωση και<br />
πυροσυσσωμάτωση<br />
Ν. Τούμπας, Θ. Κυράτση, Α. Τσιάππος, Ε.<br />
Χατζηκρανιώτης, Ε. Παυλίδου, Κ.Μ.<br />
Παρασκευόπουλος, και M.G. Kanatzidis<br />
45. Fabrication and characterization of nanocrystalline<br />
Bi 2 Te 3 by ball milling<br />
A. Tsiappos, Th. Kyratsi, and P. Trikalitis<br />
46. Διερεύνηση δυνατότητας χρήσης<br />
θερµοηλεκτρικής διάταξης για ανάκτηση<br />
απορριπτόµενης θερµότητας από το<br />
βενζινοκινητήρα αυτοκινήτου.<br />
Ε. Χατζηκρανιώτης, Κ. Ζορµπάς, και Κ.Μ.<br />
Παρασκευόπουλος<br />
47. Συγκριτική αξιολόγηση κλασσικών και<br />
καινοτόµων αµινοπλαστικών συγκολλητικών<br />
ουσιών για την παρασκευή µοριοσανίδων.<br />
Κ. Χορτοκονίδου, Τ. Ζορµπά, Η. Παπαδοπούλου, Α.<br />
Χατζηισαάκ, Κ.Μ. Παρασκευόπουλος, και Κ.<br />
Χρυσάφης<br />
19:30<br />
20:30<br />
Λήξη Συνεδρίας<br />
Δείπνο Συνεδρίου<br />
Τετάρτη, 26 Σεπτεμβρίου 2007<br />
Συνεδριακό Κέντρο<br />
ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος»<br />
10:00<br />
10:15<br />
10:30<br />
10:45<br />
11:00<br />
11:10<br />
Polymer based hybrid materials:<br />
Synthesis and applications of materials<br />
containing carbon nanostructures<br />
G. Mountrichas, S. Pispas, and N.<br />
Tagmatarchis<br />
Structure, mechanical, and<br />
optoelectronic properties of amorphous<br />
and nanostructured carbon<br />
G. Kopidakis, C. Mathioudakis, I.N.<br />
Remediakis, M.G. Fyta, and P.C. Kelires<br />
Designing nanoporous materials for<br />
hydrogen storage<br />
G.E. Froudakis<br />
Simulating the neutron diffraction<br />
profiles of the mineralogical variations<br />
during firing in ancient ceramics<br />
I.M. Siouris, V. Moumtzi, F. Moumtzis,<br />
and W. Kockelmann<br />
New developments in thermal analysis<br />
instrumentation<br />
G. Sacharidis<br />
Διάλειμμα<br />
7 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Μη Συμβατικά Νανοδομημένα και<br />
Άμορφα Υλικά»<br />
Πρόεδρος: Ε.Ι. Καμίτσος<br />
6 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Μη Συμβατικά Νανοδομημένα και<br />
Άμορφα Υλικά»<br />
Πρόεδρος: Φ. Κομνηνού<br />
9:00<br />
9:15<br />
Αριστερόστροφα υλικά σε<br />
μικροκυματικές συχνότητες και<br />
υπέρυθρο.<br />
Μ. Καφεσάκη, Th. Koschny, Ν.<br />
Κατσαράκης, Ι. Τσιάπα, Ε.Ν. Οικονόμου,<br />
Κ.Μ. Σούκουλης<br />
Ηλεκτρομαγνητική απόκριση στην<br />
περιοχή των THz μικροδομημένων<br />
πολαριτονικών υλικών<br />
11:30<br />
11:45<br />
12:00<br />
Νέα αυτο-οργανούμενα νανοπορώδη<br />
οξείδια του βαναδίου χρησιμοποιώντας<br />
συμπυκνώσιμα επιφανειοδραστικά<br />
μόρια<br />
Β.Δ. Μπίνας, Κ. Τριανταφυλλίδης, και<br />
Π.Ν. Τρικαλίτης<br />
A physical model to interpret the effect<br />
of the crystalline inclusions size on the<br />
fracture modes in glass-ceramic<br />
materials<br />
C.Α. Charitidis, T.E. Karakasidis, P.<br />
Kavouras, and Th. Karakostas<br />
FIR study of Ag x (As 33 S 33 Se 33 ) 100-x<br />
glasses<br />
ix
Th. Hasapis, E. Hatzikraniotis, K.M.<br />
Paraskevopoulos, K.S. Andrikopoulos,<br />
S.N. Yannopoulos, and T. Wagner<br />
12:15<br />
12:30<br />
12:45<br />
13:45<br />
Mελέτη μεικτών γυαλιών οξειδίων Te-<br />
Zn με τις τεχνικές φασματοσκοπίας<br />
Raman και διαφορικής θερμιδομετρίας<br />
σάρωσης<br />
Ε. Σταύρου, Ρ. Τσοπουρίδου, A.Γ.<br />
Κόντος, και Κ. Ράπτης<br />
The structural role of Fe and Zn in the<br />
formation of glasses containing electric<br />
arc furnace dust: an EXAFS study<br />
F. Pinakidou, M. Katsikini, A.<br />
Mavromati, G. Kaimakamis, Th.<br />
Kehagias, and E.C. Paloura<br />
Απολογισμός-Συζήτηση<br />
Λήξη Συνεδρίου<br />
x
Ανοιχτή Συνεδρία<br />
«Συμπυκνωμένη Ύλη και Τεχνολογία»
ΣΥΜΠΥΚΝΩΜΕΝΗ ΥΛΗ<br />
ΚΑΙ<br />
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΠΡΟΟΔΟΣ<br />
Ε.Ν. Οικονόμου<br />
Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας<br />
Η Φυσική Στερεάς Κατάστασης και οι συναφείς τομείς της Συμπυκνωμένης Ύλης σε<br />
συνδυασμό με το ευρύτερο μεθοδολογικά πεδίο της Επιστήμης και Τεχνολογίας<br />
Υλικών είχαν και έχουν κύριο ρόλο στο σύγχρονο τεχνολογικό πολιτισμό. Η<br />
επίδραση τους στη Πληροφορική, στις Τηλεπικοινωνίες, στις Ανανεώσιμες πηγές<br />
Ενέργειας, στην Ιατρική, στο Περιβάλλον, στις Μεταφορές, στη Διαστημική Έρευνα<br />
κλπ καθώς και στη καθημερινή μας ζωή είναι προφανής.<br />
Οι σημερινές τάσεις της επιστημονικής έρευνας στους παραπάνω τομείς μπορούν να<br />
συνοψισθούν κυρίως στις τρείς μεγάλες κατηγορίες που επέλεξε η Οργανωτική<br />
Επιτροπή του Συνεδρίου:<br />
1. Ημιαγωγοί (επέκταση χρήσεων Si, ΙΙΙ – V με έμφαση στα Νιτρίδια,<br />
οργανικοί ημιαγωγοί, κβαντικές κουκίδες και ο ρόλος τους στην κβαντική<br />
οπτική, διατάξεις και ο ευρύτερος χώρος της μικροηλεκτρονικής)<br />
2. Νέα Υλικά (φωτονικοί κρύσταλλοι, μεταϋλικά με έμφαση στα<br />
Αριστερόστροφα Υλικά, πλασμονικά υλικά, χαλαρή ύλη, βιοϋλικά, βιολογικά<br />
μόρια, και νανοδομημένα υλικά που εμπίπτουν στο ταχύτατα αναπτυσσόμενο<br />
πεδίο της νανοτεχνολογίας.).<br />
3. Υλικά με ισχυρές συσχετίσεις και αταξία Στην κατηγορία αυτή ανήκουν<br />
μερικά από τα πιο δύσκολα και ανθεκτικά για πλήρη κατανόηση θέματα, όπως<br />
είναι η υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας, οι μαγνητικές συσχετίσεις,<br />
τα συμπυκνώματα Bose – Einstein, η συνύπαρξη τυχαιότητας με συσχετίσεις,<br />
το πέρασμα από την κλασική μακροσκοπική συμπεριφορά στην κβαντική<br />
ανάδειξη καθώς οι διαστάσεις μικραίνουν, κλπ.<br />
Στη σχετική βιβλιογραφία θα περιλάβω και τη μελέτη των Ερευνητικών Κέντρων με<br />
τίτλο «Εθνικές Τεχνολογικές και Επιστημονικές Πρωτοβουλίες» καθώς και άρθρα<br />
από το Scientific American.<br />
1
«NανοΥλικά και ΝανοΤεχνολογίες για εξοικονόμηση και παραγωγή<br />
ενέργειας»<br />
Δρ. Δ. Νιάρχος<br />
IEY- ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος»<br />
Στη σημερινή δε συγκυρία όπου η «έλλειψη» ενέργειας είναι πλέον έντονη<br />
εταιρείες, κυβερνήσεις και η επιστημονική κοινότητα αναζητούν νέους δρόμους για<br />
παραγωγή, μεταφορά και εξοικονόμηση ενέργειας. Σε συνδυασμό δε με την μόλυνση<br />
του περιβάλλοντος από τις συμβατικές μορφές ενέργειας- πετρέλαιο, άνθρακας,<br />
φυσικό αέριο, πυρηνική ενέργεια- η αναζήτηση εναλλακτικών μορφών ενέργειαςηλιακή,<br />
βιομάζα, αιολική, γεωθερμία, υδρογόνο-καθίσταται επιτακτική ανάγκη.<br />
Φαίνεται ότι η Νανοτεχνολογία μπορεί να δώσει μερικές απαντήσεις και να βοηθήσει<br />
στο ενεργειακό ισοζύγιο με κατεύθυνση τις φιλικές προς το περιβάλλον τεχνολογίες,<br />
με την ανακάλυψη/βελτίωση νέων υλικών και διαδικασιών για καλύτερη απόδοση<br />
φωτοβολταικών, νέες μπαταρίες και κυψελίδες καυσίμου καθώς και λιγότερο<br />
ενεργοβόρων γραμμών μεταφοράς. Άλλες γνωστές τεχνολογίες όπως ο<br />
μετασχηματισμός μιας μορφής ενέργειας σε άλλη , π.χ με χρήση νέων<br />
θερμοηλεκτρικών μηχανών η με τη χρήση καταλυτών και υποβοήθηση μετατροπής<br />
χημικής ενέργειας σε άλλη μορφή η και αποθήκευση όπως στην τεχνολογία<br />
υδρογόνου είναι από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της επιστημονικής κοινότητας και<br />
αποκτούν ξανά ενδιαφέρον καθόσον η απόδοσή τους αυξάνεται με τη χρήση<br />
νανουλικών. Βελτίωση μαλακών και σκληρών μαγνητικών υλικών μπορούν να<br />
αυξήσουν την απόδοση γεννητριών η των μοτέρ. Τέλος νανορευστά έχουν<br />
βελτιωμένες θερμοφυσικές ιδιότητες και ως εκ τούτου βελτιωμένη απαγωγή<br />
θερμότητας με εφαρμογές σε μηχανές εσωτερικής καύσεως αλλά και σε πληθώρα<br />
άλλων εφαρμογών. Ακόμη τα νανοϋλικά σε συνδυασμό με υλικά αλλαγής φάσης<br />
(οργανικά ή ανόργανα) δυνατόν να επιφέρουν σημαντικές βελτιώσεις σε διατάξεις<br />
αποθήκευσης θερμότητας.<br />
Θα αναφερθώ σε μερικές από τις παραπάνω τεχνολογίες με παραδείγματα και τις<br />
δυνατότητες και προκλήσεις για τη χώρα μας.<br />
_____________________________________________________________________<br />
e-mail: dniarchos@ims.demokritos.gr<br />
2
1 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Ημιαγώγιμα Υλικά και Διατάξεις»
New materials and MOS device concepts for future Si nanoelectronics<br />
Siegfried Mantl<br />
Institute of Bio- und Nanosystems (IBN1) and cni - Center of Nanoelectronic Systems for Information Technology,<br />
Forschungszentrum Juelich, D-52425 Juelich, Germany<br />
*Email address: s.mantl@fz-juelich.de<br />
While in the past performance improvement in microelectronics was mainly achieved by scaling the transistors to smaller<br />
dimensions, an additional boost is now expected from the implementation of new materials and new device concepts. Our<br />
research program in Juelich addresses some of these issues. We place particular emphasis on new channel materials with<br />
higher carrier mobilities. A representative example is the research on strained semiconductors, in particular, the fabrication<br />
of strained silicon on insulator (sSOI) wafers. For this purpose, we developed a new process, involving ion implantation and<br />
annealing to relax thin SiGe layers to form the virtual substrates. Biaxially strained Si is achieved by the growth of Si on the<br />
relaxed SiGe layer due to the lattice mismatch of these materials. Structural properties of the sSOI wafers and mobility<br />
measurements as well as results on first sSOI transistors will be presented. Another exciting research topic are alternative<br />
gate dielectrics. Presently, we investigate ternary rare earth based oxides, e.g. Scandates and LaLuOx. Their electrical<br />
characterisation reveals dielectric constants around 30. Furthermore, we are working on new transistor concepts. As an<br />
example, ultra thin body Schottky barrier transistors with NiSi source and drain contacts with low effective Schottky barriers<br />
will be presented. The smaller the device dimensions the more stringent are the requirements on the electrostatic control to<br />
minimize short channel devices. In order to address this issue an outlook of new device concepts will be given.<br />
3
Non-Radiative Energy Transfer in Hybrid Organic-Inorganic Semiconductor Structures<br />
Grigorios Itskos 1 , Colin Belton 2 , Martin D Dawson 3 , Ian M Watson 3 , Ray Murray 2 and Donal D.C. Bradley 2<br />
1 Department of Physics, University of Cyprus, Nicosia, Cyprus<br />
2 Department of Physics, Imperial College London, London, United Kingdom<br />
3 Institute of Photonics, University of Strathclyde, Glasgow, United Kingdom<br />
*g.itskos@imperial.ac.uk<br />
Hybrid organic/inorganic semiconductor structures offer the prospect of new devices that can combine the good electrical<br />
properties of inorganic materials with the attractive luminescence properties of organic materials. Consequently, devices<br />
based on dipole-dipole energy transfer from inorganic semiconductors to conjugated polymers can produce highly efficient<br />
emission across the entire visible spectrum.<br />
We have investigated hybrid structures containing InGaN/GaN single quantum wells (QWs) that are spaced from<br />
fluorene-based polymer films by thin cap layers of GaN. Provided their electronic states are matched [1, 2], the close<br />
proximity of the polymer film to the QW promotes efficient non-radiative (Förster) energy transfer, resulting in a strong<br />
visible emission from the hybrid devices. We have also prepared hybrid structures where white light emission is obtained due<br />
to energy transfer from the InGaN/GaN QW to a blend of polyfluorene emitters.<br />
Temperature-dependent spectrally-resolved measurements show that non-radiative energy transfer from the QW to the<br />
polyfluorene film results in a significant enhancement in the organic emission, with as much as a twenty-fold increase over<br />
that resulting from simple radiative energy transfer [3]. Control measurements (without the QW) verify that the intensity<br />
enhancement is due to energy transfer from the UV-light emitting QW rather than any other effect related to the<br />
polymer/GaN cap layer interface. Time-resolved experiments show a significant reduction in the QW decay time providing<br />
further insight into the non-radiative nature of the transfer [4]. In addition, we have verified that non-radiative energy transfer<br />
also occurs from the inorganic well to thin layers of carefully adjusted polymer blends in which cascade non-radiative energy<br />
transfer results in the emission of white light.<br />
[1] D. Basko, G.C. La Rocca, F. Bassani and V.M. Agranovich, Eur. Phys. J. B 8, 353, (1999)<br />
[2] Š. Kos, M. Achermann, V.I. Klimov and D.L. Smith, Phys. Rev. B, 71, 205309, (2005)<br />
[3] G. Heliotis, G. Itskos, R. Murray, M.D. Dawson, I.M. Watson and D.D.C. Bradley, Adv. Materials 18, 334, (2006)<br />
[4] G. Itskos, G. Heliotis, P. G. Lagoudakis, J. Lupton, N.P. Barradas, E. Alves, S. Pereira, I. M. Watson, M. D. Dawson, J.<br />
Feldmann, R. Murray and D. D. C. Bradley, accepted in Phys. Rev. B<br />
4
Reliability Characteristics of Rare Earth Oxides and their Gate Stacks on Germanium<br />
Substrate.<br />
M.S. Rahman 1 , E.K.Evangelou 1,* , I.I.Androulidakis 1 , S.Galata 2 G.Mavrou 2 , A.Dimoulas 2 and D.F Anagnostopoulos 3<br />
1 Lab. of Electronics-Telecommunications & Applications, Dept of Physics, University of Ioannina, 45110-Greece.<br />
2 MBE Laboratory, Institute of Materials Science, NCSR “Demokritos”, 153 10 Athens<br />
3 Dept. of Materials Science & Engineering, University of Ioannina, 45110-Greece<br />
*eevagel@uoi.gr<br />
Abstract:<br />
The critical dimensions of MOS devices are now reaching even the atomic scale, e.g., while the physical gate length is<br />
measured in nanometers, the thinnest layers (e.g. gate dielectrics) are of the order of a few Å, i.e. few nano layers. Mobility<br />
enhancement technologies have currently been recognized as mandatory for future scaled MOSFETs. Thus, Ge is a<br />
promising material for nanoscale MOSFETs due to its high mobility, hence high source of injection velocity which translates<br />
into higher drive current and smaller gate delay. High mobility MOSFETs have been recently demonstrated on bulk Ge with<br />
high-κ gate dielectric and metal gates. However, one of the biggest challenges for the development of a Ge MOSFET is to<br />
find appropriate passivating materials and methodologies for the Ge/high-k interfaces. Germanium oxynitride is frequently<br />
used as a passivating interlayer in combination with HfO 2 . Unfortunately, it is considered to be insufficient since the<br />
electrical characteristics of the capacitors are non ideal and the corresponding field effect transistors underperform, probably<br />
due to a high density of interface defects.<br />
Rear earth oxides (RE) are currently widely investigated for the replacement of SiO 2 as a gate insulator in advanced<br />
MOSFETs. One would expect to reduce charge trapping and the stress induced leakage current (SILC) thus improving the<br />
reliability of corresponding device. They are also potential candidates as dielectrics because of the relatively high-κ(~ 20).<br />
However, it remains a challenge to avoid formation of a low-k interfacial layer between a RE oxide and the Ge substrate.<br />
In the present work we studied reliability issues in various RE oxide gate stacks such as: a) HfO2/Dy 2 O 3 /Ge and b)<br />
CeO 2 /Ge. In all cases both n- and p-type Ge(100) substrates were used while, the top metal for the definition of MOS devices<br />
was Pt. Typical thickness of the oxide layer(s) is around 10nm. The density of the interface states (D it ) was ranging from the<br />
low 10 12 eV -1 cm -2 up to the mid 10 13 eV -1 cm -2 . The evolution of D it with field in the oxide (E ox ) at room temperature is<br />
presented and discussed. The dynamics of the interfacial defects were also studied and are illustrated together with the results<br />
about the (de)trapping dynamics of bulk oxide defects. Finally the stress induced leakage current (SILC) measurements are<br />
presented. It is shown that SILC is negligible at low E ox values, while at higher fields it follows a power law.<br />
5
Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοραβδίων ZnO.<br />
Ν. Μπούκος * , Χ. Χανδρινού, Χ. Στόγιος, Κ. Γιαννακόπουλος και Α. Τραυλός<br />
Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, Αγ. Παρασκευή Αττικής 15310<br />
*nboukos@ims.demokritos.gr<br />
Το ZnO είναι ημιαγωγός με άμεσο χάσμα 3.4 eV και ενέργεια σύνδεσης εξιτονίου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος<br />
60meV.Την τελευταία δεκαετία εκδηλώνεται έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον για νανοδομικά υλικά με βάση το οξείδιο του<br />
ψευδαργύρου, με πιθανές εφαρμογές σε οπτοηλεκτρονικές νανοδιατάξεις, αισθητήρες και φωτοκαταλυτικές διατάξεις [1].<br />
Η παρασκευή μονοδιάστατων νανοδομών ZnO επιτυγχάνεται είτε από την αέρια φάση (CVD, PLD, MBE) [2,3] είτε με<br />
χημικές μεθόδους (υδροθερμία, sol-gel, θερμική αποδόμηση αλάτων του Zn) [4,5]. Οι χημικές μέθοδοι απαιτούν απλούστερο<br />
και οικονομικότερο εξοπλισμό και είναι λιγότερο ενεργοβόρες καθώς πραγματοποιούνται σε θερμοκρασίες 70-150 ο C. Στην<br />
εργασία αυτή παρουσιάζεται η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός νανοραβδίων ZnO με μία χημική μέθοδο επάνω σε γυάλινα<br />
υποστρώματα. Η ανάπτυξη πραγματοποιείται σε χαμηλή θερμοκρασία, έως και σε θερμοκρασία δωματίου (RT) και κατά<br />
συνέπεια είναι δυνατό να εφαρμοστεί σε κάθε είδος υποστρώματος.<br />
Τα νανοραβδία ZnO αναπτύσσονται ως εξής: Αρχικά στα γυάλινα υποστρώματα εξαχνώνεται με κανόνι ηλεκτρονίων<br />
ένα υμένιο Ti πάχους (200nm) και ακολούθως ένα υμένιο ZnO πάχους 50nm μέσα σε θάλαμο υψηλού κενού σε<br />
θερμοκρασία δωματίου. Κατόπιν το υπόστρωμα και ένα μεταλλικό έλασμα Zn τοποθετούνται σε υδατικό διάλυμα<br />
φορμαμιδίου μέσα σε θερμοστατικά ελεγχόμενο λουτρό (RT≤T≤65 o C). Σημειώνεται ότι το υμένιο του Ti και το έλασμα Zn<br />
βραχυκυκλώνονται ηλεκτρικά μέσω ενός εξωτερικού σύρματος. Μετά από 65 ώρες το υπόστρωμα με τα νανοραβδία που<br />
έχουν αναπτυχθεί πλένεται με αιθανόλη σε λουτρό υπερήχων και αφήνεται να στεγνώσει. Θα πρέπει να τονιστεί ότι εφόσον<br />
τα χρησιμοποιούμενα υποστρώματα είναι άμορφα και η θερμοκρασία μικρότερη των 65 o C αυτή η μέθοδος παρασκευής<br />
μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ανάπτυξη νανοραβδίων ZnΟ σε μία πληθώρα υποστρωμάτων όπως Si, ITO και εύκαμπτα<br />
πλαστικά υποστρώματα.<br />
Σχήμα 1. Εικόνα SEM και ΤΕΜ νανοραβδίων ZnO αναπτυγμένων σε διάλυμα 5%κ.ο. σε θερμοκρασία 65 o C<br />
Στο Σχήμα 1α παρουσιάζεται μια εικόνα SEM της εγκάρσιας τομής των νανοραβδίων ZnO που αναπτύσσονται σε 5%<br />
κ.ο.υδατικό διάλυμα φορμαμιδίου σε θερμοκρασία 65 o C. Διακρίνεται επίσης, το αρχικό υμένιο Ti/ZnO επάνω στο<br />
υπόστρωμα.Οπως φαίνεται τα νανοραβδία αναπτύσσονται σχεδόν κάθετα ώς προς την επιφάνεια του υποστρώματος έχουν<br />
βελονοειδή μορφή με εξαγωνική διατομή μέσης διαμέτρου 85nm και μέσο μήκος 3.5μm. Στο Σχήμα 1β παρουσιάζεται μία<br />
εικόνα ΤΕΜ ενός νανοραβδίου. Η εικόνα περίθλασης ηλεκτρονίων, επάνω δεξιά ένθετο, αντιστοιχεί στην [2-1-10]<br />
κρυσταλλογραφική διεύθυνση της εξαγωνικής δομής του ZnO (JCPDS 36-1451) και αποδεικνύει ότι τα νανοραβδία είναι<br />
μονοκρυσταλλικά και αναπτύσσονται κατά μήκος του c-άξονα. Στο κάτω ένθετο φαίνεται η πυραμιδοειδής απόληξη του<br />
νανοραβδίου που σχηματίζεται από τα (01-11) επίπεδα του ZnO. Η καλή κρυσταλλική ποιότητα του νανοραβδίου είναι<br />
εμφανής από την εικόνα HREM του επάνω αριστερά ένθετου όπου παρουσιάζονται οι κροσσοί συμβολής των (0001)<br />
επιπέδων του ZnO στην περιοχή της παράπλευρης επιφάνειας των νανοραβδίων.<br />
Η ανάπτυξη των νανοραβδίων ZnO επάνω στο υπόστρωμα οφείλεται στο αυξημένο ρυθμό οξείδωσης του μεταλλικού<br />
Zn μέσα στο υδατικό διάλυμα λόγω του φορμαμιδίου. Η προσθήκη φορμαμιδίου στο νερό έχει σαν αποτέλεσμα την<br />
δημιουργία συμπλόκων στην περιοχή της ανόδου (έλασμα Zn):<br />
Zn + nHCONH 2 → [Zn(HCONH 2 ) n ] 2+ + 2e -<br />
Στην περιοχή του υποστρώματος τα σύμπλοκα αποσυντίθεται απελευθερώνοντας ιόντα Zn τα οποία αντιδρούν με το<br />
ατμοσφαιρικό οξυγόνο που είναι διαλυμένο στο νερό και παράγουν ZnO:<br />
[Zn(HCONH 2 ) n ] 2+ + 1/2O 2 + 2e - → ZnO + nHCONH 2<br />
Τα ηλεκτρόνια που απαιτούνται προέρχονται από το βραχυκύκλωμα μεταξύ της ανόδου και του υμενίου του Ti. Λόγω της<br />
ύπαρξης του υμενίου ZnO επάνω στο υπόστρωμα, η ενέργεια πυρήνωσης του ZnO στο υπόστρωμα είναι χαμηλή και κατά<br />
συνέπεια το ZnO που απελευθερώνεται από τις παραπάνω αντιδράσεις εναποτίθεται προτιμητέα στο υπόστρωμα.<br />
Η ανάπτυξη των νανοραβδίων είναι αποτέλεσμα της ανισοτροπίας του κρυστάλλου του ZnO που χαρακτηρίζεται από<br />
διαφορετικές ταχύτητες ανάπτυξης κατά τους κύριους κρυσταλλογραφικούς άξονες V > V > V > [6].<br />
[ 0001]<br />
V<br />
[0111] [0110] [0001]<br />
6
Ο λόγος των ταχυτήτων ανάπτυξης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως θερμοκρασία, pH, λόγος Zn/O. Η μεταβολή<br />
αυτών των παραμέτρων καθιστά δυνατή την παρασκευή νανοραβδίων διαφορετικής μορφολογίας. Στο Σχήμα 2α<br />
και 2β<br />
φαίνεται μία πλάγια όψη των<br />
νανοραβδίων που αναπτύσσονται<br />
σε διάλυμα περιεκτικότητας<br />
φορμαμιδίου 5% και 0.1%κ.ο<br />
θερμοκρασίας 65<br />
C αντίστοιχα. Η<br />
μείωση της περιεκτικότητας σε<br />
φορμαμίδιο έχει σαν αποτέλεσμα<br />
την μείωση του ρυθμού ανάπτυξης<br />
των νανοραβδίων (μήκος 1.2 μm<br />
και διάμετρος 40nm). Επίσης η<br />
μείωση του λόγου<br />
μήκους/διαμέτρου (l/d) από 40 σε<br />
30 που παρατηρείται αποδίδεται<br />
στη μείωση του λόγου Zn/O. Τα<br />
νανοραβδία που αναπτύσσονται σε<br />
διάλυμα<br />
περιεκτικότητας<br />
φορμαμιδίου 5% αλλά σε<br />
θερμοκρασία 50 ο C φαίνονται στο<br />
Σχήμα 2γ. Το μέσο μήκος τους<br />
είναι 2.2μm, το σχήμα τους είναι<br />
παρόμοιο με αυτό που αντιστοιχεί<br />
στην ανάπτυξη σε θερμοκρασία<br />
65οC, αλλά ο λόγος l/d είναι 22. Ο<br />
ρυθμός σχηματισμού συμπλόκων<br />
Σχήμα 2. Νανοραβδία ZnO αναπτυγμένα σε (α) 5% διάλυμα στους 65 o C, (β) 0.1%<br />
ψευδαργύρου-φορμαμιδίου<br />
διάλυμα στους 65 o C, (γ) 5% διάλυμα στους 50 o C, και (δ) 5% διάλυμα σε RT.<br />
εξαρτάται εκθετικά από την<br />
θερμοκρασία και κατά συνέπεια η<br />
συγκέντρωση Zn είναι μικρότερη, οπότε η μείωση του λόγου Zn/O έχει σαν αποτέλεσμα την ελάττωση του λόγου l/d.<br />
Επιτεύχθηκε η ανάπτυξη νανοραβδίων ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2δ. Η μελέτη των<br />
νανοραβδίων με ΤΕΜ έδειξε ότι είναι μονοκρυσταλλικά άν και έχουν αυξημένη τραχύτητα στην παράπλευρη επιφάνειά τους<br />
και λόγο l/d~10 λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας ανάπτυξης. Απ’ όσο γνωρίζουμε, είναι η πρώτη φορά που επιτυγχάνεται<br />
ανάπτυξη νανοραβδίων επάνω σε υπόστρωμα σε θερμοκρασία δωματίου χωρίς περαιτέρω ανοπτήσεις σε υψηλότερς<br />
θερμοκρασίες.<br />
Τέλος μελετήθηκε η φωτοφωταύγεια των<br />
νανοραβδίων σε θερμοκρασία δωματίου. Στο Σχήμα 3<br />
120<br />
παρουσιάζονται τα φάσματα που των νανοραβδίων που<br />
αναπτύχθηκαν σε δ ιάλυμα περιεκτικότητας<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
65 o C<br />
RT<br />
φορμαμιδίου 5% σε θερμοκρασία 65<br />
C και σε RT.<br />
Φάσματα αντίστοιχα με το πρώτο λήφθηκαν και από τα<br />
υπόλοιπα δείγματα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 το<br />
φάσμα παρουσιάζει μία έντονη κορυφή στα 378nm με<br />
εύρος FWHM 120meV, η οποία αποδίδεται σε<br />
εξιτονική εκπομπή [7], ενώ δεν εμφανίζεται εκπομπή<br />
στο ορατό φάσμα η οποία συνήθως αποδίδεται σε<br />
σημειακές ατέλειες [8]. Το στενό εύρος της κορυφής<br />
20<br />
x2<br />
καθώς και η μή ανίχνευση ορατής εκπομπής<br />
αποδεικνύουν την πολύ καλή οπτική ποιότητα των<br />
0<br />
παραγόμενων νανοραβδίων που σημειωτέον<br />
400 500 600 700<br />
επιτυγχάνεται χωρίς περαιτέρω ανοπτήσεις. Το φάσμα<br />
(nm)<br />
Wavelength δωματίου παρουσιάζει ασθενέστερη εξιτονική κορυφή<br />
των νανοραβδίων που αναπτύχθηκαν σε θερμοκρασία<br />
με εύρος 170meV και μία ασθενή φαρδιά κορυφή στο<br />
Σχήμα 3. Φάσματα φωτοφωταύγειας νανοραβδίων<br />
ορατό που αποδίδεται σε σημειακές ατέλειες λόγω της<br />
αναπτυγμένων στους 65οC και σε RT.<br />
χαμηλής θερμοκρασίας ανάπτυξης των νανοραβδίων.<br />
Intensity (a.u.)<br />
[1] Xia Y, Yang P, Sun Y, Wu Y, Mayers B, Gates B, Yin Y, Kim F and Yan H Adv. Mater. 15 (2003) 353<br />
[2] Huang M H, Mao S, Feick H, Yan H, Wu Y, Kind H, Weber E, Russo R and Yang P Science 292 (2001) 1897<br />
[3] Hartanto A B, Ning X, Nakata Y and Okada T Appl. Phys. A 78 (2003) 299.<br />
[4] Park W I, Yi G C, Kim M and Pennycook S Adv. Mater. 14 (2002) 1841<br />
[5] Tian Z R, Voigt J, Liu J, Mckenzie B, Mcdermott M, Rodriguez M, Konishi H and Xu H Nature Mater. 2 (2003) 821<br />
[6] Li W J, Shi E W, Zhong W Z and Yin Z W J. Crystal Growth 203 (1999) 186<br />
[7] Oezguer U, Alivov Y, Liu C, Teke A, Reshchikov M, Dogan S, and Morkoc H J. Appl. Phys. 98 (2005) 041301<br />
[8] Djurisic A and Leung Y H Small 2 (2006) 944<br />
7
Effect of strain on the InN nearest neighbour distances: an EXAFS study.<br />
M. Κatsikini 1 , F. Pinakidou 1 , E.C. Paloura 1* , Ph. Komninou 1 , E. Dimakis 2 , A. Georkakilas 2<br />
1<br />
Aristotle University of Thessaloniki, School of Physics, Section of Solid State Physics, 54124 Thessaloniki, Greece<br />
2 Microelectronics Research Group, Physics Dept., University of Crete, P.O. Box 2208, 71003 Heraklion-Crete, Greece<br />
*paloura@auth.gr<br />
InN is a direct gap semiconductor with potential applications in solar cells and high speed electronics. With the quality of the<br />
InN epi-layers improving, its energy gap is redetermined to be 0.7 eV, i.e. in the IR region, instead of 1.9eV [1]. InN<br />
crystallizes in the wurtzite structure and its optical properties are affected by the presence of biaxial stress, due to the<br />
heteroepitaxial growth, as well as from hydrostatic stress, due to point and extended defects. Here we report In-K-edge<br />
EXAFS characterization results of InN layers grown by rf-MBE on GaN/Al 2 O 3 templates. The films were grown in the<br />
temperature range 300 to 375 °C and their thickness took values in the range 1 to 8 µm. The values of lattice parameters were<br />
determined by high resolution X- Ray Diffraction as described in Ref. 2.<br />
The In-K-EXAFS measurements were conducted at the Synchrotron Radiation facility HASYLAB at DESY in Hamburg<br />
at the A1 beamline. The spectra were detected in the fluorescence yield mode using a 7 – pixel Si:Li detector positioned on<br />
the horizontal plane at 90 o to the x-ray beam. In order to neglect the beam polarization the angle of incidence was 55 o to the<br />
sample surface, a value that is very close to the “magic angle” for samples with wurtzite symmetry. The spectra were<br />
normalized with the current of an ionization chamber positioned in front of the sample. The EXAFS spectrum of the 8 µm<br />
thick sample (No 632) was corrected for self - absorption effects.<br />
Prior to fitting, the EXAFS spectra were subjected to subtraction of the atomic background and transformation from the<br />
energy space to k - space using the AUTOBK program. The resulting χ(k) spectra were fitted using the photoelectron<br />
scattering paths constructed with the FEFF program [3] assuming a hexagonal unit cell with a=3.530Å and c=5.764Å. The<br />
theoretically calculated photoelectron paths contain information on the backscattering amplitude and phase as well as the<br />
starting values for the nearest neighbor (nn) distances. Two single scattering paths were used to fit the contribution of the 1 st<br />
and the 2 nd nn shells of In, consisting of 4 N and 12 In atoms, respectively, to the experimental χ(k) spectra. In order to avoid<br />
the inclusion of multiple scattering paths in the fitting procedure, the χ(k) spectra were fitted in a k – range starting at 4.5 Å -1<br />
and extending up to 15 Å -1 . During the fitting the coordination numbers were kept fixed to the values determined by the<br />
model. This choice results to a reduced number of<br />
iterated parameters and thus a more accurate<br />
determination of the Debye – Waller factors.<br />
The Fourier Transforms (FT) of the χ(k) spectra<br />
are shown in Fig. 1. The two first peaks in the FT<br />
correspond to the 1 st and 2 nd nn shells of In. The<br />
EXAFS analysis reveals that, within the uncertainty<br />
provided by the fitting FEFFIT program, the In – N<br />
distance is constant (2.15 – 2.16 [±0.01] Å) and<br />
doesn’t have a systematic dependence on the growth<br />
conditions. The resistance of the In – N distance to<br />
change under stress is expected due to the high value<br />
of the internal strain or Kleinman parameter, ζ h , of<br />
hexagonal InN, which is equal to 0.88 [4]. The In – N<br />
distance, d, depends on the strain along the c – axis,<br />
e ⊥, according to b=b 0 +b 0 e ⊥ (1-ζ h ), where b and b 0 are<br />
the In – N distances in strained and unstrained<br />
crystals, respectively [4,5]. Thus, for example, strain<br />
along the c – axis equal to 0.3% would result to a<br />
change of the In – N distance by 0.0004 Å, which is<br />
much smaller than the error of the EXAFS analysis.<br />
Contrary to that, the In – In distance, which is<br />
determined with higher accuracy since the In atom is a<br />
stronger backscatterer, increases with the lattice<br />
parameter a. Fig. 2 shows in more detail the<br />
dependence of the In – In distance on a. The bisector<br />
of the x and y axes as well as a vertical line at<br />
a=3.535Å, which corresponds to the basal plane lattice<br />
parameter of relaxed InN samples [2], are also<br />
included in the figure. As shown in Fig. 2 the<br />
dependence of In – In on a departs from the R In-In =a<br />
curve resisting to distortions imposed by the stressinduced<br />
changes of a. The average In – In distance<br />
depends on both the a and c lattice parameters since<br />
the 6 In atoms that lie on the basal plane are at<br />
distance a while the 6 In atoms that are below and<br />
above that plane are at distance smaller than a when<br />
the c/a ratio is smaller that 1.633, as it is in our case.<br />
|FT{k 3 χ(k) }|<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
N<br />
In<br />
385<br />
585<br />
671<br />
628<br />
632<br />
644<br />
643<br />
634<br />
631<br />
0<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8<br />
R(Å)<br />
Figure 1: Fourier Transform amplitudes of the k 3 weighted<br />
χ(k) spectra. The experimental and the fitting curves are<br />
shown in thin and thick solid lines, respectively.<br />
8
Thus the mean R In-In is expected to be smaller than a. This is not observed for most of our samples, since locally the chemical<br />
character of the In – N bond, determined by the hybridization, dominates on the stress-induced bondlength distortions.<br />
Therefore, due to the high resistance of the In – N bonds to distortions, which is a result of the high ionicity of InN [4], the<br />
stress – induced changes of the a lattice parameter are accommodated mainly by bond angle distortions. A linear fit of the<br />
dependence of R In – In on the basal plane strain (e || ) determined using the relaxed value of a 0 = 3.535 Å [2] yields the following<br />
equation: R In – In = 3.533(±0.001) + 1.561(±0.337)×e || resulting to an internal strain parameter for the In – In distance equal to<br />
ζ´h= 0.56. The Debye – Waller factors are ranging from 4.3×10 -3 to 5.8×10 -3 (±1.0) Å 2 and from 6.5×10 -3 to 7.4×10 -3 (±0.5)<br />
Å 2 for the In – N and In – In pairs, respectively.<br />
In conclusion, the In – N and In – In distances determined from the EXAFS analysis, are found to resist to changes driven<br />
by the presence of compressive or tensile stress. The dependence of the In – In distance on the basal plane strain (e || ) is<br />
described by a linear equation of the form R In–In =3.533 + 1.561e || .<br />
3.555<br />
compressive<br />
tensile<br />
R In-In<br />
(Å)<br />
3.550<br />
3.545<br />
3.540<br />
3.535<br />
3.530<br />
644<br />
628<br />
643<br />
relaxed (Dimakis et al )<br />
R In-In<br />
=a<br />
385<br />
3.525<br />
3.520<br />
585<br />
631<br />
632<br />
3.515<br />
3.515 3.520 3.525 3.530 3.535 3.540 3.545 3.550 3.555<br />
a(Å)<br />
Figure 2: Dependence of the In – In distance on the a lattice parameter. The dashed line corresponds to the<br />
dichotomous of the axes and the vertical line at a= 3.535 Å corresponds to the relaxed value of a. according to<br />
Dimakis et al [2].<br />
Acknowledgement: The EXAFS measurements were financed by the European Community IA-SFS program under the<br />
Contract RII3-CT-2004-506008 and from the program of GSRT “PYTHAGORAS”.<br />
[1] V. Yu. Davydov, A. A. Klochikhin, R. P. Seisyan et al, phys. stat. sol. (b), 229, R1–R3 (2002).<br />
[2] E. Dimakis, E. Iliopoulos, K. Tsagaraki et al, Appl. Phys. Lett. 88, 191918 (2006).<br />
[3] A. L. Ankudinov, B. Ravel, J.J. Rehr, S.D. Conradson, Phys. Rev. B, 58, 7565 (1998).<br />
[4] A. F. Wright, J. Appl. Phys. 82, 2833 (1997).<br />
[5] F. d’Acapito, F. Boscherini, S. Mobilio, A. Rizzi, R. Lantier, Phys. Rev. B 66, 205411 (2002).<br />
9
Successive Layer Charging of Si Nanocrystals in a Double-Layer Nanocrystal<br />
Structure within SiO 2<br />
M. Theodoropoulou, A. Salonidou and A. G. Nassiopoulou*<br />
IMEL/NCSR Demokritos, Terma Patriarchou Grigoriou, Aghia Paraskevi, 153 10 Athens, Greece<br />
*A.Nassiopoulou@imel.demokritos.gr<br />
Two-dimensional arrays of Si nanocrystals within SiO 2 constitute a distributed charge storage medium<br />
with better immunity to tunnel oxide defects compared with the polycrystalline silicon continuous<br />
charging medium used in conventional non-volatile memory devices [1]. However, when tunnel oxide<br />
thickness goes below ~5 nm, data retention fails to fulfill the 10-years criterion set for non-volatility. In<br />
order to overcome this problem, a two-layer structure, with one layer composed of very small<br />
nanocrystals (diameter below ~3 nm) and a second one on top with larger nanocrystals (diameter above<br />
~5 nm) was proposed [2]. In this case, due to quantum confinement, the small dots show a band offset<br />
compared with the larger dots, which acts as a barrier for carrier leakage to the substrate.<br />
In this work we fabricated such a structure using low pressure chemical vapor deposition of<br />
amorphous silicon (α-Si) on a thin tunnel oxide on Si, followed by high temperature-thermal<br />
oxidation/annealing and we investigated its charging properties. The fabrication conditions were<br />
presented in detail elsewhere [3].<br />
The following processing steps were used. First, p-type silicon wafers with a resistivity of 1-2 Ω.cm<br />
were oxidized at 850 o C for 8 min producing an approximately 3.5 nm thick thermal oxide. An<br />
approximately 9.5 nm thick silicon film was deposited on top of the thermal oxide, by LPCVD at<br />
580 o C, 300 mTorr, for 3 min. The samples were oxidized at 900 o C for 25 min producing an<br />
approximately 13 nm thick thermal oxide, on top of a 2.5 nm thick silicon nanocrystal layer. In order to<br />
reduce the thickness of the top oxide layer, the samples were chemically etched in a 2% HF solution,<br />
resulting in a 1.5 nm thick top oxide layer. High temperature annealing was performed in N 2 at 900 o C<br />
for 30 min. The resulting structure contains one layer of silicon nanocrystal within two SiO 2 layers. By<br />
repeating the same procedure, a second silicon nanocrystal layer is grown, with a size of 3.5 nm and a<br />
control oxide of 10 nm. Finally the samples were annealed in N 2 at 900 o C for 30 min. For electrical<br />
characterization an aluminum gate metal was deposited and patterned and an ohmic contact was<br />
formed on the back side of the wafer. The two-layered silicon nanocrystal MOS structure is shown<br />
schematically in Fig.1.<br />
To investigate the charging properties of the silicon nanocrystal layers, capacitance-voltage<br />
(C-V) measurements were performed at 1MHz, at room temperature, by applying positive and negative<br />
gate pulses of different height and width on the gate without discharging the structure between applied<br />
pulses. Fig. 2 shows C-V curves of a fresh capacitor compared to those obtained after application of<br />
positive and negative gate pulses. The pulse width was 15 s and the pulse height step 0.5 V. When a<br />
positive or a negative gate pulse is applied, a positive or negative shift in the flatband voltage is<br />
obtained, indicative of charging the silicon nanocrystal layers with electrons (holes) respectively. This<br />
charging is due to injection of electrons (holes) from the silicon substrate to the nanocrystal layers<br />
through the tunnel oxide. In the presence of the two layers, charging of the first layer is first completed,<br />
resulting in a first saturation step in the flat band voltage shift ΔV FB , and charging of the second layer<br />
(second saturation step) occurs at a higher voltage. The same occurs at negative applied pulses,<br />
corresponding to hole charging. A maximum positive shift of 2.1 V and negative shift of -2.8 V were<br />
obtained for maximum end voltages of ±8 V.<br />
Fig. 3 shows the flatband voltage shift ΔV FB as a function of the applied positive or negative<br />
gate pulse height. The pulse width was 15 s and the gate pulse step was 0.5 V. Two very distinct steps<br />
separated by about 1.5 V and 2.5 V are observed. These steps correspond to the successive charging of<br />
the first and second nanocrystal layer [4]. We see that full charging of the first nanocrystal layer is<br />
completed at approximately +4 V/-4 V, while the second nanocrystal layer is fully charged at<br />
approximately +8V/-8V.<br />
In conclusion, we demonstrated multilevel charge storage (+4V/-4V, +8V/-8V) in a doublelayer<br />
Si nanocrystal MOS structure, fabricated by LPCVD deposition of α-Si and subsequent thermal<br />
oxidation. The flatband voltage shift of the structure as a function of the applied positive/negative gate<br />
pulse height indicated the successive charging of the two silicon nanocrystal layers by electron(hole)<br />
injection respectively. These results are very promising for application in multi-bit memory devices.<br />
10
FIG 1. Schematic representation of the silicon<br />
nanocrystal MOS structure.<br />
2.5<br />
6.0x10 -11<br />
fresh<br />
pulse width 15s<br />
2.0<br />
1.5<br />
pulse width 15s<br />
5.0x10 -11<br />
1.0<br />
0.5<br />
C(F)<br />
7.0x10 -11 ΔV FB<br />
=-2.8V<br />
4.0x10 -11<br />
3.0x10 -11<br />
ΔV FB<br />
=2.1V<br />
ΔV FB<br />
(V)<br />
0.0<br />
-0.5<br />
-1.0<br />
-1.5<br />
2.0x10 -11<br />
-2.0<br />
1.0x10 -11<br />
-8V<br />
-6V<br />
-5V<br />
-3V<br />
3V<br />
5V<br />
6V<br />
8V<br />
-2.5<br />
-3.0<br />
-4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5<br />
V(V)<br />
3 4 5 6 7 8<br />
V(V)<br />
FIG 2. C-V curves at 1 MHz for positive and<br />
negative gate pulses and 15 s pulse width.<br />
FIG 3. Flatband voltage shift as a function of<br />
positive and negative gate pulses and 15 s<br />
pulse width.<br />
[1] S. Tiwari, F. Rana, H. Hafani, A. Hartstein, E. F. Crabbe, and K. Chan, Appl. Phys. Lett. 68, 1377<br />
(1996).<br />
[2] R. Ohba, N. Sugiyama, K. Uchida, J. Koga and A. Toriumi, IEEE Trans. Elect. Dev. 49 (2002).<br />
[3] A. Salonidou, A.G.Nassiopoulou, K. Giannakopoulos, A. Travlos, V. Ioannou-Sougleridis and E.<br />
Tsoi, Nanotechnology 15, 1233 (2004).<br />
[4] T. Z. Lu, M. Alexe, R. Scholz, V. Talelaev and M. Zacharias, Appl. Phys. Lett. 87, 202110 (2005).<br />
11
Φασματοσκοπική Μελέτη Διεπιφανειών Υπέρλεπτων Υμενίων Φθαλοκυανίνης<br />
Κοβαλτίου με Ανόργανα Υποστρώματα<br />
Φ. Πετράκη * και Σ. Κέννου<br />
Τμήμα Χημικών Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών & ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ, 26504 Πάτρα<br />
*petraki@chemeng.upatras.gr<br />
Εισαγωγή: Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον για τη χρήση οργανικών υλικών σε εφαρμογές<br />
στη μικροηλεκτρονική, εξαιτίας των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν τα υλικά αυτά σε σύγκριση με τους κλασσικούς<br />
ανόργανους ημιαγωγούς. Οι οργανικοί ημιαγωγοί εκτός από το μικρό βάρος και την ευκαμψία που έχουν, είναι συμβατοί με<br />
πλαστικά υποστρώματα, έχουν φθηνό κόστος παραγωγής και επεξεργασίας κυρίως λόγω χαμηλότερης θερμοκρασίας<br />
παρασκευής, ενώ καθίσταται εύκολη η διαδικασία προσθήκης ποικίλων χημικών προσμίξεων στα μόρια τους. Ωστόσο, ένα<br />
από τα βασικότερα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν είναι η μικρή ευκινησία φορέων και η χαμηλή ταχύτητα μεταγωγής<br />
λόγω διαφορετικής ηλεκτρονιακής δομής και διαφορετικών μηχανισμών μεταφοράς σε σύγκριση με τους ανόργανους<br />
ημιαγωγούς. Είναι σημαντικό να προσδιοριστούν και να βελτιωθούν οι ιδιότητες αυτές καθώς επηρεάζουν καθοριστικά την<br />
απόδοση των ηλεκτρονικών διατάξεων. Πολλοί οργανικοί ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται ήδη σε μικροηλεκτρονικές διατάξεις<br />
όπως OLEDs, OFETs, PVs και αισθητήρες αερίων, στις οποίες ο ρόλος των διεπιφανειών μεταξύ των οργανικών υλικών και<br />
των ηλεκτροδίων (συνήθως μέταλλα ή ανόργανοι ημιαγωγοί) είναι σημαντικός για την κατανόηση του τρόπου λειτουργείας<br />
τους και επομένως για την εύρεση τρόπων βελτίωσης της απόδοσής τους. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η μελέτη<br />
της ηλεκτρονιακής δομής των διεπιφανειών λεπτών υμενίων Φθαλοκυανίνης Κοβαλτίου (CoPc) με ανόργανα υποστρώματα<br />
(ITO και Au) με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες Χ (XPS) και υπεριώδους (UPS). Οι Φθαλοκυανίνες είναι<br />
οργανικοί ημιαγωγοί τύπου p με σχετικά χαμηλή τιμή ευκινησίας και συγκέντρωσης φορέων, χαρακτηρίζονται από θερμική<br />
και χημική σταθερότητα και έχουν αξιόλογες ηλεκτρικές ιδιότητες. Η Φθαλοκυανίνη Κοβαλτίου χρησιμοποιείται ήδη σε<br />
οπτοηλεκτρονικές διατάξεις και αισθητήρες αερίων ενώ οι μαγνητικές ιδιότητες του ιόντος Co την καθιστούν κατάλληλο<br />
υλικό για μοριακό μαγνήτη μικρών διαστάσεων. Υπάρχουν πολλές αναφορές σε ηλεκτρικές μετρήσεις διατάξεων CoPc με<br />
ανόργανα (Al, Au, ITO και Si(111)) υποστρώματα, ενώ ελάχιστες αναφέρονται στη μελέτη των ιδιοτήτων των διεπιφάνειων<br />
που σχηματίζονται σε αυτό το είδος διατάξεων [1-4]. Τα υποστρώματα που χρησιμοποιούνται στην παρούσα μελέτη είναι<br />
υλικά που εφαρμόζονται ως ηλεκτρόδια σε διατάξεις μικροηλεκτρονικής. Ο χρυσός έχει βρεθεί ότι σχηματίζει ωμικές επαφές<br />
με οργανικά υλικά, ενώ το οξείδιο Ινδίου-Κασσιτέρου (ΙΤΟ) λόγω της ηψηλής διαπερατότητας στο ορατό, της ευκολίας<br />
παρασκευής και της συγκρίσιμης αγωγιμότητας που έχει με αυτή των μετάλλων χρησιμοποιείται ευρέως ως ηλεκτρόδιο σε<br />
πολλές ηλεκτρονικές διατάξεις.<br />
Πειραματικό Μέρος: Τα πειράματα έγιναν σε σύστημα υπερυψηλού κενού (UHV), το οποίο αποτελείται από τρεις<br />
θαλάμους, τον θάλαμο ταχείας εισαγωγής του δείγματος, τον θάλαμο προπαρασκευής και τον θάλαμο ανάλυσης (βασική<br />
πίεση 5x10 -10 mbar) στον οποίο είναι προσαρμοσμένες οι τεχνικές XPS και UPS και ο αναλύτης ηλεκτρονίων (SPECS LH-<br />
10). Τα υποστρώματα (πολυκρυσταλλικός Au και ITO) καθαρίστηκαν ex-situ χημικά και κατόπιν in-situ με ιοντοβολή αργού<br />
ενώ για τον καθαρισμό του Au έγινε επιπλέον θέρμανση του δείγματος στους 430 o C. Η Φθαλοκυανίνη Κοβαλτίου (CoPc)<br />
(από Alfa Aesar) εξαχνώθηκε σταδιακά από κατάλληλα σχεδιασμένη πηγή εξάχνωσης, τοποθετημένη στον θάλαμο<br />
προπαρασκευής του συστήματος, σε θερμοκρασία 385 o C, πάνω στα φασματοσκοπικά καθαρά υποστρώματα.<br />
Παρασκευάστηκαν υμένια υψηλής καθαρότητας και συνολικού πάχους ~10.0 nm. Μετά από κάθε στάδιο απόθεσης<br />
ακολουθούσε μελέτη της σχηματιζόμενης διεπιφάνειας με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες Χ (AlKα=1486.6<br />
eV) και υπεριώδους (HeI=21.22 eV).<br />
Αποτελέσματα και Συζήτηση: Κατά τις διαδοχικές αποθέσεις CoPc παρατηρείται ότι η ένταση των χαρακτηριστικών<br />
κορυφών XPS των υποστρωμάτων (Au4f, Sn3d, In3d) εξασθενούν σταδιακά, ενώ εμφανίζονται νέες κορυφές (C1s, N1s,<br />
Co2p) που αποδίδονται στα επίπεδα καρδιάς του μορίου της φθαλοκυανίνης. Δεν παρατηρείται μεταβολή στο σχήμα των<br />
κορυφών XPS τόσο των υποστρωμάτων όσο και του οργανικού αποθέματος, γεγονός που αποτελεί ένδειξη απουσίας<br />
χημικής αντίδρασης της CoPc με το ITO και τον Au. Στο σχήμα 1 δίνεται η μεταβολή της κορυφής XPS του C1s της CoPc<br />
με την αύξηση του πάχους του οργανικού υμενίου και στις δύο διεπιφάνειες. Παρατηρείται ότι κατά την απόθεση CoPc πάνω<br />
σε Au η κορυφή του άνθρακα μεταβάλλεται προς μεγαλύτερες ενέργειες σύνδεσης κατά 0.15 eV και για πάχος οργανικού<br />
υμενίου μέχρι ~ 1.5 nm. Αντίθετα στην περίπτωση του ITO η μεταβολή γίνεται προς μικρότερες ενέργειες ενώ είναι<br />
μεγαλύτερη κατά απόλυτη τιμή (0.54 eV) απ’ ότι στη διεπιφάνεια CoPc/Au. Για μεγαλύτερο πάχος οργανικού υμενίου η<br />
κορυφή C1s παραμένει σταθερή και στις δύο διεπιφάνειες, αποκλείοντας την κάμψη στις ενεργειακές ζώνες της CoPc.<br />
Παρόμοια συμπεριφορά με αυτή του άνθρακα σε κάθε διεπιφάνεια παρουσιάζουν και οι κορυφές XPS N1s και Co2p. Στο<br />
υμένιο CoPc πάχους ~5.0 nm η κορυφή του C1s εμφανίζεται σε ενέργεια σύνδεσης 284.8 eV και στις δύο διεπιφάνειες, ενώ<br />
αυτές των N1s και Co2p σε ενέργειες σύνδεσης 399.0 eV και 780.8 eV αντίστοιχα.<br />
Με τη φασματοσκοπία υπεριώδους προσδιορίστηκε η δομή της ζώνης σθένους της CoPc, η οποία αποτελείται από πέντε<br />
κορυφές σε ενέργειες σύνδεσης που συμφωνούν με θεωρητικούς υπολογισμούς [5], και η τιμή του έργου εξόδου της. Το<br />
έργο εξόδου του Au προσδιορίστηκε ίσο με 5.20 ±0.05 eV και του ITO ίσο με 4.20 ±0.05 eV. Στο σχήμα 2 δίνεται η<br />
μεταβολή του έργου εξόδου κατά τον σχηματισμό των διεπιφανειών CoPc/Au και CoPc/ITO. Με την αύξηση του πάχους του<br />
οργανικού υμενίου στη διεπιφάνεια με τον Au παρατηρείται απότομη μείωση του έργου εξόδου μέχρι την τελική τιμή που<br />
είναι ίση με 4.40 ±0.05 eV, η οποία λαμβάνεται σε κάλυψη ~ 2.0 nm και αντιστοιχεί στο έργο εξόδου της CoPc, θεωρώντας<br />
ότι συμβαίνει ευθυγράμμιση των επιπέδων Fermi των δύο υλικών. Στην περίπτωση του ITO παρατηρείται μια τάση προς<br />
αύξηση του έργου εξόδου στα πρώτα στάδια των αποθέσεων έως τα ~0.5 nm, ενώ με την αύξηση του πάχους του οργανικού<br />
υμενίου η τιμή του έργου εξόδου μειώνεται και λαμβάνει την τιμή 4.40 eV σε πάχος ~2.0 nm. Παρόμοια συμπεριφορά έχει<br />
παρατηρηθεί και για τις διεπιφανειες CuPc/ITO και CuPc/Au [6]. Η συνολική μεταβολή του έργου εξόδου υπολογίζεται ίση<br />
12
με 0.80 eV στη διεπιφάνεια CoPc/Au και 0.20 eV στη διεπιφάνεια CoPc/ΙΤΟ και εφόσον δεν παρατηρείται κάμψη των<br />
ενεργειακών ζωνών του οργανικού οι μεταβολές του έργου εξόδου αντιπροσωπεύουν το μέγεθος του διπόλου που<br />
σχηματίζεται στη διεπιφάνεια.<br />
C1s Binding Energy (eV)<br />
285,4<br />
285,3<br />
285,2<br />
285,1<br />
285,0<br />
284,9<br />
284,8<br />
284,7<br />
CoPc/Au<br />
CoPc/ITO<br />
High Binding Energy cut-off (eV)<br />
5,2<br />
5,0<br />
4,8<br />
4,6<br />
4,4<br />
4,2<br />
CoPc/ITO<br />
CoPc/Au<br />
284,6<br />
0 1 2 3 4 5<br />
CoPc thickness (nm)<br />
0 1 2 3 4 5 6 7<br />
CoPc thickness (nm)<br />
Σχήμα 1. Μεταβολή της ενέργειας σύνδεσης<br />
της κορυφής XPS του C1s κατά τις διαδοχικές<br />
αποθέσεις της CoPc πάνω σε Au και ITO.<br />
Σχήμα 2. Μεταβολή του έργου εξόδου<br />
κατά τον σχηματισμό των διεπιφανειών<br />
CoPc/Au και CoPc/ITO.<br />
Από τα φάσματα UPS προσδιορίστηκε επίσης η θέση του υψηλότερου κατειλημμένου μοριακού τροχιακού (HOMO) στο<br />
υμένιο της CoPc πάχους ~5.0 nm, το οποίο βρέθηκε σε ενέργεια σύνδεσης 0.80 ±0.05 eV και στις δύο διεπιφάνειες, ενώ<br />
υπολογίστηκε το φράγμα έγχυσης οπών (Φ bh ), το οποίο είναι ίσο με το HOMO, 0.80 ±0.05 eV και στις δύο διεπιφάνειες,<br />
καθώς δεν συμβαίνει κάμψη των ενεργειακών ζωνών του οργανικού. Προσδιορίστηκε τέλος η ενέργεια ιονισμού (I) της<br />
CoPc από τη σχέση, I= eΦ (CoPc) + HOMO cut-off = 5.20 ±0.05 eV, μέγεθος το οποίο έχει σταθερή τιμή για κάθε υλικό. Από<br />
τον συνδυασμό των πειραματικών αποτελεσμάτων για τις διεπιφάνειες CoPc/Au και CoPc/ITO μπορούμε να σχεδιάσουμε το<br />
διάγραμμα των ενεργειακών επιπέδων των δύο υλικών στις ετεροεπαφές (σχήμα 3).<br />
Η ενεργειακή μετατόπιση στα επίπεδα καρδιάς του οργανικού υμενίου, η οποία παρατηρείται για πάχη μέχρι ~2.0<br />
nm και στις δύο διεπιφάνειες έχει αντίθετη φορά. Στην περίπτωση του ΙΤΟ, παρατηρείται μεταβολή κατά +0.54 eV η οποία<br />
αποδίδεται σε πιθανή μεταφορά φορτίου από το οργανικό υμένιο στο υπόστρωμα ή σε εμφάνιση φαινομένων αρχικής<br />
κατάστασης λόγω ηλεκτρονιακής θωράκισης των σχηματιζόμενων οπών στο οργανικό μόριο από τα γειτονικά μόρια. Η<br />
μικρή αύξηση του έργου εξόδου στα πρώτα στάδια των αποθέσεων οφείλεται είτε στη μεταφορά φορτίου προς το<br />
υπόστρωμα η οποία μειώνεται με την αύξηση του πάχους του οργανικού υμενίου, είτε στην εξομάλυνση της τραχιάς<br />
επιφάνειας του ΙΤΟ, λόγω της ιοντοβολής με αργό, από τα πρώτα αποτιθέμενα οργανικά μόρια. Στην περίπτωση του Au, η<br />
αρχική μετατόπιση της ενέργειας σύνδεσης οφείλεται στη θωράκιση των οπών από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του χρυσού. Στα<br />
πρώτα στάδια των αποθέσεων της CoPc συμβαίνει ανακατανομή του ηλεκτρονιακού νέφους στην επιφάνεια του μετάλλου<br />
εξαιτίας της παρουσίας των μορίων του οργανικού υλικού, με αποτέλεσμα να «πιέζονται» τα άκρα του ηλεκτρονιακού<br />
νέφους προς το μέταλλο συντελώντας σε θετική φόρτιση της επιφάνειας κοντά στο επίπεδο του κενού και επομένως στο<br />
χαμήλωμα του επιπέδου κενού και στη μείωση του έργου εξόδου, σχηματίζοντας έτσι ένα επιφανειακό δίπολο.<br />
Evac<br />
eD = 0.80 eV<br />
Evac<br />
Evac<br />
eD = +0.20 eV<br />
Evac<br />
eΦ(Au) = 5.20 eV<br />
eΦ(CoPc) = 4.40 eV<br />
I= 5.20 eV<br />
eΦ(ITO) = 4.20 eV<br />
I= 5.20 eV<br />
eΦ(CoPc) = 4.40 eV<br />
E F<br />
E F<br />
Φ bh = 0.80 eV<br />
HOMO cutoff<br />
Φ bh = 0.80 eV<br />
HOMO cutoff<br />
Au<br />
CoPc<br />
ITO<br />
CoPc<br />
Σχήμα 3. Σχηματική απεικόνιση των ενεργειακών διαγραμμάτων στις διεπιφάνειες CoPc/Au (αριστερά) και<br />
CoPc/ITO (δεξιά).<br />
Αναφορές<br />
[1] Upward M.D., Beton P.H., Moriarty P., Surf. Sci. 441 (1999) 21.<br />
[2] Takada M., Tada H., Chem. Phys. Lett. 392 (2004) 265.<br />
[3] Abdel-Malik T.G., Abdel-Latif R.M., Thin Solid Films 305 (1997) 336.<br />
[4] Scudiero L., Hipps K.W., Barlow Dan E., J. Phys. Chem. B 107 (2003) 2903.<br />
[5] Höchst H., Goldmann A., Hüfner S., Malter H., Phys. Stat. Sol. (b) 76 (1976) 559.<br />
[6] Peisert H., Knupfer M., Schwieger T., Fink J., Appl. Phys. Lett. 80/16 (2002) 2916.<br />
13
2 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Ημιαγώγιμα Υλικά και Διατάξεις»
Εντοπισµός Φορέων σε InGaN/GaN Κβαντικά Φρέατα Φωτοδιόδων<br />
Ανεπτυγµένων µε MOCVD<br />
S.-L. Sahonta 1 , Φ. Κοµνηνού 1* , Γ. Π. ∆ηµητρακόπουλος 1 , Ι. Κιοσέογλου 1 , Θ. Κεχαγιάς 1 ,<br />
Θ. Καρακώστας 1 , C. Salcianu 2 , E.J. Thrush 2<br />
1 Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης<br />
2 Thomas Swan Scientific Equipment Limited, Buckingway Business Park, Swavesey, Cambridge, CB4 5FQ, UK<br />
*komnhnoy@auth.gr<br />
Στην παρούσα εργασία µελετήθηκαν φωτοδίοδοι (light emitting diodes – LEDs) κυανού φωτός αποτελούµενες από πέντε<br />
περιόδους κβαντικών φρεάτων (quantum wells – QW) InGaN δοµής βουρτσίτη. Οι πολυστρωµατικές δοµές InGaN/GaN<br />
αναπτύχθηκαν µε µεταλλοργανική χηµική εναπόθεση ατµών (MOCVD). Οι παρατηρήσεις ηλεκτρονικής µικροσκοπίας<br />
διέλευσης µεγάλης ανάλυσης (high resolution transmission electron microscopy – HRTEM) έδειξαν ότι η περιοχή των<br />
κβαντικών φρεάτων εµφανίζει κατακερµατισµό της δοµής τους και υψηλή πυκνότητα δοµικών ατελειών, παρά την πολύ<br />
καλή εσωτερική κβαντική αποδοτικότητα της διάταξης.<br />
Ο εντοπισµός των εξιτονίων στα κβαντικά φρέατα InGaN αποδίδεται επί του παρόντος στο διαχωρισµό φάσεων εντός του<br />
QW µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία συµπλεγµάτων (clusters) µε υψηλή συγκέντρωση ινδίου. Αυτά συµπεριφέρονται ως<br />
κβαντικά στίγµατα (quantum dots – QD) µε αποτέλεσµα να παρεµποδίζεται η µετακίνηση των φορέων σε κέντρα µη<br />
ενεργών επανασυνδέσεων όπως είναι για παράδειγµα οι νηµατοειδείς εξαρµόσεις [1,2]. Παρ’όλα αυτά από τη µελέτη της<br />
πολυστρωµατικής δοµής InGaN/GaN µε ΗRTEM δεν ανέκυψαν αποδείξεις µαζικού σχηµατισµού συµπλεγµάτων ινδίου<br />
οπότε αναζητήθηκαν εναλλακτικοί µηχανισµοί εντοπισµού των φορέων. Μελετήθηκε ο πιθανός ρόλος του δοµικού<br />
κατακερµατισµού στον εντοπισµό των φορέων και στην ενίσχυση της αποδοτικότητας εκποµπής.<br />
Οι µελέτες φωτοφωταύγειας έδειξαν ότι τα LED εµφανίζουν σχετικά υψηλή εσωτερική κβαντική αποδοτικότητα: 50% για<br />
LED ανεπτυγµένo σε (0001) υπόστρωµα σαπφείρου και 20% για LED ανεπτυγµένο σε (111) υπόστρωµα πυριτίου (Σχήµα<br />
1). Οι παρατηρήσεις ηλεκτρονικής µικροσκοπίας διέλευσης µεγάλης ανάλυσης έδειξαν ότι τα κβαντικά φρέατα στην ενεργό<br />
περιοχή της διάταξης είναι κατακερµατισµένα και εµφανίζουν κενά µήκους από ~5 nm έως 50 nm µεταξύ των οποίων<br />
υπάρχουν αντίστοιχων διαστάσεων διακριτές περιοχές των φρεάτων (Εικόνες 1 & 2). Επίσης, κατά µήκος των φρεάτων<br />
παρατηρούνται σφάλµατα επιστοίβασης στο επίπεδο (0001), περιοχές σφαλεριτικής επιστοίβασης, και διακυµάνσεις του<br />
πάχους (Εικόνες 2 & 3). Οι ατέλειες αυτές δεν εµφανίζονται να έχουν σηµαντική επίδραση στην αποδοτικότητα της<br />
διάταξης. Τα σφάλµατα επιστοίβασης και η σφαλεριτική επιστοίβαση δεν εισάγουν ηλεκτρονικές στάθµες στο ενεργειακό<br />
χάσµα [3], και εποµένως δεν αναµένεται να έχουν αρνητική επίδραση στην αποδοτικότητα. Επιπρόσθετα, δεν<br />
παρατηρήθηκαν συµπλέγµατα υψηλής συγκέντρωσης ινδίου και εποµένως ο µηχανισµός του εντοπισµού των φορέων πρέπει<br />
να αναζητηθεί στον κατακερµατισµό των φρεάτων. Προτείνεται ότι οι περιοχές των κατακερµατισµένων φρεάτων<br />
συµπεριφέρονται ως «κβαντικά κουτιά» (quantum boxes) µε αποτέλεσµα τον περιορισµό των φορέων και την αύξηση των<br />
ενεργών επανασυνδέσεων ηλεκτρονίων-οπών.<br />
[1] Ho Ι., Stringfellow G.B., Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 2701.<br />
[2] El-Masry N. A., Piner, E. L., Liu, S. X., Bedair, S. M., Appl. Phys. Lett., 72, (1998) 40.<br />
[3] Stampfl C., Van de Walle C. G., Phys. Rev. B 57 (1998) 24 LII-LV.<br />
Ευχαριστίες: Η παρούσα εργασία υποστηρίχθηκε από την ΕΕ διαµέσου του προγράµµατος MRTN-CT-2004-005583<br />
(PARSEM).<br />
Quantum Efficiency (%)<br />
InGaN/GaN<br />
LED on SI<br />
E = 4.275 eV<br />
01/04/05<br />
~20%<br />
g<br />
Σχήµα 1. Η εσωτερική κβαντική<br />
αποδοτικότητα ενός LED<br />
ανεπτυγµένου σε (111) Si, όπως<br />
προέκυψε από µετρήσεις<br />
φωτοφωταύγειας σαν συνάρτηση της<br />
θερµοκρασίας. Στη θερµοκρασία<br />
δωµατίου η αποδοτικότητα είναι<br />
20%, µία µέση τιµή για GaN LEDs on<br />
Si.<br />
10<br />
0 100 200 300<br />
T (K)<br />
20 nm<br />
14
p-GaN<br />
InGaN wells<br />
Eικόνα 1. Εικόνα ηλεκτρονικής<br />
µικροσκοπίας διέλευσης υπό<br />
συνθήκη σκοτεινού πεδίου µε g =<br />
0002, όπου απεικονίζονται τα<br />
κβαντικά φρέατα σε ετεροδοµή<br />
LED ανεπτυγµένη σε (111)<br />
υπόστρωµα πυριτίου. ∆ιακρίνεται<br />
ο κατακερµατισµός των φρεάτων.<br />
GaN<br />
barriers<br />
n-GaN<br />
(α)<br />
(β)<br />
5 nm<br />
5 nm<br />
Eικόνα 2. (α) Εικόνα HRTEM ενός κβαντικού φρέατος διάταξης LED ανεπτυγµένης σε (111) υπόστρωµα πυριτίου. Τα βέλη<br />
υποδεικνύουν σηµεία κατακερµατισµού. (β) Εικόνα των κροσσών 0002 µετά από επιλογή της αντίστοιχης συχνότητας στον<br />
αντίστροφο χώρο. Φαίνονται πρόσθετα ηµίσεια επίπεδα που σχετίζονται µε κλασµατικές εξαρµόσεις στα όρια σφαλµάτων<br />
επιστοίβασης.<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
GaN<br />
InGaN<br />
GaN<br />
Εικόνα 3. Εικόνα HRTEM, κοντά στον<br />
[2-1-10] άξονα ζώνης, ενός κβαντικού<br />
φρέατος InGaN διατάξεως LED που<br />
αναπτύχθηκε σε (0001) υπόστρωµα<br />
σαπφείρου. ∆ιακρίνεται η δοµή (0001)<br />
σφάλµατος επιστοίβασης τύπου I 1 κατά<br />
µήκος του κβαντικού φρέατος, το οποίο<br />
µπορεί να θεωρηθεί ως µία µονή σφαλεριτική<br />
επιστοίβαση εντός της βουρτσιτικής µήτρας<br />
GaN.<br />
15
Παρασκευή και Xαρακτηρισμός Λεπτών Υμενίων ZnN με την Μέθοδο του R.F.<br />
Magnetron Sputtering<br />
Β.Καμπυλαυκά a , Π. Βουλγαροπούλου b , Σ.Ντούνης b , Μ. Ανδρουλιδάκη c , M. Ružinský d , V. Šály d , P. Prokein d , Ζ.<br />
Βισκαδουράκης c , and Η. Απεραθίτης c<br />
a<br />
Physics Department, University of Crete, P.O. Box 2208, 71003 Heraklion, Crete, Greece<br />
b Materials Science & Technology Department, University of Crete, P.O. Box 2208, 71003 Heraklion, Crete, Greece<br />
c Microelectronics Research Group, Institute of Electronic Structure & Laser, Foundation for Research and Technology –<br />
FORTH-Hellas, P.O. Box 1527, Heraklion 71110, Crete, Greece<br />
d Slovak University of Technology, Faculty of Electrical Engineering and Information Technology, Ilkovičova 3, SK-812 19<br />
Bratislava, Slovak Republic<br />
* alky2@otenet.gr<br />
Η παρούσα μελέτη αφορά στην παρασκευή λεπτών υμενίων (thin films) ZnN , καθώς και στον ηλεκτρικό οπτικό και δομικό<br />
χαρακτηρισμό τους. Τα υμένια εναποτέθηκαν με την μέθοδο του r.f. magnetron sputtering σε περιβάλλον μείγματος αερίων<br />
Αr-Ν 2 , σε r.f. ισχύ 100Watt , και σε συνολική πίεση θαλάμου 5mTorr ή 10mTorr.<br />
Για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκε στόχος ZnN (zinc nitride) ενώ η εναπόθεση έγινε σε υπόστρωμα γυαλιού Corning 7059 ή<br />
σε fused silica. Η ύπαρξη ατόμων και μορίων Zn και N 2 μέσα στον θάλαμο , πιστοποιήθηκε χρησιμοποιώντας<br />
φασματοφωτόμετρο (Optical Emission Spectroscopy).Τα υμένια μετά την εναπόθεση τους υπέστησαν ανόπτηση που<br />
πραγματοποιήθηκε σε ροή N 2 σε σύστημα RTA (Rapid Thermal Annealing, Jipelec FAV4).Ορισμένα από τα δείγματα<br />
οξειδώθηκαν για δύο ώρες σε φούρνο ροής Ο 2 και θερμοκρασίας 800ºC. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των υμενίων μετρήθηκαν<br />
βάση του φαινόμενου Hall με την τεχνική των τεσσάρων επαφών Van der Pauw. Οι οπτικές ιδιότητες εξετάστηκαν<br />
καταγράφοντας την Transmittance των υμενίων στο UV-NIR φάσμα (Varian , Cary 50) και την φασματοφωταύγεια τους(PL,<br />
photoluminescence) χρησιμοποιώντας λέιζερ He-Cd (CW325nm) .Το πάχος των δειγμάτων μετρήθηκε με το προφιλόμετρο<br />
a-step100 Tencor.<br />
Τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν τόσο αμέσως μετά την εναπόθεση τους όσο και μετά από τις διεργασίες της<br />
ανόπτησης και της οξείδωσης.<br />
Τα υμένια ZnN που εναποτέθηκαν με 100% Ar σε πίεση θαλάμου 5mTorr είχαν μεγαλύτερο ρυθμό εναπόθεσης<br />
από εκείνα που παρασκευάσθηκαν σε πίεση 10mTorr εξαιτίας της μικρότερης κινητικής ενέργειας του πλάσματος. Επίσης<br />
όταν αυξήθηκε το ποσοστό N 2 στο πλάσμα , τότε μειώθηκε αισθητά και ο ρυθμός εναπόθεσης.<br />
Στο σχήμα 1. φαίνονται οι καμπύλες του ρυθμού εναπόθεσης σε συνάρτηση με το ποσοστό αζώτου που εισήλθε στον<br />
θάλαμο.<br />
Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των υμενίων που παρασκευάσθηκαν με 100%Ar έδειξαν αντίσταση της τάξης 10 -1 -10 -2<br />
Ωcm και συγκέντρωση φορέων 10 19 -10 20 cm -3 το οποίο έρχεται σε συμφωνία με παρόμοιες μελέτες για το ZnN [2,4,9]<br />
Αντίθετα, όλα τα δείγματα που εναποτέθηκαν με μείγμα Ar και N 2 στον θάλαμο, είχαν πολύ μεγάλη τιμή αντίστασης<br />
(kΩcm). Στο Σχήμα 2. φαίνονται οι διαφορές των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των δειγμάτων μετά την διεργασία της ανόπτησης<br />
σε περιβάλλον N 2 .Η αντίσταση των δειγμάτων φαίνεται να βελτιώνεται μόνο σε θερμοκρασίες ανόπτησης έως 300ºC. Για<br />
υψηλότερες τιμές θερμοκρασίας η αγωγιμότητα των δειγμάτων μειώνεται και η συγκέντρωση των φορέων μειώνεται .<br />
Ωστόσο η αλλαγή του τύπου αγωγιμότητας από n σε p τύπου παρατηρήθηκε μόνο μετά από οξείδωση των υμενίων ZnN.<br />
Η transmittance των υμενίων αυξήθηκε με την αύξηση του N 2 στον θάλαμο του sputtering. Τα δείγματα που<br />
παρασκευάσθηκαν με 100% Ar ήταν αδιαφανή σε σχέση με αυτά που εναποτέθηκαν με χρήση N 2 .Στο σχήμα 3.<br />
παρουσιάζεται η βελτίωση της διαπερατότητας των υμενίων και στις δύο συνολικές πιέσεις του θαλάμου (5&10mTorr).<br />
Παρατηρήσαμε βελτίωση της transmittance και μετά από την οξείδωση των δειγμάτων μέσα σε φούρνο θερμοκρασίας 400ºC<br />
και 550ºC το οποίο παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.<br />
Συμπερασματικά αναφέρουμε ότι τα λεπτά υμένια ZnN παρουσιάζουν μεγάλες τιμές διαπερατότητας αν κατά την<br />
εναπόθεση χρησιμοποιηθεί μαζί με το Ar και αέριο άζωτο. Η αγωγιμότητα τους είναι χαμηλή αλλά φαίνεται να βελτιώνεται<br />
μετά από ανόπτηση στους 300ºC. Τέλος , η οξείδωση των δειγμάτων αύξησε κατά πολύ την αρχική τους διαπερατότητα και<br />
μετέτρεψε την αγωγιμότητα ορισμένων δειγμάτων από n σε p τύπου.<br />
16
7.5<br />
10 22<br />
Deposition rate (nm/min)<br />
7.0<br />
3<br />
2<br />
1<br />
10 mTorr<br />
5 mTorr<br />
Resistivity (Ωcm)<br />
10 1<br />
10 0<br />
10 -1<br />
10 -2<br />
10 2 10 14<br />
10 20<br />
10 18<br />
10 16<br />
Carrier Concentration (cm -3 )<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100<br />
% N 2<br />
in Ar plasma<br />
10 -3<br />
0 100 200 300 400 500 600<br />
Annealing temperature ( o C)<br />
Σχήμα 1. Ρυθμός εναπόθεσης λεπτών υμενίων ZnN<br />
Σχήμα 2. Ηλεκτρικές ιδιότητες<br />
(τετράγωνα=5mTorr 160nm πάχος,<br />
κύκλοι=5mTorr 62nm ,<br />
τρίγωνα=10mTorr 95nm)<br />
80<br />
100 (b) 10 mTorr Glass substrate<br />
100<br />
(a) 5 mTorr<br />
80<br />
Transmittance (%)<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100<br />
Wavelength (nm)<br />
Glass substrate<br />
0% N 2 (d=445nm)<br />
25% N 2 (d= 85nm)<br />
50% N 2 (d=100nm)<br />
75% N 2 (d=110nm)<br />
100% N 2 (d=160nm)<br />
Transmittance (%)<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0% N 2 (d=170nm)<br />
25% N 2 (d= 90nm)<br />
50% N 2 (d= 70nm)<br />
75% N 2 (d= 70nm)<br />
100% N 2 (d= 40nm)<br />
0<br />
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100<br />
Wavelength (nm)<br />
Σχήμα 3. Transmittance 5mTorr<br />
Σχήμα 4. Transmittance 10mTorr<br />
100<br />
Thermal oxidation<br />
80<br />
Transmittance (%)<br />
60<br />
40<br />
substrate<br />
as-prepared<br />
O 2<br />
, 400 o C, 30 min<br />
O 2<br />
, 550 o C, 2 hours<br />
Σχήμα 5. Transmittance μετά από οξείδωση<br />
20<br />
0<br />
200 400 600 800 1000<br />
Wavelength (nm)<br />
[1] C. Wang, Z. Ji, K. Liu, Y. Xiang and Z.Ye, J. Crystal Growth 259 (2003) 279.<br />
[2] J.G. Ma, Y.C.Liu, R. Mu, J.Y. Zhang, Y.M. Lu, D.Z. Shen and X.W. Fan, J. Vac. Sci. Technol. B 22 (2004) 94.<br />
[3] Y. Nakano, T. Morikawa, T. Ohwaki and Y. Taga, Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 172103.<br />
17
Electrical Spin Injection from Fe into Silicon<br />
G. Kioseoglou 1,2* , A.T. Hanbicki 1 , C.H. Li 1 , P.E. Thompson 1 , and B.T. Jonker 1<br />
1 Naval Research Laboratory, Washington, DC 20375<br />
2 Materials Science and Technology, University of Crete, Heraklion, Crete<br />
*gnk@materials.uoc.gr<br />
An essential requirement for the success of spintronic devices is efficient electrical injection of spin-polarized carriers<br />
from a contact into a semiconductor. Ferromagnetic metals (such as Fe) are attractive contact materials because they<br />
supply spin-polarized electrons and offer high Curie temperatures. While significant progress has been realized in<br />
GaAs where electron spin polarizations up to 40% have been obtained due to electrical injection from Fe or FeCo<br />
contacts [1,2], little has been made in Si, despite its overwhelming dominance of the semiconductor industry.<br />
Several fundamental properties of Si make it an ideal host for spin-based functionality. Spin orbit effects<br />
producing spin relaxation are much smaller in Si than in GaAs due to the lower atomic mass and the inversion<br />
symmetry of the crystal structure itself. In addition, the dominant naturally occurring isotope, Si 28 , has no nuclear spin,<br />
suppressing hyperfine interactions and therefore relatively long spin lifetimes are expected.<br />
We report successful electrical injection of spin-polarized electrons from an Fe film through an Al 2 O 3 tunnel<br />
barrier into Si (001). Two types of samples were studied: (i) Si samples consisting of n-i-p doped heterostructures<br />
grown by molecular beam epitaxy (MBE) on p-doped Si (001) wafers and (ii) Si epilayers (n-doped, 80 nm thick)<br />
grown on n-Al 0.1 Ga 0.9 As/GaAs/p-Al 0.3 Ga 0.7 As QW structures. The second type enables a quantitative determination of<br />
the electron spin polarization although the crystalline quality of the Si is lower and an additional heterointerface is<br />
introduced (Si/Al 0.1 Ga 0.9 As). The electroluminescence (EL) spectra from an Fe/Al 2 O 3 /Si n-i-p structure are dominated<br />
by transverse acoustic and optical phonon emission in the p+ Si layer, which is 140 nm below the Fe contact. The<br />
circular polarization of the EL resulting from radiative recombination in Si and in GaAs (in Si/AlGaAs/GaAs<br />
structures) tracks the Fe magnetization, confirming that these spin polarized electrons originate from the Fe contact.<br />
The polarization reflects Fe majority spin. We determine a lower bound for the Si electron spin polarization of 10%,<br />
with significant polarization extending to at least 125K.<br />
[1] A.T. Hanbicki et al, Appl. Phys. Lett. 80, 1240 (2002).<br />
[2] X. Jiang et al, Phys. Rev. Lett. 94, 056601 (2005).<br />
This work was supported by ONR and core programs at NRL.<br />
18
Εμφάνιση Σιδηρομαγνητικών Ιδιοτήτων σε Ημιαγώγιμα Οξείδια του Τύπου In 2 O 3 με<br />
προσμίξεις Fe και Mn<br />
Α. Π. Δούβαλης 1,2* , L. Jankovic 2 και Θ. Μπάκας 2<br />
1 Τμήμα Επιστήμης & Τεχνολογίας Υλικών, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Τ. Θ. 1886, 45110, Ιωάννινα<br />
2 Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Τ. Θ. 1886, 45110, Ιωάννινα<br />
*adouval@cc.uoi.gr<br />
Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ερευνητικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον για υλικά τα οποία μπορούν να<br />
χρησιμοποιηθούν ως βάση για την ανάπτυξη νέων διατάξεων στο γρήγορα εξελισσόμενο πεδίο της μαγνητο-ηλεκτρονικής<br />
[1]. Μία τέτοια κατηγορία υλικών είναι οι λεγόμενοι Σιδηρομαγνητικοί Ημιαγωγοί. Συμβατικοί ημιαγωγοί όπως GaAs,<br />
SnO 2 , TiO 2 , ZnO ή In 2 O 3 κ.α., οι οποίοι διαθέτουν ευρύ φάσμα τεχνολογικών εφαρμογών στην ηλεκτρονική και οπτοηλεκτρονική,<br />
αλλά παρουσιάζουν διαμαγνητικές ιδιότητες, έχει βρεθεί ότι μπορούν να αποκτήσουν σιδηρομαγνητικές<br />
ιδιότητες όταν στην δομή τους εισαχθούν μικρά ποσοστά προσμίξεων από κάποιο στοιχείο μετάλλου μεταπτώσεως όπως Fe,<br />
Mn, Co, Cr, Cu κ.α. Ιδιαίτερα για τους ημιαγωγούς οξειδίων έχει δειχθεί ότι πολύ σημαντική είναι η δυνατότητα παρασκευής<br />
νέων υλικών με θερμοκρασίες Curie που υπερβαίνουν την θερμοκρασία δωματίου [2].<br />
Το οξείδιο In 2 O 3 είναι ένας ημιαγωγός ο οποίος έχει πολύ σημαντικές εφαρμογές στο πεδίο της οπτο-ηλεκτρονικής, αφού<br />
παρουσιάζει υψηλή αγωγιμότητα και διαπερατότητα στο οπτικό τμήμα του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.<br />
Η νόθευση του καθαρού In 2 O 3 με ιόντα Fe, ή συνδυασμό ιόντων Fe-Mn και Fe-Cu έχει αναφερθεί ότι προκαλεί την<br />
εμφάνιση σιδηρομαγνητισμού σε θερμοκρασία δωματίου [3]. Όμως η διαπίστωση και σωστή ερμηνεία των<br />
σιδηρομαγνητικών ιδιοτήτων που οφείλονται στην εισαγωγή των ιόντων Fe, Mn ή Cu στην δομή του In 2 O 3 , όπως και σε<br />
όλους τους υπόλοιπους σιδηρομαγνητικούς ημιαγωγούς, εμποδίζεται πολλές φορές από την παρουσία σιδηρομαγνητικών<br />
προσμίξεων οι οποίες μπορούν να δημιουργηθούν κατά την διαδικασία παρασκευής των δειγμάτων.<br />
Στην εργασία αυτή παρουσιάζουμε την μελέτη των μαγνητικών, ηλεκτρονικών και δομικών ιδιοτήτων δειγμάτων In 2 O 3 στα<br />
οποία έχουν γίνει προσμίξεις Fe, ή συνδυασμός προσμίξεων (Fe, Mn) και (Fe, Cu) σε διάφορα (ατομικά) ποσοστά<br />
αντικατάστασης ιόντων In έως και 15%. Τα δείγματα παρασκευάστηκαν με χημική μέθοδο συγκαταβύθισης και<br />
μελετήθηκαν με τεχνικές περίθλασης ακτίνων-Χ, φασματοσκοπίας Mössbauer και μετρήσεων μαγνήτισης. Η μελέτη δείχνει<br />
ότι οι μαγνητικές ιδιότητες των υλικών εξαρτώνται ισχυρά από τις συνθήκες παρασκευής των δειγμάτων. Τα δείγματα που<br />
παρασκευάστηκαν σε ατμοσφαιρικό περιβάλλον παρουσιάζουν παραμαγνητικές ιδιότητες σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ<br />
μόνο ένα δείγμα In 2 O 3 με συνδυασμό προσμίξεων (Fe, Mn) το οποίο παρασκευάστηκε υπό συνθήκες κενού παρουσιάζει<br />
σιδηρομαγνητικές ιδιότητες. Γίνεται συζήτηση των μαγνητικών ιδιοτήτων των παρασκευασθέντων υλικών σε σχέση με τις<br />
δομικές και ηλεκτρονικές τους ιδιότητες, αλλά και σε σχέση με την πιθανότητα παρουσίας δευτερευόντων<br />
σιδηρομαγνητικών φάσεων.<br />
Αναφορές<br />
[1] Coey J.M.D. and Sanvito S., J. Phys. D: Appl. Phys., 37 (2004) 988.<br />
[2] Fukumura T., Toyosaki H. and Yamada Y., Semicond. Sci. Technol., 20 (2005) S103; Coey J.M.D., Douvalis A. P.,<br />
Fitzgerald C. B. and Venkatesanet M., Appl. Phys. Lett., 84 (2004) 1332.<br />
[3] Peleckis G., Wang X. L.and Dou S. X., Appl. Phys. Lett., 88 (2006) 132507; Yu Z. G., He J., Xu S., Xue Q., van’t Erve<br />
O. M. J., Jonker B. T., Marcus M. A., Yoo Y. K., Cheng S. and Xiang X.-d., Phys. Rev. B 74 (2006) 165321.<br />
19
Electrical Spin Injection of Spin-Polarized Electrons into InAs QDs from Fe<br />
Contacts<br />
A. Petrou 1 , M. Yasar 1 , M. Diaz-Avila 1 , G. Kioseoglou 2,3 , C.H. Li 2 , B.T. Jonker 2<br />
1 SUNY at Buffalo, Buffalo N.Y<br />
2 Naval Research Laboratory, Washington, DC 20375<br />
3 Materials Science and Technology, University of Crete, Heraklion, Crete<br />
*petrou@buffalo.edu<br />
Spin-polarized electrons from Fe contacts were injected into zero-dimensional InAs quantum dots (QDs) where they<br />
recombine with unpolarized holes. Using standard MBE growth techniques, the QD density was reduced resulting in<br />
uniform dot-size distribution. The broad electroluminescence (EL) observed previously in high QD density LEDs [1]<br />
is replaced by distinct excitonic features associated with the atomic-like conduction and valence band s-, p-, d-, and f-<br />
shells of the QDs. When the diode current was increased, the higher energy shells became populated as the lower shells<br />
became occupied. The circular polarization P of the emitted light was studied as function of applied magnetic field B,<br />
current, and temperature. The circular polarization of the EL intensity maxima is almost zero for completely filled<br />
shells. These peaks are identified as due to excitonic emission that involves electrons and holes within the same shell.<br />
The circular polarization of the EL spectrum exhibits well defined strong maxima in-between the EL peaks. These<br />
maxima have been identified as due to negatively charged excitons in which the participating electrons come from<br />
consecutive shells [2]. The P versus B plots of these maxima confirms spin injection from Fe.<br />
[1] Li et al. Appl. Phys. Lett. 86, 132503, (2005)<br />
[2] Ware et al, Phys. Rev. Lett. 95, 177403 (2005)<br />
Work at SUNY was supported by ONR (N000140610174) and NSF (ECS0524403).<br />
20
Charge Storage Into Metallic Nanoparticles<br />
E. Verrelli 1 , D. Tsoukalas 1 , K. Giannakopoulos 2 , D. Kouvatsos 3 , P. Normand 3 and D.E. Ioannou 4<br />
1 National Technical University of Athens School of Applied Sciences, 15780 Zografou, Greece<br />
2 Inst. of Materials Science, NCSR Demokritos, NCSR “Demokritos”,153 10, Ag.Paraskevi, Greece<br />
3 Institute of Microelectronics, NCSR Demokritos 4 George Mason Univ., Fairfax VA 22030, USA<br />
* Tel: 30-210-7721679, email: verrelli@central.ntua.gr<br />
1. Introduction<br />
Nanoparticle memories have made their point during last years as a possible solution to overcome the scaling issue of<br />
nonvolatile memories. Metallic nanoparticles have been less explored than semiconductor nanoparticles as charge storage<br />
elements [1, 2]. In principle metal nanoparticles should present advantages over silicon nanocrystal memories. The higher<br />
electron affinity of several metals as compared with Si allows for engineering the potential well of the storage nodes in order<br />
to create an asymmetric barrier between Si channel and the storage nodes. The usual method to form metallic nanoparticles is<br />
based on the deposition of thin metallic films using evaporation on top of a tunneling thermal oxide followed by thermal<br />
annealing resulting in the formation of metallic nanoparticles. The density and size distributions of the nanoparticles depend<br />
on annealing conditions and the thickness of the deposited thin film [3]. The drawback of this technique is the need for<br />
relatively high temperature treatment that involves the risk for contamination of the silicon substrate. It also results in<br />
uncontrolled size distribution of the nanoparticles. In this work we are presenting results on the formation of nickel<br />
nanoparticles on a thin tunneling thermal SiO 2 layer using a new room temperature nanoparticle manufacturing technique.<br />
2. Experimental<br />
The nanoparticle deposition technique is based on a physical vacuum deposition process. Particles are generated using a highpressure<br />
magnetron sputtering device and carried away from the target area by the discharge gas into a condensation zone<br />
where nanoparticles are grown (fig. 1). The nanoparticles after being swept through this zone enter the chamber through a<br />
final aperture and they are soft-landed on the oxide surface. Using such a technique room temperature formation of<br />
nanoparticles becomes possible under high purity vacuum conditions. The tunneling oxide used in the present experiment is a<br />
thermal oxide of 4 nm formed after dry oxidation of p-type silicon wafers at 850˚C. Then a layer consisting of nickel<br />
nanoparticles was deposited followed by the deposition of an insulating layer of HfO 2 by RF reactive sputtering. High purity<br />
HfO 2 target was used and deposition was performed either at room temperature or 300˚C under either argon flow or a<br />
mixture of argon/oxygen flow to a ratio 1:6. Deposition was performed at a pressure 8.10 -3 mbar using an r.f. power of 200<br />
W. Aluminum metal contacts were e-beam evaporated onto the backside of the silicon substrates and on the top of the<br />
deposited layers through a shadow mask to form MIS capacitors. An annealing step at 320˚C for 20 min in N 2 was performed<br />
after finalizing fabrication for all samples. For each sample containing nanoparticles a reference sample with the same<br />
SiO 2 /HfO 2 gate dielectric stack but without the nanoparticle layer was also fabricated. Characterization of charge storage<br />
within the layers was subsequently performed by C-V sweeps at 1 MHz using an Agilent 4284A capacitance meter.<br />
3. Discussion-Results<br />
Nanoparticles with size distributions of ±20% and density distributions that can vary between 10 10 cm -2 and 10 12 cm -2 are<br />
formed. Minimum achieved size of the nanoparticles is 2 nm and maximum size 14 nm by proper variation of process<br />
parameters. These results have been obtained by Transmission Electron Microscopy imaging. Representative plane view<br />
images of deposited nickel nanoparticles with different size and density distributions are shown in fig.2.<br />
C-V measurements of reference samples -not shown here- demonstrate that sputtering conditions at 300˚C under oxygen flow<br />
induce negligible hysteresis. Room- temperature or 300˚C deposited HfO 2 without any O 2 flow during sputtering exhibit<br />
strong hysteresis and cannot be used efficiently as control dielectrics. On fig.3 and fig.4 we present C-V measurements<br />
obtained using the same tunneling oxide (4 nm thickness) and nanoparticle layer but with different thickness of HfO 2 (10 nm<br />
and 25 nm respectively) deposited at 300˚C under Ar/O 2 flow. In each of these figures the corresponding reference sample is<br />
presented for comparison. A clear effect resulting from the presence of nanoparticles is observed in both figures. From these<br />
data the corresponding memory windows are estimated and drawn in fig. 5 and 6 as a function of voltage sweeps. As it can<br />
be seen the 25 nm thick HfO 2 sample shows a larger and more symmetric window compared to the 10 nm HfO 2 sample as a<br />
result of less leakage current from nanoparticles to the gate electrode. This is also confirmed by I-V measurements.<br />
4. Conclusions<br />
We have demonstrated charge storage in nickel nanoparticles deposited on thin SiO 2 films at room temperature by a PVD<br />
technique through the fabrication and electrical measurements of MIS structures in which HfO 2 is used as the control<br />
insulator. Memory windows of 2 V for applied gate voltages less than 7 V have been measured. The results reported herein<br />
show the potential of the PVD technique for controlled growth of nanoparticles for use in non-volatile memory applications.<br />
21
References<br />
[1] CH Lee, J. Meteer, V. Narayanan, EC Kan, J. Electronic Mater. 34 (2005) 1<br />
[2] JJ Lee, Y. Harada, JW Pyun, DL Kwong, Appl. Phys. Lett. 86 103505 (2005)<br />
[3] J. Dufourcq, P. Mur, M.J. Gordon, S. Minoret, R. Coppard and T. Baron, Materials Science and Engineering: C, in press<br />
(available in sciencedirect)<br />
Fig 1: Nanoparticle source schematic.<br />
Fig.2 TEM plane view images of as deposited<br />
nanoparticles. The bar corresponds to 20 nm.<br />
C/C ox<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
-6 -4 -2 0 2 4<br />
Gate Bias (V)<br />
0.2 1V/-1V/1V<br />
3V/-3V/3V<br />
5V/-5V/5V<br />
0.0<br />
-6 -4 -2 0 2 4<br />
C/C ox<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
Gate Bias (V)<br />
1V/-1V/1V<br />
3V/-3V/3V<br />
5V/-5V/5V<br />
Flat-Band Voltage Shift (V)<br />
1.0<br />
0.5<br />
0.0<br />
-0.5<br />
-1.0<br />
-1.5<br />
-2.0<br />
1 2 3 4 5 6 7<br />
Gate Sweep Bias (V)<br />
Fig 3: C-V characteristics for 10nm thick HfO 2 memory<br />
device. In the inset the C-V curves for the reference sample<br />
are shown.<br />
Fig.4: Flat-band voltage shifts for 10nm thick HfO 2<br />
memory device under sweep bias operation.<br />
C/C ox<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.0<br />
-6 -4 -2 0 2 4<br />
Gate Bias (V)<br />
1V/-1V/1V<br />
0.2 3V/-3V/3V<br />
5V/-5V/5V<br />
7V/-7V/7V<br />
0.0<br />
-6 -4 -2 0 2 4<br />
C/C ox<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
Gate Bias (V)<br />
1V/-1V/1V<br />
3V/-3V/3V<br />
5V/-5V/5V<br />
Flat-Band Voltage Shift (V)<br />
1.0<br />
0.5<br />
0.0<br />
-0.5<br />
-1.0<br />
-1.5<br />
-2.0<br />
1 2 3 4 5 6 7<br />
Gate Sweep Bias (V)<br />
Fig 5: C-V characteristics for 25nm thick HfO 2 memory<br />
device. In the inset the C-V curves for the reference sample<br />
are shown.<br />
Fig 6: Flat-band voltage shifts for 25nm thick HfO 2 memory<br />
device under sweep bias operation.<br />
22
Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου με Λεπτό Υμένιο ZnO ως Ενεργό Υλικό για Εφαρμογές<br />
Χημικών Αισθητήρων<br />
Φ. Φαρμάκης 1* , Α. Σπηλιώτης 2 , Κ. Αλεξάνδρου 1 , Χ. Τσάμης 1 , Μ. Κομπίτσας 3 , Ι. Φασάκη 3<br />
1 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. Δημόκριτος, Αγία Παρασκευή, 15310 Αθήνα<br />
2 Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. Δημόκριτος, Αγία Παρασκευή, 15310 Αθήνα<br />
3 Ινστιτούτο Θεωρητικής και Φυσικής Χημείας, Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών, 11635 Αθήνα<br />
*farmakis@imel.demokritos.gr<br />
Τα ημιαγώγιμα οξείδια μετάλλων χρησιμοποιούνται ευρέως ως αισθητήρες αερίων λόγω της εγγενούς τους ευαισθησίας σε<br />
αέρια όπως το μονοξείδιο του άνθρακα, το υδρογόνο, το μονοξείδιο του αζώτου και οι υδρογονάνθρακες. Ανάμεσα σε όλα<br />
τα συγκεκριμένα υλικά, το οξείδιο του ψευδαργύρου παρουσιάζεται ως ένα από τα πιο δημοφιλή κυρίως λόγω της καλής του<br />
ποιότητας ακόμα και σε χαμηλή θερμοκρασία εναπόθεσης. Αυτό το χαρακτηριστικό του δίνει την δυνατότητα της<br />
χρησιμοποίησής του πάνω σε φθηνά και εύκαμπτα υποστρώματα [1]. Επιπλέον, η πολυκρυσταλλική του φύση συμβάλει<br />
στην αύξηση της ενεργούς επιφάνειας του αισθητήρα. Έτσι, χρησιμοποιώντας διατάξεις επίδρασης πεδίου, είναι πιθανή η<br />
επίτευξη ικανοποιητικής ανίχνευσης αερίων ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας και επομένως η κατασκευή<br />
αισθητήρων χαμηλής ισχύος για την ολοκλήρωσή τους σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Στην συγκεκριμένη εργασία<br />
παρουσιάζεται η μελέτη πάνω σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου τα οποία χρησιμοποιούν ως ενεργό υλικό λεπτό υμένιο<br />
οξειδίου του ψευδαργύρου. Το τελευταίο εναποτέθηκε με παλμικό λέιζερ. Τέλος παρουσιάζονται οι ηλεκτρικές μετρήσεις<br />
σε περιβάλλον μονοξειδίου του άνθρακα.<br />
Κατασκευάστηκαν τρανζίστορ επίδρασης πεδίου κάτω πύλης με ενεργό υλικό το ZnO. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα θερμικό<br />
οξείδιο του πυριτίου πάχους 100 nm στους 1000 °C πάνω από δισκίδιο πυριτίου μικρής ειδικής αντίστασης.<br />
Πραγματοποιήθηκε επιμετάλλωση (Ti/Au) της κάτω επιφάνειας με RF-sputtering ενώ εγχαράχθηκαν στην πάνω επιφάνεια<br />
μεταλλικές επαφές Ti/Au με τη βοήθεια της διαδικασίας lift-off. Εν συνεχεία, εξαχνώθηκαν ηλεκτρόδια παλλαδίου και με τη<br />
διαδικασία lift-off και με λιθογραφία e-beam δημιουργήθηκε η δομή των πλεγμένων ηλεκτροδίων όπως αυτά φαίνονται στο<br />
“Σχήμα 1”. Κατασκευάστηκαν διαφορετικές δομές όπου η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων μεταβαλλόταν από 300 nm<br />
μέχρι 2 μm, έτσι ώστε αποκτηθούν τρανζίστορ με διαφορετικά μήκη πύλης. Ως ενεργό υλικό, αναπτύχθηκε υμένιο ZnO<br />
πάχους 50 nm με τη βοήθεια της εναπόθεσης με παλμικό λέιζερ σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ η εγχάραξή του για τη<br />
δημιουργία των «νησιών» (islands) πάνω από τα πλεγμένα ηλεκτρόδια έγινε με διαδικασία lift-off. Μελετήθηκε και<br />
βελτιστοποιήθηκε η ηλεκτρική συμπεριφορά των τρανζίστορ σαν συνάρτηση της θερμικής ανόπτησης. Μετρήσεις με AFM<br />
κατέδειξαν την πολυκρυσταλλική δομή του ZnO με μέσο μέγεθος κρυσταλλιτών περίπου 30-35 nm εξαρτώμενο από τις<br />
συνθήκες θερμικής ανόπτησης και μέση τραχύτητα περίπου 15 nm (“Σχήμα 2”).<br />
Πραγματοποιήθηκαν ηλεκτρικές μετρήσεις σε τρανζίστορ διαφορετικών μηκών πύλης. Στο “Σχήμα 3” παρουσιάζονται οι<br />
χαρακτηριστικές μεταφοράς για δύο τρανζίστορ με μήκη πύλης 0.6 μm και 2 μm αντίστοιχα. Παρατηρήθηκε ότι ακόμα και<br />
για τις υπο-μικρονικές διατάξεις ο λόγος ρεύματος “ON” προς το ρεύμα “OFF” είναι σημαντικός, αν και όπως είναι γνωστό<br />
το ρεύμα περιορίζεται σημαντικά από το φράγμα δυναμικού Schottky που λαμβάνει χώρα στη διεπιφάνεια μεταξύ του<br />
παλλαδίου και του οξειδίου του ψευδαργύρου (εξαιτίας της υψηλής διαφοράς ανάμεσα στο έργο εξόδου του παλλαδίου και<br />
την ηλεκτρονική συνάφεια του οξειδίου του ψευδαργύρου). Οι πρώτες ηλεκτρικές μετρήσεις που αφορούν στη λειτουργία<br />
της διάταξης ως αισθητήρα αερίων παρουσιάζονται στο “Σχήμα 4”. Παρατηρούμε ότι, στην περίπτωση συγκέντρωσης<br />
μονοξειδίου του άνθρακα ίση με 250 ppm παρουσία συνθετικού αέρα, το ρεύμα του απαγωγού μειώνεται κατά 10% από την<br />
τιμή που είχε στο συνθετικό αέρα. Περισσότερη έρευνα σε διαφορετικά περιβάλλοντα και συνθήκες θα λάβει χώρα στο<br />
προσεχές μέλλον για να διαπιστωθεί περαιτέρω η λειτουργία και η ικανότητα ανίχνευσης αερίων των συγκεκριμένων<br />
διατάξεων.<br />
[1] Pearton S.J., J. Vacc. Sci. Technol. B22, (2004), 932.<br />
Το έργο συγχρηματοδοτείται κατά 75% της Δημόσιας Δαπάνης από την Ευρωπαϊκή ΄Ενωση – Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο και κατά 25%<br />
της Δημόσιας Δαπάνης από το Ελληνικό Δημόσιο – Υπουργείο Ανάπτυξης – Γενική Γραμματεία ΄Ερευνας και Τεχνολογίας καθώς και από<br />
τον Ιδιωτικό Τομέα στο πλαίσιο του Μέτρου 8.3 του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα – Γ΄ Κοινοτικό Πλαίσιο Στήριξης.<br />
23
Σχήμα 1: Φωτογραφία SEM δομής τρανζίστορ ZnO.<br />
Διακρίνουμε τα πλεγμένα ηλεκτρόδια.<br />
Σχήμα 2: Απεικόνιση AFM του οξειδίου του ψευδαργύρου<br />
που εναποτέθηκε με τη βοήθεια παλμικού λέιζερ σε<br />
θερμοκρασία δωματίου.<br />
10 -7<br />
Drain current (A)<br />
10 -9<br />
10 -11<br />
10 -5 V DS<br />
=2 V<br />
V DS<br />
=2 V<br />
V DS<br />
=1 V<br />
V DS<br />
=0.1 V<br />
V DS<br />
=1 V<br />
V DS<br />
=0.1 V<br />
10 -13<br />
gate length<br />
0.6 μm<br />
gate length<br />
2 μm<br />
10 -15<br />
-20 0 20<br />
-20 0 20<br />
Gate bias voltage (V)<br />
Gate bias voltage (V)<br />
Σχήμα 3: Χαρακτηριστικές μεταφοράς τρανζίστορ ZnO για δύο διαφορετικές τιμές μηκών πύλης.<br />
V GS<br />
=5 V<br />
Drain to source current (A)<br />
1.1x10 -5<br />
1.0x10 -5<br />
9.0x10 -6<br />
250 ppm CO synthetic air<br />
synthetic air<br />
in synthetic air<br />
8.0x10 -6<br />
0 50 100 150<br />
Time (min)<br />
Σχήμα 4: Μεταβολή του ρεύματος του απαγωγού για τρανζίστορ με μήκος πύλης 1.7 μm σε περιβάλλον μονοξειδίου του<br />
άνθρακα.<br />
24
Προσοµοίωση, ταυτοποίηση σχηµάτων και µετρολογία στη λιθογραφία ηλεκτρονικής<br />
δέσµης<br />
Τσικρίκας Ν * ., Πάτσης Γ. Π., Ράπτης Ι.<br />
Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ “∆ηµόκριτος”, Αθήνα, 15310<br />
* tsikrikn@imel.demokritos.gr<br />
Η πολυπλοκότητα των σχεδίων ηλεκτρονικών κυκλωµάτων πολύ µεγάλης ολοκλήρωσης αυξάνει συνεχώς λόγω των<br />
διορθωτικών προσθηκών της οπτικής λιθογραφίας. Η κρίσιµη διάσταση αυτών µειώνεται συνεχώς και οι απαιτήσεις στην<br />
ακρίβεια αποτύπωσής τους γίνονται όλο και µεγαλύτερες. Οι παράγοντες αυτοί καθώς και ο έλεγχος σφαλµάτων αυξάνουν<br />
σηµαντικά το κόστος κατασκευής τους.<br />
Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός λογισµικού ικανού να προβλέψει την ακριβή µορφή του προς<br />
αποτύπωση κυκλώµατος και να επιλέξει τις κατάλληλες συνθήκες εγγραφής του πριν την υλοποίησή του στο δισκίδιο. Η<br />
διαδικασία αποτελείται από τρία σκέλη (Εικόνα 1): ∆ιαχείριση των αρχείων που φέρουν το επιθυµητό για εγγραφή σχέδιο,<br />
προσοµοίωση της λιθογραφικής διαδικασίας, διαχείριση εικόνων ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης (SEM).<br />
Στο πρώτο σκέλος εξάγεται η συνάρτηση που περιγράφει το επιθυµητό σχέδιο (Εικόνα 2) αξιοποιώντας κατάλληλα τις<br />
πληροφορίες όπως εµφανίζονται στους συνήθεις τρόπους τυποποίησης (αρχεία CIF ή GDSII). Η συνάρτηση αυτή θα<br />
χρησιµοποιηθεί τόσο για την προσοµοίωση της εγγραφής όσο και κατά το στάδιο του ελέγχου του αποτελέσµατος. Ο<br />
έλεγχος πραγµατοποιείται συγκρίνοντας τη συνάρτηση εξόδου της προσοµοίωσης µε το αρχικό σχέδιο καθώς και τα<br />
πειραµατικά αποτελέσµατα αξιοποιώντας κατάλληλα τις εικόνες SEM.<br />
Στο δεύτερο σκέλος προσοµοιώνεται η λιθογραφική διαδικασία σε δύο ή τρείς διαστάσεις. Για το σκοπό αυτό έχει<br />
αναπτυχθεί στοχαστικός αλγόριθµος (Monte Carlo) ο οποίος υπολογίζει την εναπόθεση ενέργειας από σηµειακή<br />
ηλεκτρονική δέσµη στο αντίστοιχο πολυµερές που θα χρησιµοποιηθεί στη λιθογραφία. Η συνέλιξη της προκύπτουσας<br />
συνάρτησης ενεργειακής εναπόθεσης µε µια γκαουσιανή συνάρτηση η οποία περιγράφει την πραγµατική δέσµη δίνει την<br />
ενεργειακή εναπόθεση στο επιθυµητό υλικό από την πραγµατική δέσµη σε συνάρτηση µε την ακτινική απόσταση αλλά και<br />
το βάθος [1]. Από τη συνάρτηση αυτή καθώς και τη συνάρτηση που περιγράφει το προς εγγραφή σχέδιο προκύπτει η<br />
συνολική ενεργειακή εναπόθεση στο πολυµερές (Εικόνα 3).<br />
Το τρίτο σκέλος αφορά στη διαχείριση των εικόνων SEM (Εικόνες 4 και 5). Εικόνες συνήθως RGB ή grayscale<br />
µετατρέπονται σε άσπρο–µαύρο, εξάγεται δηλαδή µια δυαδική συνάρτηση η οποία περιγράφει το πειραµατικό αποτέλεσµα.<br />
Η σύγκριση αυτής µε τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης παρέχει στοιχεία για την αξιολόγηση και βελτιστοποίηση της<br />
µεθόδου.<br />
Η σύγκριση των αποτελεσµάτων είναι η διαδικασία της µετρολογίας για την πραγµατοποίηση της οποίας έχει αναπτυχθεί<br />
κατάλληλος αλγόριθµος ταύτισης δύο συναρτήσεων (Εικόνα 6) [2] αξιοποιώντας τη µαθηµατική διαδικασία συσχέτισης δυο<br />
συναρτήσεων. Παράγοντες που µετρούνται είναι η κρίσιµη διάσταση (CD) και η πλευρική τραχύτητα των δοµών (Line-Edge<br />
Roughness, Εικόνα 7) [3].<br />
Τα αποτελέσµατα αφορούν στην ποιότητα και στην πιστότητα της κατασκευής. Η όλη διαδικασία είναι πολύ σηµαντική<br />
για στην εξαγωγή ή βελτιστοποίηση των κανόνων σχεδίασης, την αξιολόγηση των χρησιµοποιούµενων υλικών καθώς και<br />
των συνθηκών εγγραφής και εµφάνισης.<br />
[1] S.A Rishton and D. P. Kern J. Vac. Sci. Technol. B 5 p. 135 (1987).<br />
[2] K. Miura, M. Fujita, K. Nakamae, H. Fujioka J. Vac. Sci. Technol. B23 3065 (2005).<br />
[3] G.P. Patsis, E. Gogolides J. Vac. Sci. Technol. B23 1371 (2005).<br />
25
SEM Image<br />
Layout<br />
Simulation<br />
Εικόνα 1 Σχηµατική αναπαράσταση του λογισµικού<br />
Εικόνα 2 Το αρχικό σχέδιο σε δυαδική<br />
αναπαράσταση<br />
Εικόνα 3 Η ενεργειακή εναπόθεση αποτέλεσµα της<br />
προσοµοίωσης<br />
Εικόνα 4 Εικόνα SEM<br />
Εικόνα 5 ∆υαδική µετατροπή της εικόνας (4)<br />
Εικόνα 6 Το αποτέλεσµα του αλγορίθµου<br />
ταύτισης<br />
4<br />
2<br />
3<br />
5<br />
LER (1 sigma) (nm)<br />
6<br />
3.5<br />
3.0<br />
2.5<br />
2.0<br />
1.5<br />
1.0<br />
0.5<br />
0.0<br />
7<br />
1<br />
11<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12<br />
8 9 10<br />
Εικόνα 7 Μετρολογία (LER) µε βάση την εικόνα SEM<br />
Edge ID<br />
12<br />
26
1 η Συνεδρία Αφίσας<br />
«Ημιαγώγιμα Υλικά και Διατάξεις»
Μελέτη Ατελειών Σε Ακτινοβολημένο Πυρίτιο Ντοπαρισμένο Με Γερμάνιο Με Τη<br />
Μέθοδο Της Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας<br />
X.A. Λόντος 1* , A. Aνδριανάκης 1 , Δ. Aλιπράντης 1 και E.N. Σγούρου 1<br />
1 Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Πανεπιστήμιο Αθηνών, Πανεπιστημιούπολη Ζωγράφου, Αθήνα 157 84<br />
*hlontos@phys.uoa.gr<br />
Η ακτινοβόληση πυριτίου παρασκευασμένου με την μέθοδο Czochralski (Cz-Si) οδηγεί στο σχηματισμό της ατέλειας VO (Α-κέντρο),<br />
όπου ένα άτομο οξυγόνου είναι παγιδευμένο αρκετά κοντά σε μία πλεγματική θέση. Το κέντρο έχει μελετηθεί εκτενώς στο παρελθόν<br />
με πολλές πειραματικές τεχνικές [1]. Κατόπιν θερμικών ανοπτήσεων το κέντρο συμμετέχει σε αρκετές αντιδράσεις που έχουν σαν<br />
αποτέλεσμα το σχηματισμό ατελειών V m O n [2]. Μια σημαντική κατηγορία είναι αυτή των ατελειών VO n [2, 3] οι οποίες<br />
σχηματίζονται με διαδοχική πρόσθεση ατόμων οξυγόνου στον αρχικό πυρήνα VO. Οι ατέλειες VO n επηρεάζουν σημαντικά τις<br />
ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες του πυριτίου και υπάρχει αρκετό ενδιαφέρον για την κατανόησή τους με σκοπό τη βελτίωση των<br />
ηλεκτρονικών συσκευών που λειτουργούν με βάση το πυρίτιο.<br />
Οι ιδιότητες των ημιαγωγικών διατάξεων επηρεάζονται επίσης από την παρουσία προσμίξεων. Οι ισοσθενείς προσμίξεις στο<br />
πυρίτιο όπως π.χ. το γερμάνιο (Ge) είναι ενεργά κέντρα συσπείρωσης ενδογενών ατελειών, όπως τα κενά και τα ενδοπλεγματικά<br />
άτομα πυριτίου, τα οποία επηρεάζουν σημαντικά την παραγωγή και τη συμπεριφορά των διαφόρων ατελειών που εισάγονται ή<br />
δημιουργούνται στο πυρίτιο κατά τις διάφορες κατεργασίες.<br />
abs (arb. units)<br />
0.15 (a)<br />
VO 4<br />
1010<br />
985<br />
0.10<br />
0.05<br />
830<br />
VO 2<br />
888<br />
VO<br />
861<br />
904<br />
888<br />
VO 2<br />
C i<br />
O i<br />
936<br />
VO 3<br />
968<br />
C i<br />
O i<br />
(Si I<br />
)<br />
1000<br />
605 o C<br />
482 o C<br />
400 o C<br />
1020<br />
after irrad.<br />
Int. abs (arb. units)<br />
8.00 (a) O i<br />
1108<br />
7.75<br />
7.50<br />
7.25<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
VO<br />
830<br />
VO 2<br />
888<br />
VO 3<br />
968 904 1000<br />
0.00<br />
800 850 900 950 1000 1050<br />
wavenumber (cm -1 )<br />
0.0<br />
100 200 300 400 500 600<br />
temperature ( o C)<br />
abs (arb. units)<br />
0.15<br />
0.10<br />
0.05<br />
(b)<br />
VO 4 1010<br />
985<br />
VO 3<br />
1000<br />
VO2<br />
904 968<br />
888<br />
VO 2<br />
888<br />
VO<br />
830<br />
C i<br />
O i<br />
(Si I<br />
) 1020<br />
C i<br />
O i<br />
861<br />
936<br />
605 o C<br />
482 o C<br />
400 o C<br />
after irrad.<br />
Int. abs (arb. units)<br />
6.0 (b) O i<br />
1108<br />
5.5<br />
5.0<br />
4.5<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
VO<br />
830<br />
VO 2<br />
888<br />
VO 3<br />
968 1000 904<br />
0.00<br />
800 850 900 950 1000 1050<br />
wavenumber (cm -1 )<br />
Σχ. 1 Τμήμα του φάσματος απορρόφησης σε<br />
επιλεγμένες θερμοκρασίες (a) του ελαφρώς και (b) του<br />
βαρέως ντοπαρισμένου με Ge Cz-Si.<br />
0.0<br />
100 200 300 400 500 600<br />
temperature ( o C)<br />
Σχ. 2 Η θερμική εξέλιξη των VO (830 cm -1 ),<br />
VO 2 (888 cm -1 ) και VO 3 (904, 968, 1000 cm -<br />
1 ) IR κέντρων (a) του ελαφρώς και (b) του<br />
βαρέως ντοπαρισμένου με Ge Cz-Si.<br />
Η πρόσμιξη του γερμανίου, με την εισαγωγή της στο πλέγμα, αντικαθιστά άτομα πυριτίου σε πλεγματικές θέσεις και επειδή έχει<br />
μεγαλύτερη ακτίνα από αυτή του πυριτίου (r Ge = 1.22 Å, r Si = 1.17 Å) δημιουργεί ελαστικές τάσεις συμπίεσης. Ένας τρόπος ν’<br />
αποκατασταθούν αυτές οι τάσεις είναι μέσω της σύλληψης κενών από τα άτομα γερμανίου. Η ατέλεια GeV αρχικά αναγνωρίστηκε με<br />
EPR μελέτες αρκετά χρόνια πριν, σε πυρίτιο που ακτινοβολήθηκε σε χαμηλή θερμοκρασία [4]. Η δημιουργία και συμπεριφορά<br />
πολλών ατελειών που δημιουργούνται στο πυρίτιο, λόγω της ακτινοβόλησης, εξαρτώνται από τη συγκέντρωση και την παραγωγή<br />
ενδογενών ατελειών κατά την ακτινοβόληση. Στο πυρίτιο, η τάση των ατόμων γερμανίου να ενωθούν με κενά επηρεάζει την<br />
ισορροπία των ενδογενών ατελειών και συνεπώς έχει σημαντική επίδραση στο σχηματισμό, τη συσσώρευση, την ανοπτητική<br />
συμπεριφορά και τις ιδιότητες των δευτερογενώς δημιουργούμενων ατελειών [5-7]. Η ελάττωση του ρυθμού σχηματισμού των κατά<br />
την ακτινοβόληση δημιουργούμενων ατελειών σε πυρίτιο που περιέχει γερμάνιο εξηγείται ικανοποιητικά εάν υποτεθεί ότι τα άτομα<br />
του γερμανίου δρουν έμμεσα ως κέντρα καταστροφής των κενών και των ενδοπλεγματικών ατόμων πυριτίου [6]. Επίσης, έχει<br />
υποστηριχθεί η άποψη ότι τα άτομα γερμανίου δρουν ως κέντρα συσπείρωσης για ζευγάρια ατελειών Frenkel [8]. Έτσι, η επίδραση<br />
της πρόσμιξης του γερμανίου στα σχηματιζόμενα από την ακτινοβόληση κέντρα στο πυρίτιο χρειάζεται περαιτέρω έρευνα. Ο σκοπός<br />
της παρούσας εργασίας είναι να μελετηθεί η επίδραση της παρουσίας γερμανίου στην θερμική εξέλιξη των ατελειών VO n στο πυρίτιο.<br />
27
Χρησιμοποιήθηκαν δύο ομάδες δειγμάτων πυριτίου n-τύπου με πρόσμιξη γερμανίου συγκέντρωσης 1×10 16 και 2×10 20 cm -3<br />
αντίστοιχα. Η περιεκτικότητα σε οξυγόνο και άνθρακα ήταν [O i ] = 9.3×10 17 cm -3 , [C s ] = 2×10 16 cm -3 στα ελαφρώς ντοπαρισμένα με<br />
γερμάνιο δείγματα και [O i ] = 7.7×10 17 cm -3 και [C s ] = 2×10 17 cm -3 στα βαριά ντοπαρισμένα με γερμάνιο δείγματα. Το πάχος τους ήταν<br />
~2 mm. Τα δείγματα ακτινοβολήθηκαν με ηλεκτρόνια ενέργειας 2-MeV σε δόση 5×10 17 e/cm 2 , στους 95ºC, χρησιμοποιώντας το<br />
Dynamitron at Takasaki-JAERI. Κατόπιν, τα δείγματα υποβλήθηκαν σε εικοσάλεπτες ισόχρονες ανοπτήσεις με βήματα των 10ºC έως<br />
και τους 650 ºC. Μετά από κάθε τέτοιο βήμα καταγράφηκε το φάσμα υπέρυθρης φασματοσκοπίας, σε θερμοκρασία δωματίου,<br />
χρησιμοποιώντας FTIR φασματόμετρο με διακριτική ικανότητα 1cm -1 . Τα σχήματα 1(α) και 1(β) δείχνουν το υπέρυθρο φάσμα στην<br />
περιοχή (800-1050) cm -1 σε επιλεγμένες θερμοκρασίες έτσι ώστε να εμφανίζονται οι κορυφές των κέντρων VO (830 cm -1 ), VO 2 (888<br />
cm -1 ), VO 3 (904, 968, 1000 cm -1 ) και VO 4 (985, 1010 cm -1 ) [2] αντιστοίχως για τα ελαφρώς ντοπαρισμένα (σχήμα 1(α)) και τα βαριά<br />
ντοπαρισμένα (σχήμα 1(β)) με γερμάνιο δείγματα. Τα σχήματα 2(α) και το σχήμα 2(β) παρουσιάζουν τη θερμική εξέλιξη των κέντρων<br />
VO, VO 2 και VO 3 για τα ελαφρώς και βαρέως ντοπαρισμένα με γερμάνιο Si, αντίστοιχα. Αμέσως μπορεί να δει κανείς ότι η<br />
θερμοκρασία (~220ºC) ανόπτησης του VO των βαρέως ντοπαρισμένων με γερμάνιο δειγμάτων είναι αρκετά χαμηλότερη από εκείνη<br />
(~290ºC) των ελαφρώς ντοπαρισμένων με γερμάνιο δειγμάτων. Δύο εξηγήσεις μπορούν να δοθούν: (i) ένα ποσοστό των ατελειών VO<br />
είναι εντοπισμένο κοντά σε άτομα γερμανίου. Αυτό συμβαίνει ευκολότερα στα βαρέως ντοπαρισμένα δείγματα με γερμάνιο όπου η<br />
συγκέντρωση Ge είναι μερικές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από την συγκέντρωση του VO. Έχει προταθεί [7] ότι ατέλειες<br />
εντοπισμένες κοντά σε άτομα γερμανίου βρίσκονται υπό την επίδραση ελαστικών τάσεων που οδηγούν σε μείωση του φραγμού<br />
δυναμικού για τη μετατόπιση τους μέσα στο πλέγμα. Επομένως η ενέργεια ενεργοποίησης των ατελειών VO που εντοπίζονται κοντά<br />
στα άτομα γερμανίου είναι χαμηλότερη στα βαρέως ντοπαρισμένα με γερμάνιο δείγματα οδηγώντας σε μείωση της αντίστοιχης<br />
θερμοκρασίας ανόπτησης. (ii) Αποτελέσματα σχετικά με πυρίτιο ακτινοβολημένο με ηλεκτρόνια ενέργειας 2MeV ειδικά σε μεγάλες<br />
δόσεις έχει οδηγήσει στο συμπέρασμα [9] ότι εκτός από την αντίδραση VO + O i → VO 2 , η ατέλεια VO επίσης συμμετέχει και στην<br />
αντίδραση VO + Si I → O i κατά τη διάρκεια της ανόπτησης. Πηγές των Si I ’s είναι μεγάλα συσσωματώματα (clusters) ατελειών που<br />
σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της ακτινοβόλησης. Η ενέργεια σύνδεσης των Si I ’s στα συσσωματώματα των ατελειών αυτών<br />
επηρεάζεται από τις ελαστικές τάσεις που δημιουργεί η παρουσία του γερμανίου στον κρύσταλλο. Η μείωση της ενέργειας αυτής στα<br />
βαρέως ντοπαρισμένα με γερμάνιο δείγματα οδηγεί στην απελευθέρωση τέτοιων ατόμων σε χαμηλότερη θερμοκρασία, με άλλα λόγια<br />
η αντίδραση VO + Si I → O i συμβαίνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Αυτό διαφαίνεται στο φάσμα με τη μείωση της θερμοκρασίας<br />
ανόπτησης του VO κέντρου. Η άποψη αυτή ενισχύεται ακόμη περισσότερο από το γεγονός πως η συγκέντρωση σε οξυγόνο αυξάνει<br />
κατά τη διάρκεια ανόπτησης της ατέλειας VO στο βαρέως ντοπαρισμένο με γερμάνιο δείγμα σε συμφωνία με την αντίδραση VO + Si<br />
→ O i (Σχ. 2(β)). Το φαινόμενο ωστόσο, είναι πιο πολύπλοκο. Αύξηση της συγκέντρωσης του ενδοπλεγματικού οξυγόνου συμβαίνει<br />
επίσης (Σχ. 2(α)) στο ελαφρώς ντοπαρισμένα με Ge δείγματα αν και σε μικρότερο βαθμό. Φαίνεται ότι επιπλέον άτομα οξυγόνου<br />
απελευθερώνονται σε αυτό το θερμοκρασιακό εύρος και από άλλες πηγές, οι οποίες δεν παρουσιάζουν ζώνες απορρόφησης IR και<br />
επομένως δε γίνονται αντιληπτές. Στην αύξηση της συγκέντρωσης του O i επάνω από 300ºC, πρέπει να λάβουμε υπόψη εκτός από την<br />
αντίδραση VO + Si I → O i ,επίσης την αντίδραση VO → V + O i [10]. Τα σχήματα 2(α) και (β) επίσης δείχνουν ότι το πλάτος της<br />
ζώνης της ατέλειας VO 2 στα φάσματα είναι ουσιαστικά χαμηλότερο στα βαριά ντοπαρισμένα με Ge δείγματα γεγονός που υποδηλώνει<br />
ότι το ποσοστό των ατελειών VO που μετατρέπονται σε ατέλειες VO 2 είναι μικρότερο στην περίπτωση αυτή. Αυτή η παρατήρηση<br />
είναι σε συμφωνία με την αυξημένη ενεργότητα της αντίδρασης VO +Si →O i στο τελευταίο δείγμα κάτι που δείχνει ότι ένα<br />
μεγαλύτερο ποσοστό των ατελειών VO καταστρέφεται με την συμμετοχή των Si’s, οδηγώντας στην παραγωγή ατόμων O i . Σημειωτέον<br />
ότι ο σχηματισμός του VO 2 κέντρου συμβαίνει στην ίδια θερμοκρασία (~290ºC) και στα ελαφρά και στα βαριά ντοπαρισμένα με<br />
γερμάνιο δείγματα (Σχ. 2(α) και Σχ. 2(β)), υποδεικνύοντας ότι η αντίδραση VO + O i → VO 2 ενεργοποιείται κοντά στη θερμοκρασία<br />
αυτή, παρόλο που η αντίδραση VO + Si I → O i ενεργοποιείται σε χαμηλότερη θερμοκρασία (~220ºC). Ακολούθως, η συγκέντρωση<br />
των ατελειών VO 3 που σχηματίζονται σαν αποτέλεσμα της αντίδρασης VO 2 + O i → VO 3 , στα βαριά ντοπαρισμένα με γερμάνιο<br />
δείγματα είναι λιγότερες. Στα ανωτέρω, έχουμε υποθέσει ότι οι μεταβολές στην περιεκτικότητα σε άνθρακα των δειγμάτων δεν<br />
επηρεάζουν τον ρυθμό παραγωγής των ατελειών VO [11], καθώς και ότι δεν επηρεάζουν τις ατέλειες VO n .<br />
[1] Grimmeiss H.G, MRS Symp. Proc. 46 (1985) 39.<br />
[2] Londos C.A, Fytros L.G.,. Georgiou G. J, Defect Diffusion Forum 171-172 (1999) 1.<br />
[3] Corbett J, Watkins G., McDonald R., Phys. Rev. 135 (1964) A1381.<br />
[4] Watkins G.D, Trans. IEEE Nucl. Sci. NS-16 (1979) 13.<br />
[5] Schmalz K., Emtsev V.V., Appl. Phys. Lett. 65 (1994) 1576.<br />
[6] Khirunenko L.I., Shakhovtsov V.I., Shumov V.V., Yashnik V.I., Mater. Sci. Forum 196-201 (1995) 1381.<br />
[7] Kuznetsov V.I., Lugakov P.F.,. Salmanov A.R, Tsikunov A.V., Sov. Phys. Semicond. 23 (1989) 925.<br />
[8] Sobolev N.A.,. Nazare M.H, Physica B 273-274 (1999) 271.<br />
[9] Newman R.C., Jones R., in: Semiconductors and Semimetals, ed. F. Shimura (Academic Press, Dan Diego, 1994) vol.<br />
42, p. 289.<br />
[10] Oates A.S., Newman R. C., Appl. Phys. Lett. 49 (1986) 262.<br />
[11] Bean A.R, Newman R.C., Smith R.S., J. Phys. Chem. Solids 31 (1970) 739.<br />
28
Facet-Stress-Driven Ordering in SiGe Nanoislands<br />
G.E. Vantarakis, 1,2 I.N. Remediakis 1 and P.C. Kelires 2,3*<br />
1<br />
Department of Materials Science and Technology, University of Crete, P.O. Box 2208, 71003 Heraclion, Crete, Greece<br />
2 Department of Mechanical Engineering & Materials Science and Technology, Cyprus University of Technology,<br />
P.O. Box 50329, 3036 Limassol, Cyprus<br />
3 Department of Physics, University of Crete, P.O. Box 2208, 71003 Heraklion, Crete, Greece<br />
* kelires@physics.uoc.gr<br />
SiGe nanoislands, which appear during Ge on Si(100) heteroepitaxy, have attracted considerable attention because of<br />
potential applications in optoelectronics, such as in light-emitting devices. One of the crucial factors which dictate the optical<br />
properties of these nanoislands is their chemical composition. In particular, it is essential to know and, if possible, to have<br />
control over the distribution of species in the interior, in order to optimize the optical efficiency. It is expected that the<br />
strength of optical transitions would be higher in case of ordered domains in the islands (i.e. with Si and Ge atoms distributed<br />
in ordered phases), rather than in domains with random distributions.<br />
There could be two possible factors which influence the composition profiles of SiGe nanoislands. (a) The profile is<br />
driven by bulk equilibrium thermodynamics, which would give rise to a random distribution (SiGe is an ideal random alloy in<br />
bulk form). (b) The profile is driven by surface equilibrium. Diffusion is fast at the near-surface region, equilibrium<br />
distribution is established and maintained when surface layers are buried under further material deposition. However, we<br />
could have a combination of these two generic mechanisms.<br />
Driven by these concepts, we explore in this work the effect of reconstructed island surfaces (facets) on the equilibrium<br />
distribution of species. Reconstructions, in general, generate huge stress fields in the subsurface region, which influence the<br />
site-specific occupancy. We examine the three most important island facet orientations (see “Fig. 1”): {105}, {113},<br />
{15 3 23}, each having its own characteristic reconstruction. For the equilibrium structure, we use novel Monte Carlo<br />
simulations [1] within the empirical potential approach. We run the simulations at rather low temperatures to get the<br />
maximum of the effect.<br />
(a)<br />
(b)<br />
Fig. 1: A multifaceted dome structure showing<br />
the three facet orientations.<br />
(a) top view<br />
(b) side view<br />
Fig. 2: Local ordered geometries<br />
in Si 0.5 Ge 0.5 {15 3 23} surface.<br />
White represents either non-four-fold atoms or sites that<br />
do not show preference for a particular local geometry.<br />
Light, dark and darkest gray represents atoms with a<br />
preference for having one, two or three atoms of the<br />
same kind, respectively.<br />
We find that indeed the stress field of all three facets, especially of the {15 3 23} facet, is quite large, approaching in<br />
some subsurface sites the values of 7-8 GPa. The strong stress fields drive preferential occupation of certain sites near the<br />
surface. Seen at a larger scale, we observe a tendency of Si and Ge atoms to order, mostly in rhombohedral-type structures, as<br />
shown in “Fig. 2”. These ordered structures appear within a thin layer of ~ 0.7 nm just below the surface. This is the range<br />
within which the reconstruction strain field is significant, showing the link between stress field and compositional ordering.<br />
We propose that subsequent deposition buries the ordered structures which are frozen-in, while the deposited material is<br />
driven to ordering by the newly formed surface. These results might explain recent experimental observations [2] of ordering<br />
in SiGe nanoislands. Although not shown directly in this work, the experimental ordered profiles could be the result of a<br />
cooperative effect between the above mentioned three facet subsurface structures.<br />
[1] G. Hadjisavvas and P.C. Kelires, Phys. Rev. B 72 (2005) 075334.<br />
[2] A. Malachias et al., Phys. Rev. B 72 (2005) 165315.<br />
29
Νανοκρυσταλλίτες Si σε Υπέρλεπτα Υμένια ανεπτυγμένα κατά τα πρώτα στάδια<br />
ανοδίωσης κρυσταλλικού πυριτίου: Μελέτη της Δομής και των Οπτικών τους<br />
Ιδιοτήτων<br />
Σ. Γαρδέλης 1* , Α.Γ. Νασιοπούλου 1<br />
Ι. Tσιαούσης 2 , Ν. Φράγκης 2<br />
1 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», Τ.Θ. 60228, Αθήνα 15310<br />
2 Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Φυσικό Τμήμα, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Θεσσαλονίκη 54124<br />
*S.Gardelis@imel.demokritos.gr<br />
Οι νανοκρυσταλλίτες ημιαγωγών παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες όσον αφορά την ηλεκτρονική δομή και τις οπτικές<br />
ιδιότητες από τους αντίστοιχους τρισδιάστατους κρυστάλλους ημιαγωγών, που μπορούμε να τις εκμεταλλευθούμε στην<br />
κατασκευή καινοτόμων νανοηλεκτρονικών και φωτονικών διατάξεων, καθώς και διατάξεων αισθητήρων. Ειδικότερα οι<br />
νανοκρυσταλλίτες πυριτίου ενσωματωμένοι σε διηλεκτρική μήτρα παρουσιάζουν πολύ ενδιαφέροντα φαινόμενα μεταφοράς<br />
φορτίου [1]. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η ανάπτυξη κρυσταλλιτών πυριτίου με μέγεθος που κυμαίνεται από 2 nm<br />
μέχρι 10 nm, κατάλληλων για χρήση ως μέσο αποθήκευσης φορτίου σε «μη πτητικές μνήμες, καθώς και σε χρήση σε<br />
διατάξεις εκπομπής φωτός.<br />
Έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι για την ανάπτυξη νανοκρυσταλλιτών πυριτίου σε διηλεκτρική μήτρα, κυρίως σε<br />
μήτρα διοξειδίου του πυριτίου [2]. Μεταξύ αυτών αναφέρουμε τον σχηματισμό νανοκρυσταλλιτών πυριτίου ανάμεσα σε<br />
διοξείδιο του πυριτίου με εναπόθεση αμόρφου πυριτίου σε στρώμα οξειδίου του πυριτίου με την μέθοδο της χημικής<br />
εναπόθεσης από ατμό σε χαμηλή πίεση (Low-Pressure-Chemical Vapor Deposition (LPCVD)), συνοδευόμενη από θερμική<br />
οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία και ανόπτηση [2]. Στην παρούσα μελέτη προτείνουμε μια διαφορετική μέθοδο, που είναι<br />
απλή και χαμηλού κόστους, και στηρίζεται στην ηλεκτροχημική ανοδίωση κρυσταλλικού πυριτίου. Η μέθοδος αυτή δίνει<br />
υμένια με πορώδη δομή και είναι γνωστή από το 1956 [3, 4]. Χρησιμοποιώντας παλμούς ρεύματος πολύ μικρής διάρκειας<br />
μπορούμε να πετύχουμε την ανάπτυξη υπέρλεπτων υμενίων με πορώδη δομή, που αποτελούνται από διασυνδεδεμένους<br />
μεταξύ τους νανοκρυσταλλίτες πυριτίου με τις επιθυμητές διαστάσεις. Οι διαστάσεις αυτές καθορίζονται από τις<br />
ηλεκτροχημικές συνθήκες.<br />
Αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν τέσσερα υμένια χρησιμοποιώντας διαφορετικές συνθήκες ανοδίωσης. Συγκεκριμένα τα<br />
υμένια αναπτύχθηκαν με ανοδίωση κρυσταλλικού πυριτίου (001) εμπλουτισμένου με Βόριο (τύπου p), ειδικής αντίστασης 1-<br />
2<br />
2 Ω cm, χρησιμοποιώντας σταθερό ανοδικό ρεύμα με τιμές που κυμαίνονταν από 60-390 mA/cm . Για την ανοδίωση<br />
χρησιμοποιήθηκε ως ηλεκτρολύτης μείγμα υδροφθορικού οξέως (HF) και αιθανόλης με αναλογία 3:1. Οι τιμές του ανοδικού<br />
ρεύματος επιλέχθηκαν μετά από μελέτη της χαρακτηριστικής ρεύματος – τάσης της ηλεκτροχημικής αντίδρασης, όπως<br />
φαίνεται στο σχήμα 1. Μπορούμε να διακρίνουμε τρεις περιοχές σε μια τέτοια χαρακτηριστική. Περιοχή (α): Περιοχή<br />
σχηματισμού πορώδους πυριτίου. Η εξάρτηση τους ρεύματος από την τάση σ’ αυτή την περιοχή είναι εκθετική. Περιοχή (β):<br />
Μεταβατική περιοχή σχηματισμού πορώδους πυριτίου και ηλεκτροχημικής λείανσης. Η σχέση ρεύματος-τάσης σε αυτή την<br />
περιοχή είναι γραμμική. Περιοχή (γ): Περιοχή ηλεκτροχημικής λείανσης. Οι τιμές του ανοδικού ρεύματος που<br />
χρησιμοποιήθηκαν κάλυψαν τις περιοχές (α) και (β).<br />
Σχήμα 1. Χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης της<br />
ηλεκτροχημικής ανοδίωσης για τις συνθήκες που<br />
χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη. Στο σχήμα<br />
φαίνονται η περιοχή (α) σχηματισμού πορώδους πυριτίου<br />
και η μεταβατική περιοχή (β) μεταξύ σχηματισμού<br />
πορώδους πυριτίου και ηλεκτροχημικής λείανσης. Α, Β, Γ<br />
και Δ δηλώνουν τα δείγματα που μελετήθηκαν.<br />
Η δομή των υμενίων μελετήθηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία υψηλής ευκρίνειας (High resolution transmission electron<br />
microscopy: HRTEM). Ολα τα υμένια έδειξαν διστρωματική δομή, με το πρώτο στρώμα να έχει άμορφη εμφάνιση και<br />
περιέχει νανοκρυσταλλίτες πυριτίου με την κρυσταλλογραφική τους διεύθυνση να παρεκκλίνει ελάχιστα από αυτήν του<br />
υποστρώματος. Το μέγεθος τους κυμαίνεται μεταξύ 3-7 nm για τα δείγματα Α, Β και Γ, ενώ για το Δ το μέγεθος τους είναι<br />
περίπου 3 nm με μικρότερη διασπορά μεγέθους από ότι στα άλλα δείγματα. Το δεύτερο στρώμα αντιστοιχεί στην<br />
διεπιφάνεια μεταξύ του υμενίου και του υποστρώματος. Στις εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας φαίνεται η τραχύτητα της<br />
διεπιφάνειας να μειώνεται σταδιακά με την αύξηση του ρεύματος ανοδίωσης που χρησιμοποιήθηκε κατά την ανάπτυξή τους.<br />
Στο δείγμα που αναπτύχθηκε με το μέγιστο ανοδικό ρεύμα που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την μελέτη, η διεπιφάνεια είναι<br />
πολύ ομαλή (σχήμα 2). Τούτο καθιστά το δείγμα αυτό κατάλληλο για νανοηλεκτρονικές εφαρμογές.<br />
30
νανοκρυσταλλίτης<br />
(a)<br />
(β)<br />
Σχήμα 2: (α) Εικόνα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας φωτεινού πεδίου που απεικονίζει τομή του δείγματος Δ, το οποίο<br />
αναπτύχθηκε με το μέγιστο ανοδικό ρεύμα που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη. Φαίνεται η ομαλότητα που<br />
παρουσιάζει η διεπιφάνεια . (β) Εικόνα υψηλής ευκρίνειας (HREM) στην οποία φαίνεται η διεπιφάνεια του ίδιου δείγματος,<br />
καθώς και η «άμορφη» σε εμφάνιση δομή της μήτρας (πορώδες υλικό) μέσα στην οποία μπορούν να παρατηρηθούν<br />
νανοκρυσταλλίτες Si.<br />
Μελέτη με φασματοσκοπία μετασχηματισμού Fourrier απορρόφησης υπερύθρου (FTIR) δείχνει ότι σε όλα τα υμένια τα<br />
άτομα πυριτίου της επιφάνειας σχηματίζουν δεσμούς με υδρογόνο (Si-H x ). Τα υμένια που αναπτύχθηκαν με ανοδικά<br />
ρεύματα με τιμή ίση ή μεγαλύτερη από 130 mA/cm 2 παρουσιάζουν ενδιαφέρουσες οπτικές ιδιότητες. Συγκεκριμένα,<br />
μετρήσεις φωτοφωταύγειας με την χρήση φωτεινής πηγής λέϊζερ ιόντων αργού στα 458 nm, δείχνουν εκπομπή φωτός στο<br />
ορατό με το δείγμα Δ που αναπτύχθηκε με το μέγιστο ρεύμα να παρουσιάζει την πιο έντονη εκπομπή. Μελέτη της εκπομπής<br />
φωτός σε χαμηλές θερμοκρασίες μέχρι 70 Κ καθώς και μελέτη της χρονικής μεταβολής της φωτοφωταύγειας από την στιγμή<br />
της διακοπής της οπτικής διέγερσης των υμενίων από την φωτεινή πηγή, φαίνονται στο σχήμα 3. Οι χρόνοι ζωής των<br />
φορέων πριν την επανασύνδεσή κύμανθηκαν από 30 μs σε θερμοκρασία δωματίου μέχρι και 180 μs στους 70 Κ, γεγονός που<br />
υποδηλώνει ότι η εκπομπή του φωτός προέρχεται από επανασύνδεση εξιτονίων μέσα στους νανοκρυσταλλίτες πυριτίου.<br />
Πλήρη μελέτη των συστημάτων που πραγματεύεται η παρούσα εργασία μπορείτε να βρείτε στις αναφορές [5] και [6].<br />
(e)<br />
(α)<br />
Σχήμα 3. (α) Γραφήματα μετρήσεων φωτοφωταύγειας των υμενίων Β, Γ και Δ, (β) Μετρήσεις χρονικής μεταβολής της<br />
φωτοφωταύγειας μετά την διακοπή διέγερσης του υμενίου από την φωτεινή πηγή λέιζερ για το δείγμα Δ.<br />
Συμπερασματικά, η τεχνολογία παρασκευής πολύ λεπτών υμενίων πορώδους μορφής με νανοκρυσταλλίτες πυριτίου<br />
διασυνδεδεμένους μεταξύ τους, οι οποίοι μετά από ελαφριά οξείδωση καταλήγουν σε ένα σύνθετο υμένιο αμόρφου οξειδίου<br />
του πυριτίου με ενσωματωμένους νανοκρυσταλλίτες πυριτίου φαίνεται να δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα. Η τεχνική<br />
που αναπτύχθηκε στηρίζεται σε ανοδίωση πυριτίου με εφαρμογή παλμών ρεύματος μικρής διάρκειας.<br />
[1] Balberg I., Savir E., Jedrzejewski, Nassiopoulou A. G., and Gardelis S., Phys. Rev. B 75 (2007) 235329<br />
[2] Nassiopoulou A.G., Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, edited by H.S. Nalwa, American Scientific<br />
Publishers, California, vol. 9, 793 (2004)<br />
[3] Uhlir A., The Bell System Technical Journal 35 (1956) 333<br />
[4] Watanabe Y., Arita Y., Yokoyama T., Igarashi Y., J. Electrochem. Soc. 122 (1975) 1351<br />
[5] Gardelis S., Tsiaoussis I., Frangis N., and Nassiopoulou A.G., Nanotechnology 18 (2007) 115705<br />
[6] Gardelis S., and Nassiopoulou A.G., Phys. Stat. Solidi c 4 (2007) 2165<br />
(β)<br />
31
Λεπτά Υµένια Nανοκρυσταλλικού Πυριτίου σε Υπόστρωµα Χαλαζία µε Κβαντικές<br />
Ιδιότητες<br />
Χρ. Β. Λιούτας 1* , Ν. Βουρουτζής 1 , Ι. Τσιαούσης 1 , Ν. Φράγκης 1 και Α. Γ. Νασιοπούλου 2 ,<br />
1 Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, 541 24 Θεσσαλονίκη<br />
2 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ ∆ηµόκριτος, Αγία Παρασκευή, Αθήνα<br />
*lioutas@physics.auth.gr<br />
Οι νανοκρυσταλλίτες πυριτίου σε µονωτική µήτρα διοξειδίου του πυριτίου παρουσιάζουν έντονο τεχνολογικό ενδιαφέρον<br />
λόγω του κβαντικού εντοπισµού των φορέων σε αυτούς, που έχουν σαν συνέπεια τις ενδιαφέρουσες ιδιότητες<br />
φωτοφωταύγειας, απορρόφησης και ανακλαστικότητας που παρουσιάζουν [1-3]. Για την παρασκευή τους χρησιµοποιούνται<br />
διάφορες τεχνικές, όπως χηµική εναπόθεση πυριτίου από ατµό συνοδευόµενη από θερµική οξείδωση σε υψηλή<br />
θερµοκρασία, εµφύτευση ιόντων πυριτίου και θερµική ανόπτηση και άλλες. Σκοπός της παρούσας έρευνας ήταν η<br />
διερεύνηση των δοµικών και οπτικών ιδιοτήτων νανοκρυσταλλικών υµενίων Si σε υπόστρωµα χαλαζία όταν το πάχος των<br />
υµενίων ελαττώνεται στην κλίµακα των µερικών νανοµέτρων. Σε άλλη εργασία δείξαµε ότι για πάχη υµενίων κάτω από ~10<br />
nm τα υµένια παρουσιάζουν έντονα κβαντικά φαινόµενα. Σ’αυτή την εργασία µελετήθηκαν τα δοµικά χαρακτηριστικά<br />
δειγµάτων µε πάχος λεπτών υµενίων νανοκρυσταλλικού πυριτίου µεταξύ 5 και 30 nm, τα οποία αναπτύχθηκαν σε<br />
υπόστρωµα χαλαζία. Τα δείγµατα αυτά παρουσιάζουν έντονο τεχνολογικό ενδιαφέρον.<br />
Το πάχος των έξι υπό εξέταση δειγµάτων φαίνεται στον πίνακα 1. Τα δείγµατα µελετήθηκαν µε συµβατική και υψηλής<br />
διακριτικής ικανότητας ηλεκτρονική µικροσκοπία. ∆είγµατα κατάλληλα για παρατηρήσεις εγκαρσίου τοµής ετοιµάστηκαν<br />
µε µηχανική λείανση συνοδευόµενη µε λείανση µε δέσµη ιόντων Ar + , ενώ δείγµατα για επίπεδη παρατήρηση (planar view)<br />
επέτευχθησαν µε χηµική λείανση του υποστρώµατος του χαλαζία µε HF.<br />
∆ύο αντιπροσωπευτικές εικόνες περίθλασης (a) και (b) από τα δείγµατα n01 και n06 δίνονται στα Σχήµατα 1(a) και (b)<br />
αντιστοίχως. Οι θεωρητικά υπολογισµένες θέσεις των δακτυλίων που αντιστοιχούν στις ανακλάσεις του Si δηλώνονται στην<br />
εικόνα (a) µε βέλη και τους αντίστοιχους δείκτες. Είναι προφανής η σύµπτωση των µε τις πειραµατικά παρατηρούµενες. Το<br />
δεύτερο χαρακτηριστικό είναι η παρουσία διακριτών κηλίδων και στις δύο εικόνες. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει την<br />
πολυκρυσταλλικότητα και των δύο υµενίων. Ταυτοχρόνως από την ύπαρξη µικροτέρου αριθµού διακριτών ανακλάσεων, σε<br />
κάθε οµόκεντρο κύκλο, µαρτυρείται µια σαφής τάση για την ανάπτυξη κάπως µεγαλυτέρων κρυσταλλιτών στο παχύτερο<br />
υµένιο n06.<br />
Στα Σχήµατα 2(a) έως και (f) δίνονται εικόνες επίπεδης παρατήρησης από τα υµένια n01 έως και n06 αντιστοίχως. Για το<br />
δείγµα n01 δίνεται εικόνα σκοτενού πεδίου ενώ για τα υπόλοιπα εικόνες φωτεινού πεδίου. Είναι καταφανής από τις εικόνες<br />
αυτές η πολυκρυσταλλικότητα των υµενίων, όπως επίσης ποιοτικά µπορεί να εκτιµηθεί µια µικρή αύξηση των διαστάσεων<br />
των κρυσταλλιτών κυρίως στο παχύτερο δείγµα. Για την συναγωγή ποσοτικών αποτελεσµάτων σε κάθε υµένιο µετρήθηκε η<br />
διάµετρος µερικών εκατοντάδων νανοκρυστάλλων. Οι κατανοµές των µετρηθέντων διαστάσεων δίνονται στο Σχήµα 3 και<br />
στον Πίνακα 1 συνοψίζονται οι µέσες, οι µέγιστες και ελάχιστες τιµές των διαστάσεων των κρυσταλλιτών. Όπως φαίνεται<br />
και από τις καµπύλες των κατανοµών, εµφανίζεται ένα µάλλον καλά καθορισµένο µέγιστο, µε ταχεία πτώση της καµπύλης<br />
πρός τις µικρότερες τιµές. Στα παχύτερα κυρίως υµένια µπορεί να παρατητηρθεί µια συστηµατική τάση αύξησης του<br />
πλήθους των µεγαλυτέρων κρυσταλλιτών, η οποία εµφανίζεται ως διεύρυνση των καµπυλών προς τις µεγαλύτερες τιµές.<br />
Εντούτοις όπως φαινεται και από τις τιµές στον Πίνακα 1 η διεύρυνση αυτή δεν είναι ικανή να επειρεάσει σηµαντικά την<br />
µέση τιµή του µεγέθους των αναπτυσσοµέων νανοκρυστάλλων.<br />
Πίνακας 1<br />
Sample d min (nm) d max (nm) d mean (nm) Πάχος (nm)<br />
n01 6.4 19.0 11.3 5.5<br />
n02 5.0 24.1 12.2 11<br />
n03 5.7 25.8 11.6 16.5<br />
n04 6.2 24.8 12.7 22<br />
n05 6.0 24.6 12.4 27.5<br />
n06 5.7 31.8 12.4 32.5<br />
Σε συµφωνία µε τα παραπάνω δεδοµένα παρατηρήσεις δειγµάτων εγκάρσιας διατοµής, έδειξαν ότι στα υµένια υπάρχει<br />
κολωνοειδής ανάπτυξη των νανοκρυστάλλων Si. Ένα παράδειγµα από το παχύτερο υµένιο n06 δίνεται στο Σχήµα 4, όπου µε<br />
λευκά βέλη υποδεικνύονται τα όρια δύο κρυσταλλιτών. Είναι προφανές ότι οι νανοκρυσταλλίτες έχουν περίπου σταθερό<br />
µέγεθος παραλλήλα στο επίπεδο του υποστρώµατος και εκτείνονται σε όλο το πάχος του δείγµατος. Αντίστοιχα<br />
αποτελέσµατα έχουµε και από εικόνες από το λεπτότερο υµένιο n01. Συνολικά µπορούµε να συµπεράνουµε, αφ’ ενός ότι οι<br />
διαστάσεις των νανοκρυστάλλων στο επίπεδο ανάπτυξης καθορίζονται στα αρχικά στάδια τις ανάπτυξης και παραµένουν<br />
περίπου ίδιες σε όλα τα υµένια, ενώ µε την αύξηση του πάχους του υµενίου αυξάνονται µόνον οι διαστάσεις τους κατά τη<br />
διεύθυνση ανάπτυξης.<br />
ΑΝΑΦΟΡΕΣ<br />
[1] A. G. Nassiopoulou, review paper, Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, edited by H. S. Nalwa, (American<br />
Scientific publishers, 2004) 9 (2004) 793.<br />
[2] P. Photopoulos, A.G. Nassiopoulou, D.N. Kouvatsos, and A. Travlos, Appl. Phys. Lett. 76, 3588 (2000)<br />
[3] Emmanouil Lioudakis, A. G. Nassiopoulou and Andreas Othonos, Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 171103.<br />
32
Σχήµα 1. Εικόνες περίθλασης<br />
ηλεκτρονίων από τα υµένια n01 και n02 (a)<br />
(b) αντιστοίχως. Με τα βέλη δηλώνονται οι<br />
θέσεις των αντίστοιχων ανακλάσεων του<br />
Si. Η χαρακτηριστική παρουσία διακριτών<br />
κηλίδων και στις δύο εικόνες υποδεικνύει<br />
την ανάπτυξη κρυσταλλιτών και στα δύο<br />
υµένια.<br />
4<br />
Σχήµα 2. Εικόνες planar view από τα υµένια n01 έως n06 (a) έως (f) αντίστοιχα, από τις οποίες είναι δυνατή η εκτίµηση των<br />
διαστάσεων των κρυσταλλιτών.<br />
Σχήµα 3. Καµπύλες κατανοµής του<br />
µεγέθους των κρυσταλλιτών. Αν και<br />
µπορεί να υποδειχθεί µια<br />
συστηµατική αύξηση στην µέγιστη<br />
παρατηρούµενη διάσταση µε το<br />
πάχος του δείγµατος, είναι φανερό<br />
ότι η µέση τους διάσταση δεν<br />
επηρεάζεται σηµαντικά.<br />
Σχήµα 4. Εικόνα εγκαρσίου τοµής<br />
υψηλής µεγέθυνσης από το υµένιο<br />
n06. Με τα βέλη υποδεικνύονται<br />
διακριτοί κρυσταλλίτες. Είναι<br />
χαρακτηριστική µια κατά στήλες<br />
ανάπτυξη των κρυσταλλιτών. Ενώ<br />
διατηρούνται οι αρχικές διαστάσεις<br />
στο επίπεδο του υποστρώµατος, όπως<br />
εκτιµάται και από τις εικόνες planar<br />
view των υµενίων, το µέγεθός των<br />
αυξάνει µόνον κατά την διεύθυνση<br />
εναπόθεσης.<br />
33
Εµφύτευση Ιόντων As σε Λεπτά Υµένια Πολυκρυσταλλικού Πυριτίου<br />
Ανεπτυγµένα σε Υπόστρωµα Χαλαζία<br />
Χρ. Β. Λιούτας 1* , Ν. Βουρουτζής 1 , Ι. Τσιαούσης 1 , Ν. Φράγκης 1 και Α. Γ. Νασιοπούλου 2 ,<br />
1 Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, 541 24 Θεσσαλονίκη<br />
2 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ ∆ηµόκριτος, Αγία Παρασκευή, Αθήνα<br />
*lioutas@physics.auth.gr<br />
Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο σε υπόστρωµα Si παρουσιάζει έντονο τεχνολογικό ενδιαφέρον λόγω της χρήσης του στην<br />
τεχνολογία ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Καθώς οι διαστάσεις των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων µειώνονται, τα πάχη των<br />
χρησιµοπιούµενων υµενίων γίνονται όλο και πιο λεπτά. Όταν τα πάχη αυτά φθάσουν σε διαστάσεις της τάξης των<br />
νανοµέτρων, οι ιδιότητες τους αλλάζουν σηµαντικά. Σκοπός της παρούσας έρευνας ήταν η παρασκευή δειγµάτων<br />
πολυγρυσταλλικού πυριτίου και η µελέτη της δυναµικής των φορέων σε αυτά όταν υφίστανται διάφορες διεργασίες ιοντικής<br />
εµφύτευσης και ανόπτησης [1-3], χρησιµοποιώντας τεχνικές διέγερσης µε υπερταχείς παλµούς λέιζερ και µελέτης της<br />
αποδιέγερσης. Για την µελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των δειγµάτων µε τις τεχνικές που χρησιµοποιήθηκαν ήταν<br />
απαραίτητο τα δείγµατα να παρασκευασθούν σε διαφανές υπόστρωµα χαλαζία. Τα υµένια µε πάχος της τάξης των µερικών<br />
νανοµέτρων έως δεκάδων νανοµέτρων παρουσιάζουν νανοκρυσταλλική δοµή.<br />
Στην παρούσα εργασία µελετήθηκαν τα δοµικά χαρακτηριστικά υµενίων ονοµαστικού πάχους 10 και 20 nm τα οποία<br />
υπέστησαν ιοντική εµφύτευση µε υψηλή δόση ιόντων αρσενικού και στην συνέχεια ανόπτηση σε υψηλή θερµοκρασία. Η<br />
δόση εµφύτευσης ήταν 2×10 16 και η ενέργεια 35keV, ενώ οι θερµοκρασίες ανόπτησης 500, 800 και 1100 ο C. Τα δείγµατα<br />
µελετήθηκαν µε συµβατική και υψηλής διακριτικής ικανότητας ηλεκτρονική µικροσκοπία. Μελετήθηκαν δύο πάχη<br />
δειγµάτων, µε ονοµαστκά πάχη 10 και 20 nm και αντίστοιχα µετρηµένα πάχη: α) 12.5±1 και β) 23.5±1 nm. ∆είγµατα<br />
κατάλληλα για παρατηρήσεις εγκαρσίου τοµής ετοιµάστηκαν µε µηχανική λείανση συνοδευόµενη µε λείανση µε δέσµη<br />
ιόντων Ar + , ενώ δείγµατα για επίπεδη παρατήρηση (planar view) παρασκευάσθηκαν µε χηµική λείανση του υποστρώµατος<br />
του χαλαζία µε HF.<br />
Οι εικόνες περίθλασης από τα αρχικά δείγµατα, πριν την εµφύτευση, φανερώνουν την πολυκρυσταλλικότητα των<br />
υµενίων (Σχήµα 1). Αυτό επιβεβαιώνεται και από τα είδωλα φωτεινού και σκοτεινού πεδίου (Σχήµα 2). Στο λεπτότερο<br />
υµένιο το µέγιστο µέγεθος των νανοκρυστάλλων φθάνει τα 14±1 nm και στο παχύτερο τα 26±1 nm.<br />
Η µελέτη των υπολοίπων δειγµάτων έδειξε ότι, ανεξαρτήτως του αρχικού πάχους, τα υµένια στα οποία έγινε εµφύτευση<br />
ιόντων As και στη συνέχεια είτε δεν υπέστησαν ανόπτηση, είτε υπέστησαν ανόπτηση στους 500 ο C, εµφανίζονται να είναι<br />
κυρίως άµορφα, µε ένα µικρό βαθµό κρυσταλλικότητας . Η αντίστοιχη εικόνα περίθλασης παρουσιάζεται στο Σχήµα 3α.<br />
Αντιθέτως, τα υµένια τα οποία υπέστησαν ανόπτηση στους 800 και 1100 ο C εµφανίζονται πολυκρυσταλλικά. Το µέγεθος<br />
των νανοκρυστάλλων αυξάνεται µε τη θερµοκρασία. Αυτό πιστοποιείται τόσο από τις εικόνες περίθλασης (Σχήµα 3β και γ),<br />
όσο και από τα είδωλα φωτεινού και σκοτεινού πεδίου. Για το δείγµα των 800 ο C το µέγεθος µεταβάλλεται από λίγα µέχρι<br />
25 nm, ενώ για το δείγµα των 1100 ο C παρατηρήθηκαν νανοκρύσταλλοι µε διαστάσεις, παράλληλα προς την διεπιφάνεια<br />
υµενίου/υποστρώµατος, µεταξύ 100 και 200 nm (Σχήµα 4). Είναι αξιοσηµείωτο ότι στο δείγµα αυτό εµφανίζονται δύο ζώνες<br />
εγκλεισµάτων στο υπόστρωµα χαλαζία. Από τις εικόνες περίθλασης και τα αντίστοιχα είδωλα προκύπτει ότι πρόκειται για<br />
εγκλείσµατα πλούσια σε As, το οποίο υπάρχει κυρίως ως άµορφο.<br />
Συµπερασµατικά, η εµφύτευση του As, αµορφοποιεί τα υµένια του Si και για την επανακρυσταλλοποίησή τους<br />
απαιτείται ανόπτηση πάνω από δεδοµένη τιµή θερµοκρασίας. Για θερµοκρασίες πάνω από αυτό το όριο, το µέγεθος των<br />
νανοκρυστάλλων Si, αυξάνεται µε τη θερµοκρασία ανόπτησης.<br />
ΑΝΑΦΟΡΕΣ<br />
[1] E. Lioudakis, A. G. Nassiopoulou and A. Othonos, Appl. Phys. Lett. 90 (2007).<br />
[2] E. Lioudakis, A. G. Nassiopoulou and A. Othonos, Appl. Phys. Lett. 88, 181107(2006).<br />
[3] Emmanouil Lioudakis, Andreas Othonos, A. G. Nassiopoulou, Ch. B. Lioutas and N. Frangis, Appl. Phys. Lett. 90 (2007)<br />
191114.<br />
34
Σχήµα 1. Εικόνες περίθλασης<br />
ηλεκτρονίων από δείγµατα επίπεδης<br />
παρατήρησης, υµενίων µε πάχη (α) 12.5<br />
και (β) 23.5 nm αντστοίχως. Με τα βέλη<br />
δήλωνονται οι θέσεις των αντιστοίχων<br />
ανακλάσεων του Si. Η χαρακτηριστική<br />
παρουσία διακριτών κηλίδων και στις δύο<br />
εικόνες υποδεικνύει την ανάπτυξη<br />
κρυσταλλιτών και στα δύο υµένια.<br />
Σχήµα 2. Είδωλα σκοτεινού πεδίου από τα ανωτέρω δύο υµένια.<br />
Σχήµα 3. Εικόνες περίθλασης ηλεκτρονίων από δείγµατα επίπεδης παρατήρησης, υµενίων που υπέστησαν ανόπτηση<br />
στους: α) 500, β) 800 και γ) 1100 ο C. Η προοδευτική αύξηση της κρυσταλλικότητας των υµενίων και του µεγέθους<br />
των νανοκρυστάλλων είναι εµφανής.<br />
Σχήµα 4. Εικόνα από δείγµα εγκάρσιας τοµής, το οποίο υπέστη ανόπτηση στους 1100 ο C. Με τα δύο βέλη<br />
υποδεικνύεται το υµένιο Si. Είναι προφανής η δηµιουργία δύο ζωνών εγκλεισµάτων, πλούσιων σε As µέσα στο<br />
υπόστρωµα χαλαζία.<br />
35
Τεχνολογία Ανάπτυξης Διατεταγμένων Δομών στο Si για Φωτονικές Εφαρμογές Μέσω<br />
Λεπτών Υμενίων Αυτο-οργανούμενης Πορώδους Αλουμίνας<br />
Ζαχαράτος Φ. * , Γιαννέτα Β. και Νασιοπούλου Α. Γ.<br />
Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», Αγ. Παρασκευή 15310 Αθήνα<br />
*fzacharat@imel.demokritos.gr<br />
Οι φωτονικοί κρύσταλλοι αποτελούν αντικείμενο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας τα τελευταία χρόνια, με πληθώρα<br />
εφαρμογών σε φίλτρα, κυματοδηγούς και άλλα. Για την παρασκευή τους απαιτείται ακριβής αποτύπωση σχεδίου στο<br />
αντίστοιχο υλικό, σε μια, δύο ή τρεις διαστάσεις. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκε τεχνολογία κατασκευής κατακόρυφων<br />
πόρων σε υπόστρωμα πυριτίου, διατεταγμένων σε διδιάστατο εξαγωνικό πλέγμα, χρησιμοποιώντας ως μάσκα για την<br />
εγχάραξη αυτο-οργανούμενα υμένια πορώδους αλουμίνας, που αναπτύσσονται στο πυρίτιο με ηλεκτροχημική οξείδωση<br />
αλουμινίου [1]. Η διάμετρος και η πυκνότητα των πόρων εξαρτώνται από τις ηλεκτροχημικές διεργασίες. Τόσο η πορώδης<br />
αλουμίνα όσο και οι φωτονικές δομές στο πυρίτιο μπορούν να παρασκευαστούν τοπικά σε προ-επιλεγμένες επιφάνειες στο<br />
Si μέσω σχηματοποίησης του λεπτού υμενίου Al. Η διεργασία αυτή αναπαρίσταται στο σχήμα 1.<br />
1. Γενικά περί μακροπορώδους πυριτίου.<br />
Το μακροπορώδες πυρίτιο σχηματίζεται με ηλεκτροχημική διάλυση πυριτίου παρουσία ηλεκτρολύτη περιέχοντα<br />
υδροφθόριο [2]. Η θεωρητική ανάλυση της διεργασίας αυτής θα παρουσιαστεί στο συνέδριο. Οι πόροι που προκύπτουν με<br />
αυτή τη διαδικασία έχουν μέση διάμετρο 1μm και είναι διατεταγμένοι κατακόρυφα ως προς το υπόστρωμα. Το μήκος τους<br />
μπορεί να φτάνει έως αρκετές εκατοντάδες μικρόμετρα. Επιπλέον, η κατανομή τους στην επιφάνεια είναι τυχαία και η<br />
διασπορά της διαμέτρου τους μεγάλη (σχήμα 2). Ωστόσο, έχει παρατηρηθεί ότι με κατάλληλη επιφανειακή προεργασία είναι<br />
δυνατόν να παρασκευαστούν προτιμητέα σημεία έναρξης της ηλεκτροχημικής διάλυσης, στα οποία συνεπώς θα<br />
αναπτυχθούν οι μακρο-πόροι [3]. Αν τα σημεία αυτά σχεδιαστούν με φωτολιθογραφία κι εγχάραξη σύμφωνα με κάποια<br />
συγκεκριμένη γεωμετρία, τότε οι προκύπτοντες μακροπόροι θα ακολουθούν καθορισμένη διάταξη και θα έχουν απόλυτα<br />
ομοιόμορφη διάμετρο (σχήμα 3). Το μέγεθός τους σε αυτή την περίπτωση θα κυμαίνεται μεταξύ 2-8μm και κατά συνέπεια η<br />
επιφανειακή πυκνότητα πόρων σε ένα τέτοιο δείγμα θα λαμβάνει τιμές μεταξύ 10 7 -10 8 πόροι/cm 2 . Παρά την επιτυχία αυτής<br />
της τεχνικής όσον αφορά στην κατανομή και την ομοιομορφία των πόρων, η παρασκευή μακροπόρων μικρότερων<br />
διαστάσεων απαιτεί την υιοθέτηση λιθογραφικών τεχνικών υψηλής διακριτικής ικανότητας (EUV lithography, e-beam<br />
lithography), οι οποίες είναι χρονοβόρες και υψηλού κόστους. Στην εργασία αυτή αναπτύχθηκε μια πρωτοποριακή μέθοδος<br />
για την ανάπτυξη μακροπόρων μέσης διαμέτρου 300nm με εξαγωνική διάταξη, η οποία συνίσταται σε δύο στάδια τα όπως<br />
περιγράφονται κατωτέρω.<br />
α) Σχηματοποίηση της επιφάνειας υποστρωμάτων πυριτίου με χημική ή ηλεκτροχημική εγχάραξη μέσω μάσκας από<br />
λεπτό υμένιο πορώδους αλουμίνας.<br />
Αρχικά εναποτέθηκε στο υπόστρωμα υμένιο αλουμινίου το οποίο μετατράπηκε με ηλεκτροχημική διεργασία σε<br />
πορώδη αλουμίνα. Οι πειραματικές συνθήκες ρυθμίστηκαν έτσι ώστε να προκύψουν πόροι διαστάσεων 150nm κατακόρυφοι<br />
ως προς το υπόστρωμα (υδατικό διάλυμα οξαλικού οξέος 5% κ.β. σταθερή τάση 40Volts). Η απόσταση μεταξύ των πόρων<br />
είναι τριπλάσια της διαμέτρου τους και είναι διατεταγμένοι σε συστοιχίες που ακολουθούν εξαγωνική συμμετρία (σχήμα 4).<br />
Η μεμβράνη της πορώδους αλουμίνας είναι δυνατόν να λειτουργήσει ως μάσκα που θα διοχετεύσει επιλεκτικά διάφορα<br />
διαλύματα, υπό κατάλληλες προυποθέσεις. Στην υπό μελέτη περίπτωση σημαντικό ρόλο διαδραματίζει η χημική<br />
ανθεκτικότητα της αλουμίνας στα υδατικά διαλύματα TMAH (tetramethylammoniumhydroxide) και HF. Η αλουμίνα είναι<br />
γενικά χημικά αδρανές υλικό ωστόσο επειδή τα διαλύματα που χρησιμοποιήθηκαν για εγχάραξη είναι ιδιαίτερα δραστικά, η<br />
διάρκεια της διαδικασίας είχε χρονικό περιορισμό. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε υδατικό διάλυμα TMAH 25% στους 70 o C. Το<br />
συγκεκριμένο διάλυμα είναι από τα πιο δημοφιλή για εγχάραξη πυριτίου και παρουσιάζει ανισοτροπική δράση με<br />
προτιμητέα διεύθυνση την (111). Επετεύχθη ο σχηματισμός ανεστραμμένων πυραμίδων διαστάσεων 200nm πυκνά<br />
διατεταγμένων σύμφωνα με την εξαγωνική συμμετρία της πορώδους αλουμίνας. Για την αρχική σχηματοποίηση του Si<br />
χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρολυτική εγχάραξη με υδατικά διαλύματα περιέχοντα υδροφθόριο. Χρησιμοποιήθηκαν διάφορες<br />
πειραματικές συνθήκες και οι προκύπτουσες δομές ποίκιλαν ως προς την πυκνότητα και την ομοιομορφία. Σε γενικές<br />
γραμμές εν τούτοις, παρουσίαζαν ημισφαιρικό σχήμα, είχαν διάμετρο από 150-400nm και η διάταξή τους είχε εμφανείς<br />
επιρροές από την αρχική μάσκα αλουμίνας. Με τη βελτιστοποίηση των ηλεκτροχημικών συνθηκών επετεύχθη η παρασκευή<br />
δομών με εξαγωνική διάταξη, μεγάλη ομοιογένεια και επιφανειακή πυκνότητα της τάξης του 2x10 9 πόροι/cm 2 .<br />
β) Ανάπτυξη μακροπόρων διαμέσου των σχηματοποιημένων επιφανειών.<br />
Μετά την ολοκλήρωση της σχηματοποίησης η εναπομείνασα αλουμίνα απομακρύνθηκε με χημική εγχάραξη. Τα<br />
δείγματα τοποθετήθηκαν σε ηλεκτρολυτική κυψελίδα και ακολούθησε ανοδίωση σε διάλυμα HF:H 2 O:DMF με σταθερή<br />
πυκνότητα ρεύματος J=20mA/cm 2 . To μήκος των πόρων είναι ανάλογο με τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής διεργασίας,<br />
ωστόσο όσο αυτό αυξάνει, τόσο η πορώδης μεμβράνη καθίσταται πιο εύθραυστη. Αρχικά η ανάπτυξη των μακροπόρων έχει<br />
ισοτροπικό χαρακτήρα αλλά σύντομα η διάμετρός τους λαμβάνει την τελική της τιμή καθώς οι αμοιβαίες απωστικές<br />
δυνάμεις των τοιχωμάτων έρχονται σε ισορροπία. Ακολούθως η ανάπτυξη συνεχίζεται σε διέυθυνση κατακόρυφη του<br />
υποστρώματος. Παρασκευάστηκαν πόροι διαμέτρου 300nm και μήκους 9μm (σχήμα 5). Η απόσταση μεταξύ των πόρων έχει<br />
ελαττωθεί σε σχέση με το συμβατικό μακροπορώδες πυρίτιο και είναι ίση με τη διάμετρό τους. Οι πόροι είναι διατεταγμένοι<br />
σε συστοιχίες με εξαγωνική συμμετρία (όπως η αρχική μάσκα) και παρουσιάζουν ομοιομορφία όσον αφορά στο σχήμα και<br />
στο μέγεθος (σχήμα 6). Η επιφανειακή τους πυκνότητα είναι αυξημένη σε σχέση με το συμβατικό μακροπορώδες πυρίτιο<br />
κατά μία τάξη μεγέθους. Τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, όπως διαφαίνεται στις<br />
μικρογραφίες που ακολουθούν (σχήματα 2-7).<br />
36
Οι δομές που αναπτύχθηκαν προορίζονται για ανάπτυξη φωτονικών κρυστάλλων με χάσμα στην περιοχή του εγγύς<br />
υπέρυθρου, καθώς και ως μήτρες για την ανάπτυξη μεταλλικών νημάτων υπομικρονικών διαστάσεων. Ειδικά η τελευταία<br />
εφαρμογή έχει μελετηθεί διεξοδικά και έχουν παρασκευαστεί νήματα χαλκού διαμέτρου 5μm και μήκους 100μm στο<br />
εσωτερικό δισκιδίων πυριτίου (σχήμα 7).<br />
Al 2O 3<br />
A)<br />
Si<br />
Si<br />
B)<br />
Al 2O 3<br />
Si<br />
Κάτοψη Πορώδους<br />
Αλουμίνας<br />
C)<br />
Si<br />
Si<br />
Κάτοψη Μακροπόρων<br />
σε Επιλεγμένη Περιοχή<br />
Σχήμα 1. Αναπαράσταση των βημάτων της πειραματικής διεργασίας. Α) Πορώδης αλουμίνα σχηματίζεται ηλεκτροχημικά σε<br />
υπόστρωμα πυριτίου και Β) λειτουργεί ως μάσκα για τη σχηματοποίηση της επιφάνειας του υποστρώματος. C) Με ηλεκτροχημική<br />
διάλυση αναπτύσσονται εξαγωνικά διατεταγμένοι μακροπόροι.<br />
Σχήμα 6. Διατομή μακροπορώδους<br />
πυριτίου παρασκευασμένου μέσω<br />
μάσκας πορώδους αλουμίνας.<br />
Σχήμα 2. Επιφάνεια μακροπορώδους<br />
πυριτίου χωρίς διάταξη<br />
Σχήμα 4. Μικρογραφία επιφάνειας<br />
πορώδους αλουμίνας.<br />
Σχήμα 3. Μακροπορώδες πυρίτιο με<br />
διάταξη<br />
Σχήμα 5. Μακροπορώδες πυρίτιο με<br />
εξαγωνική διάταξη παρασκευασμένο<br />
μέσω μάσκας πορώδους αλουμίνας<br />
Αναφορές<br />
[1] M. Kokonou, A. G. Nassiopoulou and K. P. Giannakopoulos, Nanotechnology 16, 103 (2005)<br />
[2] D. N. Pagonis and A.G. Nassiopoulou, Physica Status Solidi (a) 204, 5, p.1335-1339 (2007)<br />
[3] D. N. Pagonis and A. G. Nassiopoulou, Microelectronic Engineering vol. 83 (2006), pp. 1421–1425<br />
Σχήμα 7. Νήματα χαλκού σε μήτρα<br />
μακροπορώδους πυριτίου<br />
37
Μελέτη της Σκέδασης Raman από τα Φωνόνια της Υπερδομής (GaAs) 8 /(AlAs) 8 (001)<br />
με Αταξία στις Διεπιφάνειες.<br />
Δ. Mπερδέκας ♦ * και Σ. Βες**<br />
* Δ/νση Β/θμιας Εκπ/σης Ν. Λάρισας, Γεν. Λύκειο Αμπελώνα, 40400 Λάρισα<br />
**Τμήμα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 54124 Θεσσαλονίκη<br />
Στην παρούσα εργασία μελετάται η επίδραση της αταξίας στους τρόπους ταλάντωσης στην υπερδομή (GaAs) 8 /(AlAs) 8 με<br />
διεύθυνση ανάπτυξης την διεύθυνση (001). Αρχικά μελετάται η υπερδομή με τέλειες διεπιφάνειες, δηλαδή τα ιόντα Ga και<br />
Al βρίσκονται στις θέσεις που προβλέπει η συμμετρία μετατόπισης του κρυστάλλου. Κατόπιν, η υπερδομή μελετάται με<br />
κυψελίδα μεγαλύτερου όγκου από την κυψελίδα της τέλειας ΥΔ αλλα με μικρό βαθμό αταξίας στα πλεγματικά επίπεδα που<br />
βρίσκονται κοντά στην διεπιφάνειά της. Σ’ αυτή την περίπτωση, υποθέτουμε ότι τα συγκεκριμένα πλεγματικά επίπεδα Ga<br />
και Al περιέχουν, σε μικρό ποσοστό, ιόντα Al και Ga αντίστοιχα. Ο υπολογισμός των τρόπων ταλάντωσης γίνεται με το<br />
πρότυπο Επικάλυψης των Ηλεκτρονικών Φλοιών 10 παραμέτρων (Valence Overlap Shell Model). Τα φάσματα σκέδασης<br />
Raman, μακριά από συνθήκες συντονισμού, υπολογίζονται με το πρότυπο Πολωσιμότητος των Δεσμών (Bond Polarizability<br />
Model) για την τέλεια ΥΔ αλλα και για την ΥΔ με αταξία στις διαχωριστικές ενδοεπιφάνειες. Γίνεται σύγκριση των<br />
θεωρητικών αποτελεσμάτων με τα πειραματικά αποτελέσματα, μεταξύ των οποίων υπάρχει καλή συμφωνία.<br />
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ<br />
Οι υπερδομές GaAs/AlAs εμφανίζουν μεγάλο ενδιαφέρον λόγω της δυνατότητας κατασκευής υπερδομών με επιθυμητό<br />
πάχος το οποίο έχει άμεση επίδραση στις ιδιότητες της υπερδομής. Ως προς τις ταλαντώσεις του πλέγματος, εμφανίζουν<br />
πέρα από την ακουστική περιοχή συχνοτήτων, όπου εμφανίζεται επικάλυψη συχνοτήτων, δύο διακριτές, μη επικαλυπτόμενες<br />
περιοχές οπτικών συχνοτήτων, μία οφειλόμενη στην στρώση του GaAs και μια στη στρώση του AlAs. Αν και μέχρι τώρα<br />
έχουν γίνει πολλές μελέτες που αφορούν την δυναμική του πλέγματος των υπερδομών GaAs/AlAs (001), πρόκειται για<br />
ποιοτικές προσεγγίσεις που όμως αδυνατούν να περιγράψουν επαρκώς τους τρόπους δόνησης των υπερδομών [1].<br />
2. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ<br />
Στην παρούσα εργασία στηριζόμενοι στο Πρότυπο Επικάλυψης των Ηλεκτρονικών φλοιών (Valence Overlap Shell<br />
Model VOSM ) [2,3] υπολογίζουμε τους τρόπους ταλάντωσης θεωρώντας κυψε λίδες τριών διαστάσεων. Αυτή η θεώρηση<br />
απαιτεί 10 παραμέτρους για τον υπολογισμό των δυνάμεων μικρής και μεγάλης εμβέλειας μεταξύ των ατόμων του κρυστάλ<br />
λου, είτε πρόκειται για υπερδομή ή για κρυσταλλικό υλικό. Σε πρώτη φάση γίνεται προσαρμογή των παραμέτρων του προ τύ<br />
που στα τελευταία πειραματικά δεδομένα [4] για τις συχνότητες του καθαρού κρυστάλλου GaAs χρησιμοποιώντας μέθοδο<br />
ελαχίστων τετραγώνων με στόχο ανεύρεση βέλτιστης τιμής με βάση την σχέση<br />
∑<br />
χ = ( ω −ω<br />
)<br />
2 exp calc 2<br />
ν<br />
Από την διαδικασία προσαρμογής παραμέτρων καταλήξαμε στο σύνολο παραμέτρων: Ζ = 2, Y 1 = 6.285, Y 2 = -2.455,<br />
(σε μονάδες φορτίου πρωτονίου) K 1 = 16.84, K 2 = 5.516 , λ = 2.387, , k r1θ = 0.44, k’ r1θ = -0.358, k r2θ = -0.2, k’ r2θ =0.139<br />
(σε μονάδες 10 5 dyn/cm).<br />
Για τον κρύσταλλο του AlAs, οι υπάρχουσες πειραματικές τιμές των συχνοτήτων είναι ελάχιστες και γι αυτό το λόγο θα<br />
προσεγγίσουμε τις αλληλεπιδράσεις των ατόμων αυτού του κρυστάλλου με το ίδιο σετ παραμέτρων με τον κρύσταλλο GaAs<br />
με μόνη διαφοροποίηση την μάζα του Al που αντικαθιστά την μάζα του Ga.<br />
Για τον υπολογισμό των τρόπων δόνησης της υπερδομής ακολουθούμε μια διαδικασία [5] σύμφωνα με την οποία<br />
κατ αρχήν υπολογίζονται οι δυναμικοί πίνακες των καθαρών (bulk) κρυστάλλων σε κατάλληλα σημεία –κυματο διανύσματα<br />
της ζώνης Brillouin κατά την διεύθυνση (00ξ). Κατόπιν με μετασχηματισμό ομοιότητος και κατάλληλο συνδυασμό των<br />
δυναμικών πινάκων των καθαρών κρυστάλλων κατασκευάζουμε τον Δυναμικό πίνακα της ΥΔ [5,6].<br />
Για τον υπολογισμό των φασμάτων σκέδασης Raman μακριά από συνθήκες συντονισμού, χρησιμοποιήσαμε το<br />
πρότυπο της πολωσιμότητος των δεσμών (Βond Polarizability Model) [7,8] Σύμφωνα με αυτό το πρότυπο, για να<br />
περιγραφούν οι μεταβολές της πολωσιμότητος των δεσμών στους διάφορους τρόπους δόνησης, απαιτούνται, πέραν των<br />
μετατοπίσεων των ατόμων σε κάθε τρόπο, τέσσερεις παράμετροι οι α p , α v , α';p , α';v για τους δεσμούς GaAs και τέσσερεις<br />
για τους δεσμούς AlAs. Τις τιμές των ανωτέρω παραμέτρων τις έχουμε υπολογίσει σε προηγούμενες εργασίες μας [9, 10]<br />
έχουμε υπολογίσει με συγκεκριμένη διαδικασία και όχι αυθαίρετα [6, 9, 10] . Όι τιμές αυτές για τους δεσμούς Ga-As είναι<br />
α p = 8.7 (10 -24 cm 3 ), α v = 9.0 (10 -24 cm 3 ), α';p = 1.5 (10 -16 cm 2 ), α';v = 0.6 (10 -16 cm 2 ), ενώ για τους δεσμούς Al-As α p =<br />
6.9 (10 -24 cm 3 ), α v = 6.7 (10 -24 cm 3 ) , α';p = 0.8 (10 -16 cm 2 ), α';v = 0.5 (10 -16 cm 2 ).<br />
Στο σχήμα 1 (α) φαίνεται το φάσμα σκέδασης Raman μακριά από συνθήκες συντονισμού για την ΥΔ 8x8 GaAs/AlAs<br />
(001) στην οπτική περιοχή συχνοτήτων των καθαρών κρυστάλλων GaAs και AlAs. Ο υπολογισμός έγινε για μηδέν<br />
κυματοδιάνυσμα διαδιδόμενο παράλληλα με την διεύθυνση ανάπτυξης της ΥΔ για τους τρόπους δόνησης που μπορούν να<br />
ανιχνευθούν στην γεωμετρία οπισθοσκέδασης (backscattering) Ζ(Χ, Υ)Ζ και με την θεμελιώδη κυψελίδα που αναπαράγει<br />
♦ e-mail : dberdek@sch.gr<br />
38
Raman Intensity (10 -50 cm 3 )<br />
1,2<br />
1,0<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0,0<br />
1,2<br />
1,0<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0,0<br />
8X8 (001)<br />
P erfect SL<br />
z(x,y)z<br />
(a)<br />
Disordered<br />
Interfaces<br />
(b)<br />
a<br />
LO GaAs<br />
LO GaAs<br />
LO AlAs<br />
200 240 280 320 360 400<br />
b<br />
LO AlAs<br />
Σχήμα 1. Υπολογισμένα φάσματα σκέδασης Raman για την ΥΔ<br />
8Χ8 (001) α) με τέλειες διεπιφάνειες β) με μικρό βαθμό αταξίας<br />
κοντά στις διεπιφάνειες. Ο υπολογισμός για όλους τους τρόπους<br />
ταλάντωσης έχει γίνει με πλήρες εύρος στο μισό του ύψους<br />
(FWHM) = 8 cm -1<br />
c<br />
την ΥΔ χωρίς αταξία στις διαχωριστικές ενδοεπιφάνειες<br />
(interfaces). Σ’ αυτή την γεωμετρία ανιχνεύονται οι διαμήκεις<br />
Β 2 τρόποι ταλάντωσης. Οι oπτικοί τρόποι ταλάντωσης είναι<br />
περιορισμένοι είτε στην στρωση του GaAs είτε στην στρώση<br />
του AlAs. H ισχυρότερη σε ένταση κορυφή στην οπτική<br />
περιοχή συχνοτήτων του GaAs οφείλεται στον Β 2<br />
περιορισμένο παρόμοιο με LO(Γ) τρόπο του GaAs στα 288.7<br />
cm -1 . Οι υπόλοιποι τρείς Β 2 τρόποι στην ίδια περιοχή<br />
συχνοτήτων, εντοπισμένοι στην στρώση του GaAs έχουν<br />
μικρότερη ένταση, όμως οι συνεισφορές τους έχουν ως<br />
αποτέλεσμα το από αριστερά ασύμμετρο προφίλ του LO(Γ)<br />
τρόπου του GaAs. Οι δύο ισχυροί Β 2 τρόποι που σχηματίζουν<br />
την κορυφή στην οπτική περιοχή του AlAs είναι πολύ κοντα<br />
μεταξύ τους, ο παρόμοιος με LO(Γ) του AlAs εμφανίζεται στα<br />
390.2 cm -1 ενώ ο λιγότερο ισχυρός στα 390.4 cm -1 .Γι’ αυτό το<br />
λόγο η κορυφή του παρόμοιου με LO(Γ) του AlAs (Σχήμα<br />
1(α)) είναι συμμετρική. Οι πειραματικές τιμές για τους<br />
παρόμοιους με LO(Γ) τρόπους του GaAs και του AlAs είναι<br />
περίπου 290.0 cm -1 και 400.0 cm -1 αντίστοιχα [11].<br />
Παρότι η συμφωνία του υπολογισμένου φάσματος με το<br />
αντίστοιχο πειραματικό φάσμα Raman [11] κρίνεται ικανο<br />
ποιητική ως προς τα βασικά χαρακτηριστικά, εν τούτοις, οι<br />
ισχυρές κορυφές που είναι χαρακτηριστικές για τις αντίστοιχες<br />
οπτικές περιοχές δεν εμφανίζουν σε ικανοποιητικό βαθμό τις<br />
ασυμμετρίες από αριστερά όπως αυτές εμφανίζονται στο πειρα<br />
ματικό φάσμα. Για τον σκοπό αυτό, όπως και σε προηγούμενες<br />
εργασίες μας, υποθέτουμε όυι η ΥΔ εμφανίζει μικρό βαθμό<br />
αταξίας κοντά στις διεπιφάνειες. Υποθέτουμε λοιπόν ότι η<br />
8Χ8 ΥΔ περιγράφεται με μία θεμελιώδη κυψελίδα με<br />
θεμελιώδη διανύσματα μετατόπισης a 1 = ai, a 2 = 2aj, a 3 =<br />
8ak , όπου a σταθερά του πλέγματος των καθαρών<br />
κρυστάλλων. Υποθέτουμε δηλαδή ότι η ΥΔ περιγράφεται με κυψελίδα που ο όγκος της είναι τετραπλάσιος του όγκου της<br />
θεμελιώδους κυψελίδας της τέλειας ΥΔ. Επιπλέον υποθέτουμε ότι στην 7 η στρώση και 8 η στρώση GaAs, ένα άτομο Ga, σε<br />
κάθε στρώση, έχει αντικατασταθεί από ένα άτομο Al. Oμοίως υποθέτουμε ότι στην 1 η και 2 η στρώση AlAs, ένα άτομο Al<br />
σε κάθε στρώση, έχει αντικατασταθεί από ένα άτομο Ga. Το φάσμα που υπολογίζουμε γι αυτή την περίπτωση φαίνεται στο<br />
Σχήμα 1(β). H ισχυρότερη σε ένταση κορυφή στην οπτική περιοχή συχνοτήτων του GaAs εμφανίζεται στα 288.3 cm -1 ενώ<br />
στην περιοχή του AlAs εμφανίζεται στα 391.7 cm -1 παρότι ο παρόμοιος με LO(Γ) του AlAs που έχει την μεγαλύτερη<br />
συνεισφορά στον σχηματισμό της ισχυρής κορυφής σ αυτή την περιοχή συχνοτήτων, έχει συχνότητα 390.2 cm -1 . Οι<br />
κορυφές a, b, c (Σχήμα 1(β)) οφείλονται στις διαμήκεις μετατοπίσεις μικτών τρόπων ταλάντωσης που είναι ενεργοποιημένοι<br />
από την μικρή αταξία στις διεπιφάνειες. Αυτοί οι τρόποι προέρχονται από σημεία της διεύθυνσης (0,0,ξ) και (1,ξ,0). Αυτές<br />
οι ασυμμετρίες πολύ συχνά αποδίδονταν σε αποκλίσεις από την γεωμετρία οπισθοσκέδασης [1].<br />
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ<br />
Μελετήσαμε τα φάσματα σκέδασης Raman της 8Χ8 ΥΔ με ιδανικές και μη ιδανικές διεπιφάνειες. Αν και η περιγραφή<br />
της ΥΔ με αταξία στις διεπιφάνειες είναι πολύ πιο κοντά στα πειραματικά αποτελέσματα, ως προς το προφίλ των γραμμών<br />
Raman, απ ότι η τέλεια 8Χ8 ΥΔ, παρ όλ αυτά μόνο η συχνότητα του παρόμοιου με LO(Γ) του GaAs σχεδόν συμπίπτει με<br />
την αντίστοιχη πειραματική τιμή. Η συχνότητα του παρόμοιου με LO(Γ) του AlAs κρίνεται απλώς ικανοποιητική. Σε<br />
προσεχή εργασία μας θα προσπαθήσουμε να πετύχουμε μια καλλίτερη προσέγγιση των συχνοτήτων των τρόπων ταλάντωσης<br />
στην οπτική περιοχή του AlAs.<br />
ΑΝΑΦΟΡΕΣ<br />
[1] B. Jusserand, M. Cardona in Light Scattering in Solids V, edited by M. Cardona and G. Guntherondt, Topics in Applied<br />
Physics Vol. 66 (Springer Berlin 1989)<br />
[2] K. Kunc, H. Bilz, Solid State Commun. 19, 1027 (1976)<br />
[3] G. Kanellis, W. Kress, H. Bilz, Phys. Rev. B33, 8724 (1986)<br />
[4] D. Strauch, B. Dorner, J. Phys. Condens. Matter 2 , 1457 (1990)<br />
[5] G. Kanellis, Phys. Rev. B35, 746 (1987)<br />
[6] Δ. Μπερδέκας, ‘Μελέτη της Δυναμικής του Πλέγματος Μικτών Κρυστάλλων’, Διδακτορική Διατριβή, τμήμα Φυσικής<br />
Α.Π.Θ., 1991.<br />
[7] R. Tubino, L. Piseri, Phys. Rev. B11, 5145 (1975)<br />
[8] C. Flytzanis, J. Ducuing, Phys. Rev. 178, 1218 (1969)<br />
[9] Δ. Μπερδέκας, Σ. Βες, ΧΧΙΙ Πανελλήνιο Συνέδριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Πάτρα 2006.<br />
[10] Δ . Μπερδέκας, Σ. Βες, 10 ο Kοινό Συνέδριο ΕΕΦ - ΕΚΦ , Κέρκυρα 2007.<br />
[11] Z P Wang , D S Jiang, K. Ploog, Solid St. Commun. (65), 661 (1988)<br />
39
Μελέτη των Τρόπων Ταλάντωσης των Υπερδομών GaSb/AlSb (001)<br />
Δ. Mπερδέκας<br />
Δ/νση Β/θμιας Εκπ/σης Ν. Λάρισας, Γεν. Λύκειο Αμπελώνα, 40400 Λάρισα<br />
Στην παρούσα εργασία μελετώνται οι τρόποι ταλάντωσης των υπερδομών (GaSb)n/(AlSb)n (001)<br />
με n=1,2,3. Κάθε υπερδομή προσεγγίζεται με τριδιάστατη θεμελιώδη κυψελίδα η οποία είναι<br />
πολλαπλάσιου όγκου σε σχέση με την θεμελιώδη κυψελίδα που περιγράφει τις συνιστώσες ενώσεις. Οι<br />
τρόποι δόνησης υπολογίζονται με το πρότυπο Επικάλυψης των Ηλεκτρονικών Φλοιών 10 παραμέτρων<br />
(Valence Overlap Shell Model). Οι αλληλεπιδράσεις Ga-Sb και Al-Sb γίνονται με διαφορετικές τιμές<br />
των παραμέτρων αλληλεπίδρασης τόσο για τις δυνάμεις μεγάλης εμβέλειας (long range forces) όσο<br />
και για τις δυνάμεις σθένους (short range forces) . Με βάση τις μετατοπίσεις των ιόντων, υπολογί<br />
ζονται και τα φάσματα σκέδασης Raman, μακριά από συνθήκες συντονισμού, με το πρότυπο<br />
Πολωσιμότητος των Δεσμών (Bond Polarizability Model) για τις υπερδομές με τέλειες<br />
ενδοεπιφάνειες, δηλαδή χωρίς αναμίξεις κατιόντων και με εναλλαγή των πλεγματικών επιπέδων όπως<br />
προβλέπεται από την συμμετρία μετατόπισης του κρυστάλλου. Γίνεται και σύγκριση των υπολογισμών<br />
μας με τα πειραματικά αποτελέσματα.<br />
40
Μελέτη της Επίδρασης Ιονίζουσας Ακτινοβολίας Σωματίων α σε Δομές με Διπλό<br />
Φραγμό AlGaAs/GaAs/AlGaAs<br />
Π.Γεωργακάκος 1,* , Γ.Παπαϊωάννου 1 , Γ.Κωνσταντινίδης 2 και Ζ.Χατζόπουλος 3<br />
1 Πανεπιστήμιο Αθηνών , Τμήμα Στερεάς Κατάστασης , Πανεπιστημιόπολις Ζωγράφος 15784 , Ελλάδα<br />
2 Ομάδα Μικροηλεκτρονικής ,Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ) , Ηράκλειο 71110 , Κρήτη<br />
3 Πανεπιστήμιο Κρήτης , Τμήμα Φυσικής , Ηράκλειο 71110 , Κρήτη<br />
*pgeorgakakos@hotmail.com<br />
Οι διατάξεις που βασίζονται σε δομές με διπλό φραγμό χαρακτηρίζονται από την παρουσία κβαντικού<br />
πηγαδιού με διακριτές ενεργειακές στάθμες. Κοινό γνώρισμα των διατάξεων αυτών είναι η υψηλή ταχύτητα και η<br />
χαμηλή ισχύς κατανάλωσης.Η μεγάλη αντοχή των διατάξεων αυτών στην ακτινοβολία τις καθιστά χρήσιμες σε<br />
περιβάλλοντα ακτινοβολίας όπως δορυφόροι ή χώροι με υψηλή ιονίζουσα ή μη ιονίζουσα ακτινοβολία.<br />
Μέσω των χαρακτηριστικών I-V και C-V και της εξάρτησης τους από τη θερμοκρασία μελετήθηκε η<br />
επίδραση της ακτινοβολίας σωματίων α (5MeV) στην ηλεκτρική συμπεριφορά δομών με διπλό φραγμό<br />
AlGaAs/GaAs/AlGaAs. Η ροή της ακτινοβολίας κάλυψε επίπεδα από 4.9x10 10 cm -2 μέχρι 1.57x10 12 cm -2 και ο<br />
χαρακτηρισμός έγινε στην περιοχή θερμοκρασιών 180 - 440 Κ. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε μέσω επαφής Al<br />
Schottky<br />
Oι χαρακτηριστικές ορθής πόλωσης ρεύματος-τάσης (I-V) (σε περιοχή θερμοκρασιών 180-320Κ και σε<br />
δόση ακτινοβολίας 1.57x10 12 cm -2 (σχήμα 1)) εμφανίζουν ένα τμήμα στο οποίο η σχέση I=f(V) είναι εκθετική. Το<br />
τμήμα αυτό οφείλεται στο φραγμό Schottky που σχηματίζεται από την επαφή του μετάλλου με τον ημιαγωγό.Το<br />
πρώτο τμήμα των χαρακτηριστικών (I-V), αντιστοιχεί σε χαμηλή πόλωση και σε χαμηλές θερμοκρασίες (180-<br />
220Κ), δείχνει ότι η διάταξη παρουσιάζει ωμική συμπεριφορά που οφείλεται σε παράλληλη αγωγιμότητα πιθανώς<br />
μέσω ατελειών που υπάρχουν στα στρώματα της διάταξης.Το τρίτο τμήμα παρουσιάζεται σε υψηλότερη τάση και<br />
περιγράφεται από γραμμική σχέση I=f(V) στις χαμηλές θερμοκρασίες.<br />
Καθώς αυξάνεται η δόση της ακτινοβολίας αυξάνεται η συγκέντρωση των ατελειών που εισάγονται από την<br />
ακτινοβόληση με επακόλουθο τη μείωση της έντασης του ρεύματος. Η μείωση αυτή φαίνεται στο σχήμα 2 στο<br />
οποίο παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος-τάσης (I-V) πριν την ακτινοβόληση καθώς και για<br />
δόση ακτινοβολίας 1.57x10 12 cm -2 . Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται η χωρητικότητα σε συνάρτηση με την τάση<br />
πόλωσης για περιοχή θερμοκρασιών 180-310Κ και για δόση ακτινοβολίας 1.57x10 12 cm -2 . Οι χαρακτηριστικές C-V<br />
παρουσιάζουν μια ιδιαίτερη συμπεριφορά. Σε χαμηλές θερμοκρασίες και σε ορθή τάση πόλωσης παρατηρείται<br />
απόκλιση των χαρακτηριστικ.ων C-V από τη συνήθη συμπεριφορά των χαρακτηριστηκών των επαφών Schottky.<br />
Η απόκλιση της χωρητικότητας συνδέεται με μεταφορά φορτίου από και προς τα πηγάδια δυναμικού. [1,2,3].<br />
Τέλος καθώς αυξάνεται η δόση της ακτινοβολίας η περιοχή του φορτίου χώρου διευρύνεται εξαιτίας των<br />
ατελειών (κενά και ενδοπλεγματικά άτομα) που εισάγονται κατά την ακτινοβόληση με επακόλουθο να μειώνεται η<br />
χωρητικότητα. Η μείωση αυτή φαίνεται στο σχήμα 4 στο οπoίο παρουσιάζεται η χωρητικότητας σε συνάρτηση με<br />
την τάση πόλωσης σε θερμοκρασία Τ=200Κ για δόσεις ακτινοβολίας 9.8x10 10 cm -2 , 7.8x10 11 cm -2 και 1.57x10 12 cm -<br />
2<br />
.<br />
[1] Zs.Horvath , K.Jarrendahl , M. Adam , I.Szabo , Vo Van Tuyen,Zw.Czigany Appl. Surf. Sci. 190, 403,(2002).<br />
[2] B.Cvikl , D.Korosak ,Vacuum 61 ,355, (2001).<br />
[3] P.Chattopadhyay, D.P Haldar , Appl. Surf. Sci. 171, 207, (2001).<br />
41
I [A]<br />
10 -3<br />
10 -4<br />
10 -5 320K<br />
10 -6<br />
10 -7<br />
10 -8<br />
10 -9<br />
180K<br />
10 -10<br />
10 -11<br />
Βήμα 20Κ<br />
10 -12<br />
10 -13<br />
10 -14<br />
Φ=1.57x10 12 cm -2<br />
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0<br />
V [V]<br />
Σχήμα 1: Χαρακτηριστικές ρεύματος-τάσης (I-V)<br />
σε περιοχή θερμοκρασιών 180-320Κ με βήμα<br />
20Κ και σε δόση ακτινοβολίας 1.57x10 12 cm -2 .<br />
I [mA]<br />
0.5<br />
0.4<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
0.0<br />
πριν την ακτινοβόληση<br />
Φ=1.57x10 12 cm -2<br />
Τ=300Κ<br />
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0<br />
V [ V ]<br />
Σχήμα 2: Χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος-τάσης (I-<br />
V) πριν την ακτινοβόληση και για δόση ακτινοβολίας<br />
1.57x10 12 cm -2 .<br />
C [pF]<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
Φ=1.57x10 12 cm -2<br />
310K<br />
270K<br />
240K<br />
210K<br />
180K<br />
0<br />
-10 -8 -6 -4 -2 0 2<br />
V<br />
[V]<br />
C [pF]<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
T=200K<br />
Φ 2<br />
Φ 1<br />
= 9.8x10 10 cm -2<br />
Φ 2<br />
=7.8x10 11 cm -2<br />
Φ 3<br />
=1.57x10 12 cm -2<br />
Φ 3<br />
100<br />
50<br />
-10 -8 -6 -4 -2 0 2<br />
V [V]<br />
Φ 1<br />
Σχήμα 3: Διάγραμμα της χωρητικότητας σε<br />
συνάρτηση με την τάση πόλωσης για περιοχή<br />
θερμοκρασιών 180-310Κ με βήμα 30Κ και για<br />
δόση ακτινοβολίας 1.57x10 12 cm -2 .<br />
Σχήμα 4: Διάγραμμα της χωρητικότητας σε συνάρτηση<br />
με την τάση πόλωσης σε θερμοκρασία Τ=200Κ για<br />
δόσεις ακτινοβολίας 9.8x10 10 cm -2 , 7.8x10 11 cm -2 και<br />
1.57x10 12 cm -2<br />
42
Annealing Induced Dissociation of N 2 Formed in Indium Implanted GaN<br />
M. Katsikini 1* , E. C. Paloura 1 , F. Boscherini 2 , E. Wendler 3 , W. Wesch 3 .<br />
1 Aristotle University of Thessaloniki, School of Physics, Section of Solid State Physics, 54124 Thessaloniki, Greece<br />
2<br />
Department of Physics and CNISM, University of Bologna, viale C. Berti Pichat 6/2, 40127 Bologna, Italy<br />
3<br />
Institut fur Festkörperphysik, Friedrich-Schiller Universität Jena, Max-Wien-Platz 1, 07743, Germany<br />
*katsiki@auth.gr<br />
InGaN/GaN heterostructures find applications in the fabrication of high efficiency light emitting diodes as well as in high –<br />
frequency, high – power microelectronic devices [1]. Ion implantation followed by annealing is a promising method for the<br />
growth of nanomaterials [2,3], like InGaN quantum dots, which enhance the emission characteristics of InGaN – based laser<br />
diodes [4], and InGaN/GaN heterostructures. For example, high dose Ge implantation in Si has been proposed as a method<br />
for the fabrication of Si x Ge y /Si heterostructures [5]. Although ion implantation has the advantage of precise dose and profile<br />
control, it causes lattice damage which can be recovered via annealing. Here, we apply near edge x-ray absorption fine<br />
structure (NEXAFS) spectroscopy at the N K edge, in order to determine the implantation induced changes in the electronic<br />
structure of GaN samples. XAFS spectroscopies are ideally suited for the study of highly defective or amorphous materials,<br />
such as implanted samples, since the main mechanism involved is the backscattering of the outgoing photoelectron wave<br />
from the neighboring atoms which does not depend on the periodicity of the lattice. More specifically, we focus on the<br />
identification and thermal stability of N 2 gaseous bubbles that have been proposed [6] as an implantation induced defect in<br />
ion implanted GaN.<br />
The 450nm – thick – GaN sample was grown on Al 2 O 3 by Plasma Enhanced Molecular Beam Epitaxy using an AlN<br />
buffer layer [7]. The sample was diced and the<br />
individual pieces were implanted at 77 K with<br />
700 keV In ions with a fluence of 5 × 10 15 cm -2 .<br />
Rutherford backscattering characterization has<br />
4<br />
shown that a 200 µm thick amorphous layer is<br />
formed on the surface of the sample, while the<br />
remaining GaN sample is severely defected.<br />
as grown<br />
The implanted samples were subjected to rapid<br />
thermal annealing (RTA) at 800 o and 900 o C<br />
for 15 sec. The N K edge NEXAFS<br />
3<br />
ann. (900 o C)<br />
measurements were conducted at the ALOISA<br />
undulator beamline of the Synchrotron<br />
Radiation facility ELETTRA in Trieste. The<br />
spectra were recorded in the fluorescence yield<br />
ann. (800 o C)<br />
mode using a high purity Ge detector cooled at<br />
RL<br />
77K. In order to avoid polarisation effects, the<br />
2<br />
angle of incidence was equal to the magic<br />
as implanted<br />
angle (55 o to the sample surface). The<br />
information depth of the fluorescence photons<br />
is approximately equal to 40nm.<br />
The N K edge NEXAFS spectra of the<br />
as – implanted and the annealed samples are<br />
shown in Fig. 1. In the same Figure the<br />
spectrum of N 2 , which fills an ionization<br />
chamber (2×10 -8 mbar) positioned in front of<br />
the sample, is also included. As shown in the<br />
Figure, implantation smears out the NEXAFS<br />
peaks that characterize the spectrum of the asgrown<br />
sample while at the same time causes<br />
the evolution of a sharp resonance line (RL),<br />
which appears above the absorption edge. The<br />
energy center of the RL coincides with the one<br />
which corresponds to 1s π * transitions of<br />
N 2 , as it is evident in Fig. 1. Thus, the<br />
implantation induced RL can be attributed to<br />
the implantation induced formation of N 2 .<br />
Similar RLs have been reported in the<br />
Intensity (arb. units)<br />
1<br />
0<br />
390 400 410 420 430 440<br />
Energy (eV)<br />
literature in a number of occasions. Katsikini et al reported the evolution of a sharp RL above the absorption edge in the<br />
fluorescence spectra of GaN implanted with O, N, Mg and Si [8]. The RL was attributed to transitions to final states related<br />
to N dangling bonds due to the independency of its energy position and full width at half maximum from the nature of the<br />
projectile and its similarity with the RL observed in the electron energy loss spectra recorded from the core of threading<br />
dislocations [9]. Furthermore, a similar RL, attributed to 1s π* transitions of N 2 trapped in the semiconductor, has been<br />
detected in the surface sensitive electron yield spectra of bulk semiconductors bombarded with low energy N 2 + [10] and in N<br />
N 2<br />
Figure 1: N K edge NEXAFS spectra of the as-grown, as-implanted<br />
and annealed GaN:In samples. The spectrum of molecular nitrogen is<br />
also included in the figure.<br />
43
doped ZnO after annealing [11]. Finally Nord et al [12] predicted N segregation in ion implanted GaN with molecular<br />
dynamics calculations while N 2 bubbles formed after 2 and 4.7 MeV Au implantation into GaN are apparent in transmission<br />
electron micrographs [6]. The RL related to the N 2 gaseous bubbles disappears after RTA at 800 o C, as shown in Fig. 1. This<br />
implies that either N 2 outdiffuses from the sample and/or that the N – N bonds dissociate and new Ga-N are formed (even<br />
though the formation of In-N bonds cannot be excluded). In addition to that, annealing also partially restores the<br />
characteristics of the NEXAFS peaks, indicating partial recovery of the implantation induced lattice damage.<br />
In conclusion, implantation of GaN with 700 keV In ions and a fluence of 5x10 15 cm -2 results to the formation of a<br />
200nm – thick surface amorphous layer while the underlying GaN layer is severely defected. Furthermore, implantation<br />
causes the evolution of a sharp resonance line that appears above the N K absorption edge. On the basis of the presented<br />
experimental evidence the RL is attributed to the implantation induced formation of N 2 . Finally, rapid thermal annealing at<br />
800 - 900 o C is insufficient for the complete recovery of the implantation induced lattice damage.<br />
Acknowledgement: The measurements at ELETTRA were financially supported by the “PYTHAGORAS” program of the<br />
Greek Ministry of Education and the ELETTRA user program.<br />
[1] Group III-nitride Semiconductor Compounds: Physics and Applications, edited by B. Gil (Oxford, Clarendon, 1998).<br />
[2] E. Borsela, M. A. Garcia, G. Mattei, C. Maurizio, P. Mazzoldi, E. Cattaruzza, F. Gonella, G. Battaglin, A. Quaranta and<br />
F. D’Acapito, J. Appl. Phys, 90, 4467 (2001).<br />
[3] A. B. Denison, Louisa J. Hope-Weeks‚, Robert W. Meulenberg, and L. J. Terminello, in Introduction to Nanoscale<br />
Science and Technology, edited by Massimiliano Di Ventra (Kluwer Academic Publishers, Boston, 2004), p.194-198.<br />
[4]R. A. Oliver, G. Andrew D. Briggs, M. J. Kappers, C. J. Humphreys, S. Yasin, J. H. Rice, J. D. Smith and R. A. Taylor,<br />
Appl. Phys. Lett. 83, 755 (2004).<br />
[5] A. Fukami, K. -I. Shoji, T. Nagano, and C. Y. Yang, Appl. Phys. Lett. 57, 2345 (1990).<br />
[6] S. O. Kucheyev, J. S. Williams, J. Zou, C. Jagadish and G. Li, Appl. Phys. Lett. 77, 3577 (2000).<br />
[7] T. D. Moustakas, T. Lei, and R. J. Molnar, Physica B 185, 36 (1993).<br />
[8] M. Katsikini, F. Pinakidou, E. C. Paloura and W. Wesch, Appl. Phys. Lett. 82, 1556 (2003).<br />
[9] Y. Xin, E. M. James, I. Arslan, S. Sivananthan, N. D. Browning, S. J. Pennycook, F. Omnes, B. Beaumont, J.-P. Faurie,<br />
and P. Gibart, Appl. Phys. Lett. 76, 466 (2000).<br />
[10] M. Petravić, Q. Gao, D. Llewellyn, P. N. K. Deenapanray, D. Macdonald, and C. Crotti, Chem. Phys. Lett. 425, 262<br />
(2006).<br />
[11] P. Fons, H. Tampo, A. V. Kolobov, M. Ohkubo, S. Niki, J. Tominaga, R. Carboni, F. Boscherini, S. Friedrich, Phys. Rev.<br />
Lett., 96, 045504 (2006).<br />
[12] J. Nord, K. Nordlund, and J. Keinonen, Phys. Rev. B 68, 184104 (2003).<br />
44
`Εναπόθεση με Παλμικό Laser Λεπτών Υμενίων ZnO και Al:ZnO με Ελεγχόμενες<br />
Ιδιότητες<br />
Μ. Βάρδα 1* , Ε.Λ. Παπαδοπούλου 2,5 , Κ. Κουρούπης-Αγάλου 2 , G. Huyberechts 3 , E. Chikoidze 5 , Μ. Ανδρουλιδάκη 5<br />
και Η. Απεραθίτης 5<br />
1 Physics Department, University of Crete, P.O. Box 2208, 71003 Heraklion, Crete, Greece<br />
2 Materials Science & Technology Department, University of Crete, P.O. Box 2208, 71003 Heraklion, Crete, Greece<br />
3 Umicore Group Research & Development Kasteelstraat 7 B-2250 Olen Belgium<br />
4 Groupe d'Etude de la Matière Condensée (GEMaC)-CNRS, 1 place Aristide Briand, 92195 Meudon, France<br />
5 Institute of Electronic Structure & Laser, Foundation for Research and Technology –Hellas, P.O. Box 1527, Heraklion<br />
71110, Crete, Greece<br />
*mariavg7@gmail.com<br />
Τα διαφανή αγώγιμα οξείδια (Transparent Conductive Oxides, TCOs) χρησιμοποιούνται ευρέως στις οπτοηλεκτρονικές<br />
συσκευές επειδή παρουσιάζουν υψηλή διαπερατότητα στην ορατή περιοχή, χαμηλή αντίσταση, υψηλή ανακλαστικότητα<br />
στην υπέρυθρη περιοχή και υψηλή απορροφητικότητα στην περιοχή των μικροκυμάτων. Στις μέρες μας, σχεδόν όλα τα TCO<br />
υμένια που χρησιμοποιούνται είναι κατασκευασμένα από αξείδιο του Ινδίου νοθευμένα με κασσίτερο (indium tin oxide,<br />
ITO), στοιχείο το οποίο τείνει να γίνει δυσεύρετο εξ αιτίας της αυξανόμενης έλλειψης του μεταλλικού συστατικού της, το<br />
ίνδιο. Για την αντιμετώπιση της έλλειψης του ινδίου, μεγάλο ενδιαφέρον έχει παρουσιαστεί σε TCO υμένια τα οποία<br />
βασίζονται στην νόθευση του οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO) με αλουμίνιο (Al). Σε σύγκριση με το ΙΤΟ, λεπτά υμένια<br />
οξειδίου του ψευδαργύρου νοθευμένα με Al (ZnO:Al) παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα όπως υψηλή διαπερατότητα<br />
στην περιοχή του ορατού, μικρή αντίσταση (η οποία πλησιάζει την αντίσταση του ΙΤΟ), μικρό κόστος, είναι άφθονο σε<br />
πρώτη ύλη, μη-τοξικό, υψηλή σταθερότητα σε πλάσμα υδρογόνου και παρασκευάζεται εύκολα.<br />
Η ηλεκτρική αντίσταση των λεπτών υμενίων ZnO τροποποιείται εύκολα με την εισαγωγή προσμίξεων. Συνήθως υμένια<br />
ZnO νοθεύονται με In, Ga, Al κ.τ.λ. Όταν το ZnO νοθευτεί με Al (AZO) τότε το διαφανές αγώγιμο υμένιο που<br />
παρασκευάζεται, παρουσιάζει την χαμηλότερη αντίσταση σε σχέση με άλλες προσμίξεις [1]. Για την ανάπτυξη λεπτών<br />
υμενίων ΑΖΟ χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές όπως chemical vapor deposition (CVD) [2], sol–gel [3], spray pyrolysis<br />
[4], magnetron sputtering [5] και εναπόθεση με φωτοαποδόμηση με παλμικό laser (Pulsed Laser Deposition, PLD) [6-9]. Σε<br />
σύγκριση με άλλες τεχνικές, το PLD έχει πολλά πλεονεκτήματα όπως (i) η σύσταση των υμενίων που αναπτύσσονται είναι<br />
παρόμοια με εκείνη του στόχου, (ii) η επιφάνεια των υμενίων είναι ομαλή, (iii) μπορούν να εναποτεθούν υμένια καλής<br />
ποιότητας σε θερμοκρασία δωματίου εξ αιτίας της μεγάλης κινητικής ενέργειας των στοιχείων από τα οποία αποτελείται το<br />
πλάσμα, το οποίο παράγεται από το laser.<br />
Στην παρούσα έρευνα χρησιμοποιήθηκε στόχος ZnO και στόχος ΑΖΟ (98% ZnO με 2% Al 2 Ο 3 ) και παρασκευάστηκαν<br />
λεπτά υμένια ZnO και ΑΖΟ , n-τύπου, με την τεχνική της φωτοαποδόμησης με παλμικό laser (PLD). Μελετήθηκε η<br />
επίδραση της θερμοκρασίας του υποστρώματος και της πίεσης του οξυγόνου, κατά την εναπόθεση των λεπτών υμενίων, στις<br />
οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητές τους. Σκοπός της έρευνας είναι η κατασκευή υμενίων ZnO και ΑΖΟ με ελεγχόμενες<br />
ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες μέσω της ρύθμισης των παραμέτρων της εναπόθεσης.<br />
Πιο συγκεκριμένα, η εναπόθεση των υμενίων ZnO και ΑΖΟ έγινε πάνω σε υποστρώματα fused silica, μέσω της<br />
φωτοαποδόμησης ενός περιστρεφόμενου στόχου χρησιμοποιώντας ένα παλμικό laser. Οι στόχοι προέρχονται από την<br />
εταιρία Umicore Ltd. Το laser που εστιάστηκε πάνω στο στόχο ήταν ένα KrF excimer laser (248nm, τ = 25ns). Κατά την<br />
διάρκεια των πειραμάτων, ο ρυθμός ακτινοβόλησης του laser ήταν 10Hz και η πυκνότητα της ενέργειάς του πάνω στον<br />
στόχο 1.5 J/cm 2 . Η απόσταση μεταξύ στόχου και υποστρώματος ήταν 40mm. Η φωτοαποδόμηση του στόχου έγινε για 5-7<br />
λεπτά. Ο θάλαμος, μέσα στον οποίο έγινε η εναπόθεση, αρχικά, εκκενώθηκε σε πίεση μικρότερη των 4x10 -6 mbar και κατά<br />
την διάρκεια της εναπόθεσης εισήχθει οξυγόνο πίεσης 5x10 -4 έως 1x10 -3 mbar. Η θερμοκρασία του υποστρώματος<br />
κυμάνθηκε από 200 έως 500 ο C. Το πάχος των υμενίων μετρήθηκε με προφιλόμετρο και ήταν μεταξύ 100 και 300 nm.<br />
Ο καθορισμός της κρυσταλλικής δομής έγινε με περίθλαση ακτίνων-Χ (XRD). Στα XRD φάσματα όλων των δειγμάτων,<br />
κυριαρχεί η ανάκλαση του επίπεδου (002) που εμφανίζεται στις 2θ~34.3 ο (JCDPS 36-1451) υποδηλώνοντας ισχυρή<br />
ανάπτυξη του εξαγωνικού βουρτζίτη ZnO με τον c-άξονα κάθετο στο υπόστρωμα.<br />
Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται η αντίσταση και η συγκέντρωση των φορέων των υμενίων ZnO συναρτήσει της μεταβολής<br />
της πίεσης του οξυγόνου με θερμοκρασία εναπόθεσης 300 ο C. Καθώς η πίεση του οξυγόνου αυξάνεται, η ειδική αντίσταση<br />
των υμενίων μειώνεται, ενώ η συγκέντρωση των φορέων αυξάνεται. Τα φάσματα της διαπερατότητας των ZnO υμενίων δεν<br />
παρουσίασαν μεγάλες αλλαγές με την μεταβολή της πίεσης του οξυγόνου και είχαν όλα διαπερατότητα 70-80% στην ορατή<br />
περιοχή του φάσματος.<br />
Τα ΑΖΟ υμένια έδειξαν μεγάλη συγκέτρωση φορέων, μικρή αντίσταση και μεγάλη διαπερατότητα στην ορατή περιοχή<br />
του φάσματος. Στο σχήμα 2 παρουσιάζεται ένα τυπικό φάσμα διαπερατότητας και ανακλαστικότητας δύο υμενίων ΑΖΟ που<br />
κατασκευάστηκαν σε θερμοκρασία υποστρώματοσς 200 και 500 ο C με σταθερή πίεση οξυγόνου 5x10 -4 mbar. Όλα τα ΑΖΟ<br />
υμένια παρουσίασαν αυξημένη ανάκλαση την IR περιοχή, ένδειξη η οποία φανερώνει δείγματα με μεγάλη συγκέντρωση<br />
φορέων. Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται η αντίσταση και η συγκέντρωση των φορέων των υμενίων ΑZΟ συναρτήσει της<br />
μεταβολής της θερμοκρασίας του υποστρώματος υπό σταθερή πίεση οξυγόνου 5x10 -4 mbar. Από το σχήμα φαίνεται ότι η<br />
αντίσταση των ΑΖΟ υμενίων αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του υποστρώματος, ενώ η συγκέντρωση των<br />
φορέων μειώνεται.<br />
45
Αντίσταση (Ohm.cm)<br />
0,04<br />
0,035<br />
0,03<br />
0,025<br />
0,02<br />
Συγκέντρωση φορέων<br />
Αντίσταση<br />
1E20<br />
1E19<br />
Συγκέντρωση φορέων (cm -3 )<br />
Σχήμα 1 : Παρουσιάζεται η αντίσταση και η<br />
συγκέντρωση των φορέων των υμενίων ZnO συναρτήσει<br />
της μεταβολής της πίεσης του οξυγόνου με θερμοκρασία<br />
εναπόθεσης 300 ο C<br />
0,015<br />
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010<br />
Po 2<br />
(mbar)<br />
100<br />
fused silica<br />
80<br />
R, T [%]<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
200 O C<br />
500 O C<br />
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000<br />
λ[nm]<br />
R<br />
T<br />
R<br />
T<br />
Σχήμα 2 : Τυπικό φάσμα διαπερατότητας<br />
και ανακλαστικότητας δύο υμενίων ΑΖΟ που<br />
κατασκευάστηκαν σε θερμοκρασία<br />
υποστρώματος 200 και 500 ο C με σταθερή<br />
πίεση οξυγόνου 5x10 -4 mbar. Η διαπερατότητα<br />
του υποστρώματος fused silica παρουσιάζεται<br />
ως αναφορά.<br />
Αντίσταση (Ohm.cm)<br />
4E-4<br />
3,8E-4<br />
3,6E-4<br />
3,4E-4<br />
3,2E-4<br />
Συγκέντρωση φορέων<br />
Αντίσταση<br />
1,6E21<br />
1,4E21<br />
1,2E21<br />
1E21<br />
8E20<br />
Συγκέντρωση φορέων (cm -3 )<br />
Σχήμα 3 : Παρουσιάζεται η αντίσταση και η<br />
συγκέντρωση των φορέων των υμενίων ΑZΟ<br />
συναρτήσει της μεταβολής της θερμοκρασίας του<br />
υποστρώματος υπό σταθερή πίεση οξυγόνου<br />
5x10 -4 mbar.<br />
3E-4<br />
200 250 300 350 400 450 500<br />
6E20<br />
T S<br />
( o C)<br />
Από τις μετρήσεις διαπερατότητας και ανακλαστηκότητας υπολογίστηκε ο συντελεστής απορρόφησης α, με την βοήθεια<br />
του οποίου υπολογίστηκε ότι το ενεργειακό χάσμα είναι περίπου 3,7eV για το ΑΖΟ και 3.3 eV για το ΖnΟ.<br />
Μετρήσεις φωτοφωταύγειας (Photoluminescence) που έγιναν πάνω σε υμένια ΑΖΟ έδειξαν την καλή ποιότητα της δομής<br />
των ΑΖΟ υμενίων, όπου παρατηρήθηκε εξιτονική κορυφή στα 3.51 eV, χωρίς να παρουσιάζονται εκπομπές από καταστάσεις<br />
μέσα στο ενεργειακό χάσμα σε μεγαλύτερα μήκη κύματος.<br />
Πλήρη εξήγηση των ιδιοτήτων των δειγμάτων, τόσο όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία του υποστρώματος όσο και η<br />
πίεση του οξυγόνου στο θάλαμο εναπόθεσης θα παρουσιαστούν στο συνέδρειο.<br />
Η εργασία έγινε στα πλαίσια του ευρωπαΐκού προγράμματος NATCO (Co no 511925).<br />
Βιβλιογραφία<br />
[1] K.T. Ramakrishna Reddy, R.W. Miles, J. Mater. Sci. Lett. 17 (1998) 279.<br />
[2] K. Haga, M. Kamidaira, Y. Kashiwaba, T. Sekiguchi, H. Watanabe, J. Cryst. Growth 214 (2000) 77<br />
[3] A.E. Jimenez-Gonzalez, J.A. Soto Urueta, R. Suarez Parra, J.Cryst. Growth 192 (1998) 430<br />
[4] O. Vigil, F. Cruz, G. Santana, L. Vaillant, A. MoralesAcevedo, G. Contreras-Puente, Appl. Surf. Sci. 161 (2000) 27<br />
[5] Guojia Fang, Dejie Li, Bao-Lun Yao, J. Cryst. Growth 247 (2003) 393<br />
[6] H. Kim, A. Pique, J.S. Horwitz, H. Muratab, Z.H. Kafafi, C.M. Gilmore, Thin Solid Films 798–802 (2000) 377–378<br />
[7] H. Kim, A. Pique, J.S. Horwitz, H. Muratab, Z.H. Kafafi, C.M. Gilmore, Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 3<br />
[8] B.J. Jin, H.S. Woo, S. Im, S.H. Bae, S.Y. Lee, Appl. Surf. Sci. 169–170 (2001) 521<br />
[9] F.K. Shan, Y.S. Yu, Thin Solid Film 435 (2003) 174<br />
46
Μελέτη της Χημείας των Διαλυμάτων Μοριακών Ενώσεων Μετάλλων – Χαλκογονιδίων<br />
με Φασματομετρία Μάζας Ηλεκτροψεκασμού<br />
Άγγελος Φιλιππίδης , Σπύρος Α. Περγαντής* και Παντελής Ν. Τρικαλίτης *<br />
Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο Κρήτης, Βασιλικά Βουτών, Ηράκλειο 71003<br />
E-mail: spergantis@chemistry.uoc.gr, ptrikal@chemistry.uoc.gr<br />
Στην παρούσα εργασία γίνεται μελέτη της χημείας των ανιονικών ομάδων [M x Q y ] -z , (όπου M=Ge, Sn, Q=S,Se και x=1,2 ή 4,<br />
y=4,6 ή 10) σε διαλύτες νερό και φορμαμίδιο χρησιμοποιώντας για πρώτη φορά την τεχνική της φασματομετρίας μάζας με<br />
ηλεκτροψεκασμό (electrospray mass spectrometry: ES-MS).<br />
Άλατα των ανιόντων με γενικό τύπο A 4 M 4 Q 10 (όπου A=Na + , K + , (CH 3 ) 4 N + ) είναι πολύ διαλυτά σε πολικούς<br />
διαλύτες (νερό, φορμαμίδιο) και αποτελούν την βάση για την ανάπτυξη νέων ημιαγώγιμων μεσοδομημένων στερεών. [1-3]<br />
Παρόλο που οι πρόδρομες ιοντικές ενώσεις A 4 M 4 Q 10 αποτελούνται από διακριτές ομάδες [M 4 Q 10 ] 4- , όπως έχει δειχθεί με<br />
περίθλαση ακτίνων-Χ σε μονοκρυστάλλους 4 , η χημική σύσταση του ανόργανου σκελετού των μεσοδομημένων στερεών δεν<br />
συμφωνεί με την αναμενόμενη στοιχειομετρία στην περίπτωση που τα ανιόντα [M 4 Q 10 ] 4- αποτελούσαν αποκλειστικά τις<br />
δομικές μονάδες του σκελετού. Τα πειραματικά αυτά δεδομένα μπορούν να εξηγηθούν μόνο εάν στο διάλυμα τα ανιόντα<br />
[M 4 Q 10 ] 4- συμμετέχουν σε αντιδράσεις που μεταβάλλουν τόσο την φύση όσο και την χημική τους σύσταση (π.χ. μερική<br />
υδρόλυση, διάσπαση, ολιγομερισμός). Είναι προφανές ότι τόσο η φύση όσο και το σχετικό ποσοστό των προϊόντων της<br />
χημικής μετατροπής των ανιόντων [M 4 Q 10 ] 4- θα επηρεάζει σε μέγιστο βαθμό τόσο τις φυσικοχημικές ιδιότητες των τελικών<br />
στερεών (σταθερότητα, ενεργειακό χάσμα, οπτικές ιδιότητες) όσο και την ποιότητα τους σε σχέση με το είδος και την<br />
οργάνωση των πόρων. Γίνεται φανερό ότι η ταυτοποίηση όλων των ειδών που υπάρχουν στο διάλυμα μετά την διάλυση των<br />
πρόδρομων ιοντικών ενώσεων A 4 M 4 Q 10 είναι πρωταρχικής σημασίας τόσο για την κατανόηση του μηχανισμού σύνθεσης<br />
των ημιαγώγιμων στερεών όσο και για τον συστηματικό σχεδιασμό τους με επιθυμητές ιδιότητες. Λαμβάνοντας υπόψη ότι<br />
κλασσικές αναλυτικές τεχνικές όπως UV, IR, Raman αδυνατούν να δώσουν σχετικές απαντήσεις, το πρόβλημα της<br />
ειδοταυτοποίησης σε τέτοιου είδους συστήματα αποτελεί μια ιδιαίτερη πρόκληση.<br />
Στην παρούσα εργασία εφαρμόζουμε για πρώτη φορά την τεχνική του ηλεκτροψεκασμού σε συνδυασμό με<br />
φασματομετρία μάζας (ES-MS) σε διαλύματα των πρόδρομων ιοντικών ενώσεων A 4 M 4 Q 10 με στόχο την μελέτη της χημείας<br />
των διαλυμάτων τους. Τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης μελέτης για την ένωση (ΤΜA) 4 Ge 4 S 10 (όπου TMA: (CH 3 ) 4 N + )<br />
παρουσιάζονται παρακάτω. Ως διαλύτης επιλέχθηκε το νερό.<br />
Ποσότητα 10mg της ένωσης (ΤΜA) 4 Ge 4 S 10 διαλύθηκε σε 20 ml νερού. Το διάλυμα αναλύθηκε αμέσως με την<br />
τεχνική ES-MS, ανιχνεύοντας αρνητικά ιόντα. Επίσης λήφθηκαν αντιπροσωπευτικά φάσματα σαν συνάρτηση του χρόνου.<br />
Επιπλέον μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στα διαλύματα και συγκεκριμένα λήφθηκαν αντιπροσωπευτικά<br />
φάσματα σε θερμοκρασία 80 o C μετά από θέρμανση για χρονικό διάστημα 1 και 12 ωρών.<br />
Στο σχήμα 1 φαίνεται το φάσμα ES-MS της ένωσης (TMA) 4 Ge 4 S 10 σε απιονισμένο νερό σε θερμοκρασία<br />
περιβάλλοντος.<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
60<br />
157.0<br />
608.5<br />
610.5<br />
612.5<br />
614.4<br />
616.3<br />
618.3<br />
620.3<br />
614.4<br />
687.1<br />
614.3<br />
α<br />
β<br />
40<br />
20<br />
157.0<br />
687.1<br />
0<br />
80<br />
157.0<br />
60<br />
139.1<br />
40<br />
20<br />
0<br />
153.1<br />
155.1<br />
157.0<br />
Σχήμα 1. Φάσμα μάζας της ένωσης (TMA) 4 Ge 4 S 10 σε απιονισμένο νερό, α: t=0 , β: t=2 ημέρες, γ: t=6 ημέρες.<br />
159.1<br />
Όπως φαίνεται στον σχήμα 1α, το φρέσκο διάλυμα (t=0) εμφανίζει τρεις κύριες κορυφές με m/z 614.4, 687.1 και<br />
157.0 που αντιστοιχούν στα ανιόντα [Ge 4 S 10 H 3 ] - , [Ge 4 S 10 (H 2 +(TMA))] - και [Ge(OH) 3 S] - . Η παρατηρούμενη ισοτοπική<br />
614.5<br />
687.2<br />
200 300 400 500 600 700 800 900 1000<br />
γ<br />
47
ακολουθία συμφωνεί πλήρως με τα αναμενόμενα φάσματα. Μετά από έξι ημέρες, η κορυφή με m/z 157.0 αυξάνεται<br />
σημαντικά. Τα παραπάνω αποτελέσματα οδηγούν στο συμπέρασμα ότι σε θερμοκρασία δωματίου τα ανιόντα [Ge 4 S 10 ] 4-<br />
υδρολύονται μερικώς δίνοντας τα ανιόντα [Ge(OH) 3 S] - σύμφωνα με την αντίδραση:<br />
[Ge 4 S 10 ] 4- + 12Η 2 Ο → 4[Ge(OH) 3 S] - + 6H 2 S (1)<br />
Στο σημείο αυτό είναι σημαντικό να τονιστεί ότι τα ανιόντα [Ge(OH) 3 S] - ταυτοποιούνται για πρώτη φορά. Επομένως τα<br />
συγκεκριμένα ανιόντα είναι πολύ πιθανόν να αποτελούν δομικές μονάδες των μεσοδομημένων στερεών που<br />
παρασκευάζονται χρησιμοποιώντας ως πρόδρομες ενώσεις άλατα των ανιόντων [Ge 4 S 10 ] -4- . Πολύ πρόσφατα ο Bensch 5 και οι<br />
συνεργάτες του δημοσίευσαν την σύνθεση κρυσταλλικών στερεών στα οποία για πρώτη φορά τα ανιόντα [GeO 3 S] 4-<br />
αποτελούν δομικές ομάδες ανόργανου σκελετού.<br />
Στη συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας. Στο σχήμα 2 φαίνονται συγκριτικά τα φάσματα υδατικού<br />
διαλύματος της ένωσης (TMA) 4 Ge 4 S 10 μετά από θέρμανση στους 80 ο C σε διάφορα χρονικά διαστήματα. Επίσης, αντίστοιχο<br />
διάλυμα παρασκευάστηκε σε συνθήκες αζώτου με στόχο την μελέτη της επίδρασης του ατμοσφαιρικού οξυγόνου στην<br />
αντίδραση υδρόλυσης (1).<br />
78<br />
50<br />
614.4<br />
614.4<br />
α<br />
0<br />
10<br />
5<br />
157.0<br />
139.0<br />
276.8<br />
β<br />
0<br />
6<br />
156.9<br />
276.8<br />
γ<br />
0<br />
100<br />
50<br />
614.3<br />
δ<br />
0<br />
53<br />
20<br />
0<br />
20<br />
10<br />
137.1 156.9<br />
614.3<br />
ε<br />
στ<br />
0<br />
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000<br />
Σχήμα 2. Φάσμα μάζας της ένωσης (TMA) 4 Ge 4 S 10 σε απιονισμένο νερό με θέρμανση στους 80 0 C, α: t=0, β : t=1ώρα , γ:<br />
t=12 ώρες, δ : t=0 (υπό συνθήκες αζώτου), ε : t=1ώρα (υπό συνθήκες αζώτου), στ : t=12 ώρες (υπό συνθήκες αζώτου).<br />
Για τα διαλύματα εκτεθειμένα σε αέρα, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κορυφή με m/z 614.4 που αντιστοιχεί στο<br />
ανιόν [Ge 4 S 10 ] 4- εξαφανίζεται και οι κορυφές με μάζες m/z 276.8 και 157 ([Ge(OH) 3 S] - ) εμφανίζονται ακόμη και με μία ώρα<br />
θέρμανσης. Σε συνθήκες αζώτου τα ανιόντα [Ge 4 S 10 ] 4- είναι αρκετά πιο σταθερά και απαιτείται παρατεταμένη θέρμανση για<br />
την μερική υδρόλυση τους. Από τα παραπάνω αποτελέσματα γίνεται φανερό ότι η παρουσία οξυγόνου καταλύει την<br />
υδρόλυση των [Ge 4 S 10 ] 4- σύμφωνα με την αντίδραση (1).<br />
Τα παραπάνω αποτελέσματα πιστοποιούν, ότι η τεχνική ES-MS μπορεί να εφαρμοστεί για τον ειδοπροσδιορισμό<br />
και ταυτοποίηση χημικών ειδών σε διαλύματα ενώσεων μετάλλου-χαλκογονιδίου παρέχοντας την δυνατότητα ανίχνευσης<br />
νέων ειδών τα οποία είναι πολύ δύσκολα να ταυτοποιηθούν με άλλες τεχνικές.<br />
Αναφορές<br />
[1] MacLachlan, M. J.; Coombs, N.; Ozin, G. A., Nature 1999, 397, 681-684<br />
[2] Rangan, K. K.; Trikalitis, P. N.; Bakas, T.; Kanatzidis, M. G. Chem. Commun, 2001, 809-810<br />
[3] P. N. Trikalitis, K.K. Rangan and M. G. Kanatzidis, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124 (11), 2604-2613.<br />
[4] B. Krebs, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1983, 22, 113-134<br />
[5] D. Pitzschke, J. Wang, R. D. Hoffmann, R.Pottgen, and W. Bensch, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 1305-1308<br />
48
Ανάπτυξη Νέων Μεσοδοµηµένων Ηµιαγώγιµων Στερεών από Υδατικά ∆ιαλύµατα<br />
Τσαµουρτζή Ν. Κωνσταντίνα και Τρικαλίτης Ν. Παντελής *<br />
Τµήµα Χηµείας, Πανεπιστήµιο Κρήτης, Βασιλικά Βουτών, Ηράκλειο, 71003<br />
*ptrikal@chemistry.uoc.gr<br />
Η σύνθεση νέων πορωδών στερεών µε ιδιαίτερες φυσικοχηµικές ιδιότητες που προέρχονται από τον ανόργανο σκελετό της δοµής<br />
αποτελεί ένα σηµαντικό πεδίο έρευνας σε παγκόσµιο επίπεδο. [1 Σηµαντικό µέρος της έρευνας εντοπίζεται στα µεσοπορώδη που<br />
υπόσχονται σηµαντικές εφαρµογές σε καταλυτικές και άλλες διεργασίες, [2] αλλά ταυτόχρονα δεν εµφανίζουν οπτικές,<br />
ηλεκτρονικές και φωτονικές ιδιότητες. Η απουσία αυτών των ιδιοτήτων εντοπίζεται στο γεγονός ότι ο οξειδικός σκελετός είναι<br />
µονωτής. Αντίστοιχα η έρευνα σε µη-οξειδικά πορώδη στερεά είναι περιορισµένη. [3] Υλικά τα οποία θα συνδυάζουν το πορώδες<br />
της δοµής µε ηµιαγώγιµες ιδιότητες του σκελετού υπόσχονται σηµαντικές εφαρµογές σε πεδία τόσο στην χηµεία όπως<br />
φωτοκατάλυση, µοριακοί ανιχνευτές όσο και στην φυσικής όπως µη-γραµµικά οπτικά συστήµατα, δίοδοι εκπεµπόµενου φωτός<br />
και κβαντικά φωτονικά στερεά. [4]<br />
Στην παρούσα εργασία περιγράφεται για πρώτη φορά η υδατική σύνθεση µεσοδοµηµένων ηµιαγώγιµων στερεών<br />
βασισµένων σε ανιόντα µετάλλου-χαλκογονιδίου [SnSe 4 ] 4- και [Sn 2 Se 6 ] 4- . Τα συγκεκριµένα ανιόντα παρουσία<br />
επιφανειοδραστικών µορίων και συνδετικών µεταλλικών κατιόντων (Zn 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ ) οδηγούν στον σχηµατισµό στερεών τα<br />
οποία εµφανίζουν πόρους οι οποίοι καταλαµβάνονται από τα εποφανειοδραστικά µόρια. Τα συγκεκριµένα στερεά είναι<br />
ηµιαγωγοί µε ενεργειακό χάσµα στην περιοχή 2.0-2.3 eV ενώ το είδος της δοµής (εξαγωνική, κυβική ή φυλλόµορφη) καθώς<br />
επίσης και ο βαθµός οργάνωσης των πόρων εξαρτάται σε σηµαντικό βαθµό από το είδος του συνδετικού µετάλλου, το µήκος της<br />
ανθρακικής αλυσίδας του επιφανειοδραστικού µορίου και την αναλογία [SnSe 4 ] 4- /[Sn 2 Se 6 ] 4- στο αρχικό µίγµα.<br />
Για την σύνθεση των στερεών χρησιµοποιήθηκαν οι πρόδροµες ενώσεις Κ 4 SnSe 4 , Κ 4 Sn 2 Se 6 σε διάφορες αναλογίες,<br />
συνδετικά µεταλλικά κατιόντα (Zn 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ ) και τα επιφανειοδραστικά µόρια alkylpyridinium bromides (C n PyBr όπου<br />
n=12,14,16,18). Όλες οι συνθέσεις πραγµατοποιήθηκαν σε glove-box υπό ατµόσφαιρα Ν 2 . Σε µια τυπική σύνθεση, 4g C 16 PyBr<br />
(σε περίσσεια) διαλύθηκαν σε 20 ml H 2 O σε θερµοκρασία 80 ο C. Στο διάλυµα αυτό προστέθηκαν 0.288 mmol Κ 4 SnSe 4 και 0.288<br />
mmol Κ 4 Sn 2 Se 6 (αναλογία 1:1) και το µίγµα αναδεύτηκε µέχρι τον σχηµατισµό διαυγούς διαλύµατος. Σε χωριστή φιάλη, 0.576<br />
mmol ΖnSO 4 xH 2 O διαλύθηκαν σε 5ml Η 2 Ο και προστέθηκαν στο παραπάνω διάλυµα. Αµέσως σχηµατίστηκε ένα στερεό και το<br />
µίγµα αναδεύτηκε όλο το βράδυ στους 80 ο C. Το στερεό αποµονώθηκε µε διήθηση και πλύθηκε µε νερό και αιθανόλη. Το δείγµα<br />
ονοµάστηκε c-C 16 PyZnSnSe-w. Η συνολική αντίδραση περιγράφεται µε την παρακάτω χηµική αντίδραση:<br />
xsC 16 PyBr + ZnSO 4 xH 2 O + 0.5K 4 SnSe 4 + 0.5K 4 Sn 2 Se 6 → “c-C 16 PyZnSnSe-w” + 2KBr + K 2 SO 4 (1)<br />
Τα στερεά χαρακτηρίστηκαν µε ακτίνες-Χ, στοιχειακή ανάλυση C,H,N,S EDS (Energy Dispersive Spectroscopy),<br />
Θερµική ανάλυση (TGA/DTA), ηλεκτρονική µικροσκοπία διέλευσης(ΤΕΜ) και σάρωσης (SEM). Το ενεργειακό χάσµα των<br />
στερεών µετρήθηκε µε φασµατοσκοπία διάχυτης ανακλαστικότητας (UV-vis/near IR diffuse reflectance spectroscopy).<br />
Στο σχήµα 1 παρουσιάζετε το διάγραµµα ακτίνων-Χ του υλικού c-C 16 PyZnSnSe-w όπου παρατηρούνται επτά<br />
ανακλάσεις τύπου Bragg σε χαµηλές γωνίες 2 ο
αντίστοιχα. Το µέγεθος της µοναδιαίας κυψελίδας όπως υπολογίζετε από τον τύπο a=d hkl (h 2 +k 2 +l 2 ) 1/2 είναι 77.6Ǻ. Στο σηµείο<br />
αυτό τονίζεται ότι η σύνθεση κυβικού µεσοδοµηµένου στερεού από καθαρά υδατικά διαλύµατα στο συγκεκριµένο σύστηµα<br />
αναφέρεται για πρώτη φορά. Επίσης, σε σύγκριση µε το κυβικό στερεό που έχει αναφερθεί λαµβανόµενο σε διαλύτη<br />
φορµαµίδιο [3] , υπάρχει διαφορά τόσο στην χηµική σύσταση όσο και στο µέγεθος των πόρων και εποµένως τα δύο στερεά<br />
αποτελούν διαφορετικές χηµικές ενώσεις. Η παρατηρούµενη διαφορά στην χηµική σύσταση οφείλεται πιθανώς στα διαφορετικά<br />
είδη ανιοντικών οµάδων [Sn x Se y ] z- που αποτελούν τον σκελετό. Μελέτη µε φασµατοσκοπία 119 Sn NMR υδατικού διαλύµατος<br />
µίγµατος των ανιόντων [SnSe 4 ] 4- και [Sn 2 Se 6 ] 4- σε αναλογία 1:1 έδειξε ότι λαµβάνει χώρα η ακόλουθη χηµική ισορροπία η οποία<br />
οδηγεί στον σχηµατισµό του επίπεδου τριγωνικού ανιόντος [SnSe 3 ] 2- (βλέπε σχήµα 2 και εικόνα 1):<br />
- Se<br />
- Se<br />
Sn<br />
Se<br />
Se<br />
Sn<br />
Se -<br />
Se -<br />
4-<br />
2<br />
Se - 2-<br />
Sn<br />
- Se Se -<br />
(1)<br />
Εικόνα 1: Χηµική ισορροπία µεταξύ ανιόντων [Sn 2 Se 6 ] 4- και [SnSe 3 ] 2-<br />
Σχήµα 2: Φάσµα 119 Sn NMR υδατικού διαλύµατος K 4 SnSe 4 και K 4 Sn 2 Se 6 σε αναλογία 1:1.<br />
Τονίζεται ότι η ταυτοποίηση του ανιόντος [SnSe 3 ] 2- σε υδατικά διαλύµατα και θερµοκρασία δωµατίου γίνεται για πρώτη φορά,<br />
ενώ αντίστοιχη ισορροπία σε διαλύτη φορµαµίδιο δεν έχει αναφερθεί. [5] συγκεκριµένα αποτελέσµατα ενισχύουν την ιδέα ότι για<br />
την ανάπτυξη καλά οργανωµένων µεσοδοµηµένων ηµιαγώγιµων στερεών σε παρόµοια συστήµατα, περισσότερες από µια<br />
δοµικές µονάδες όπως [SnSe 4 ] 4- ,[Sn 2 Se 6 ] 4- και [SnSe 3 ] 2- είναι απαραίτητες.<br />
Οι οπτικές ιδιότητες µελετήθηκαν µε φασµατοσκοπία UV-vis/near<br />
IR σε στερεά κατάσταση (diffuse reflectance). Το στερεό c-<br />
C 16 PyZnSnSe-w εµφανίζει έντονη οπτική απορρόφηση στα 2.1 eV<br />
η οποία αντιστοιχεί στο ενεργειακό χάσµα (band-gap) (σχήµα 3).<br />
Ευχαριστίες<br />
Ευχαριστούµε την ΓΓΕΤ για την οικονοµική ενίσχυση µέσω του<br />
προγράµµατος ΠΕΝΕ∆.<br />
Σχήµα 3. Φάσµα στερεάς κατάστασης UV-vis/near IR<br />
του υλικού c-C 16 PyZnSnSe-w.<br />
Αναφορές<br />
[1] Pinyun Feng, Xianhui Bu and Nanfeng Zheng, Acc.Chem.Res, 38,293-<br />
303,2005.<br />
[2] Marcus Antonietti, Ozin A, J. Chem. Eur., 10,28-41, 2004.<br />
[3] Trikalitis PN, Rangan KK, Bakas T, Kanatzidis MG, Nature, 410,671-<br />
675, 2001.<br />
[4] Zheng NF, Bu XG, Wang B, Feng PY, Science, 298,2366-2369,2002.<br />
[5] Trikalitis PN, Bakas T, Kanatzidis MG, J.Am.Chem.Soc., 127,3910-<br />
3920,2005.<br />
50
Application of Thermal Quadrupoles Method for Modeling of AC impedance<br />
in Thermoelectric Elements<br />
D. Georgakaki * , E. Hatzikraniotis, J. Samaras, O. G. Ziogos, K. M. Paraskevopoulos<br />
Solid State Section, Physics Department, Aristotle University, 54124 Thessaloniki, Greece<br />
* dimge@physics.auth.gr<br />
Introduction<br />
The quadrupole method is an explicit method of the representation of heat transfer through multimaterials. It is based on<br />
2x2 matrices that allow finding a linear relationship between the Laplace temperature and heat flux transformations at<br />
boundaries (θ in , φ in ) and (θ out , φ out ) of the considered medium [1]. The multimaterial is thus considered as a thermal<br />
transmission line, whose individual components contribute differently at the propagation of the thermal wave [2].<br />
Using an AC electrical measurement, the frequency-domain response of a common thermoelectric element has been<br />
obtained for various current loads. The effects of the thermal wave along the length of the measured sample were accurately<br />
modeled using the quadrupole theory by taking into account the thermal impedances of the metal-semiconductor interfaces.<br />
Experimental details<br />
The sample is a single N-type Bi 2 Te 3 block of thickness d=2.5mm and cross section S=4mm. Two copper electrodes are<br />
soldered to the sample ends and two copper wires connected to the electrodes supply the current (1mA AC+100mA DC) in a<br />
10 -3 up to 10 2 Hz frequency range. The magnitude of the electrical impedance of the sample |Z|=V 0 /I 0 is measured by an<br />
impedance meter (IM6) connected to the wires.<br />
Thermal Quadrupole Modeling<br />
Considering the one-dimensional heat transfer problem (x-direction) through a body of thickness d, the following<br />
equations that relate the temperature and flux at x=0 with those at x=d are extracted [3]:<br />
sinh( β ⋅ d)<br />
θin<br />
= cosh( β ⋅ d)<br />
θout<br />
+ φout<br />
λSβ<br />
(1)<br />
φin<br />
= λSβ<br />
⋅sinh(<br />
β ⋅ d)<br />
θout<br />
+ cosh( β ⋅ d)<br />
φout<br />
where λ is the thermal conductivity, S is the cross section and β Laplace parameter of the thermoelectric sample.<br />
Equivalently, the quadrupole matrix form and network of thermal impedances of each layer of the sample are shown in<br />
figures (1a), (1b):<br />
Figure 1: a) Quadrupole matrix and b) network of impedances<br />
By applying sequential matrix transformations following the direction of the heat propagation, the Laplace temperature<br />
equations of the hot (θ f ) and cold (θ c ) interface are obtained. The mathematical procedure [4] is presented in the following<br />
equations:<br />
⎡ θf<br />
⎤ ⎡A<br />
B⎤⎡<br />
θc<br />
⎤ ⎡Zs1J<br />
s⎤<br />
⎢ ⎥ = ⎢ ⎥⎢<br />
⎥ − ⎢ ⎥<br />
(2)<br />
⎣Φin⎦<br />
⎣C<br />
D⎦⎣Φout⎦<br />
⎣ Js<br />
⎦<br />
where<br />
and finally<br />
⎡ θf<br />
⎤ ⎡ θf<br />
⎤<br />
⎢ ⎥ = ⎢ θf<br />
⎥ and<br />
⎣Φin⎦<br />
⎢Pws<br />
−<br />
⎣ Z<br />
⎥<br />
w1⎦<br />
( B + AZw1)<br />
Pws<br />
+ Zw1Pws<br />
+ ( Zs1<br />
+ Zw1)<br />
Js<br />
θ c =<br />
,<br />
1 1 1<br />
A(<br />
+ ) + B + C<br />
Zw1<br />
Zw2<br />
Zw1Zw<br />
2<br />
⎡ θc<br />
⎤ ⎡ θc<br />
⎤<br />
⎢ ⎥ = ⎢ θc<br />
⎥<br />
(3)<br />
⎢−<br />
⎣Φout<br />
(Pws<br />
− )<br />
⎦ ⎣ Z<br />
⎥<br />
w2 ⎦<br />
( B + AZw2)<br />
Pws<br />
+ Zw2Pws<br />
+ ( Zs1<br />
+ Zw2)<br />
Js<br />
θ f =<br />
(4)<br />
1 1 1<br />
A(<br />
+ ) + B + C<br />
Zw1<br />
Zw2<br />
Zw1Zw<br />
2<br />
Figure 2 shows the complete thermal model of the system, where |P ws |=|P sw | are the heat fluxes generated at the metalsemiconductor<br />
interfaces from Peltier effect and Js is the heat generated [5,6] from Joule effect. By working in the firstharmonic<br />
regime we ignore Joule contribution in our measurements [6]. The thermal impedances Z w1 and Z w2 are considered<br />
equal (Z w1 = Z w2 = Z w ) since the two interfaces are identical. The Z w term includes all the thermal phenomena occurring at the<br />
Peltier interfaces and is given by the following equation:<br />
1<br />
1<br />
= Ccu<br />
+<br />
(5)<br />
Zw<br />
tanh(β cu ⋅ dcu)<br />
Rc<br />
+<br />
λcuScuβcu<br />
51
where C cu term shows the transient behavior of the thermal capacitance of the interface as heat flows through, R c is the ohmic<br />
contact resistance, [tanh(β cu d cu )/λ cu S cu β cu ] is the contribution of the copper electrodes. We can therefore calculate the first<br />
harmonic contribution to the sample voltage by the following equation:<br />
1<br />
tanh( βd)<br />
+ Zw<br />
[1 − sech(<br />
βd)]<br />
2 λSβ<br />
ρ d<br />
| Z | = α ws T<br />
+<br />
(6)<br />
⎡ 1<br />
⎤<br />
S<br />
0.5⎢<br />
+ λSβZw<br />
⎥ tanh( βd)<br />
+ 1<br />
⎣λSβZw<br />
⎦<br />
A fitting routine was developed using Mathematica software in order to simulate the experimental data and define the<br />
Seebeck coefficient, thermal conductivity, electrical resistivity of the block and the contact resistances of the interfaces.<br />
Figure 2: Complete thermal model<br />
Results and Discussion<br />
Figure (3) shows the electrical response of the thermoelectric element and the simulation curve. The low frequency<br />
regime is representative of both the Seebeck and ohmic contribution. As frequency increases, the heat cannot diffuse into the<br />
material and the thermal wave variation becomes less and less important, and thus, at high frequencies, the ohmic part of the<br />
voltage only remains. After having plotted each term of equation (7) versus frequency, in figure 4, we observe that the<br />
contribution of the copper electrodes is almost negligible. Thus, after having simplified equation (7) to Z w -1 =C cu +R c -1 we<br />
have calculated |Z|. The quadrupole model fitting to the data, gives values for the thermal and electrical properties of the<br />
element, which as can be seen in Table 1, are in accordance with those reported in literature [7].<br />
|Z| (Ohms)<br />
0,0105<br />
0,0100<br />
0,0095<br />
0,0090<br />
0,0085<br />
0,0080<br />
0,0075<br />
0,0070<br />
0,0065<br />
0,0060<br />
0,0055<br />
0,0050<br />
0,0045<br />
1E-3 0,01 0,1 1 10 100<br />
Zw (K/W)<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
Z w<br />
C cu<br />
tanh( βcu<br />
⋅dcu)<br />
RC<br />
+<br />
λcu<br />
⋅S<br />
⋅ βcu<br />
1E-3 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000<br />
Table 1: Results<br />
λ<br />
(W/mK)<br />
α ws<br />
(mV/K)<br />
ρ<br />
(Ωm)<br />
R C<br />
(K/W)<br />
1,72<br />
222<br />
0,99⋅10 -5<br />
frequency(Hz)<br />
frequency f (Hz)<br />
Figure 3:Experimental vs simulation<br />
Figure 4: frequency contribution on Z w<br />
Conclusions<br />
The quadrupole method is an explicit method of the representation of heat transfer through multi-materials. It is based on<br />
2x2 matrices that allow finding a linear relationship between the Laplace temperature and heat flux transformations at<br />
boundaries (θ in , φ in ) and (θ out , φ out ) of the considered medium. Using an AC electrical measurement, the frequency-domain<br />
response of a common thermoelectric element has been obtained and has been successfully modeled.<br />
415,6<br />
Acknowledgement<br />
It is acknowledged the financial support of the project entitled "Application of Advanced Materials Thermoelectric<br />
Technology in the Recovery of Wasted Heat from automobile exhaust systems" by the Greek Secretariat of Research and<br />
Development under the bilateral framework with Non-European countries (Greece-USA)<br />
References<br />
[1] Dilhaire S, Patino-Lopez L.D, Grauby St, Rampoux J.M, Jorez S, “Determination of ZT on PN thermoelectric couples by<br />
AC electrical measurements”, ICT Conference Proceedings, 321, (2002).<br />
[2.] Downey A.D, Timm E, Poudeu P.F.P, Kanatzidis M.G, Shock H, Hogan T.P, “Application of Transmission Line theory<br />
for Modeling of a Thermoelectric Module in Multiple Configurations for Electrical Measurements”, MRS Symp. Proc. 886,<br />
F10-07.1, (2006).<br />
[3] Maillet D, “Thermal Quadrupoles, Solving the Heat Equation through Integral Transforms’’, Wiley & Sons, LTD, (2000)<br />
[4] Becavin C, “Mesure des proprietes thermelectriques en regime harmonique”, Stage de Master, CPMOH, Groupe Cox,<br />
Bordeaux<br />
[5] Downey A.D, Hogam T., “Circuit model of a thermoelectric module for AC electrical measurements”, ICT Conference<br />
Proceedings, 79, (2005)<br />
[6] Patino-Lopez, “Caractersation des proprietes thermoelectriques en regime harmonique”, Phd Thesis, (2004)<br />
[7] Row D.M , CRC Handbook of thermoelectrics, CRC Press (1995)<br />
52
Στοχαστική προσομοίωση της διάλυσης φωτοευαίσθητων υλικών με εφαρμογές στη<br />
μικροηλεκτρονική<br />
Δρυγιαννάκης Δ. 1,2* , Πάτσης Γ. Π. 2 , Ράπτης Ι. 2 , Μπουντουβής Α.Γ. 1<br />
1<br />
Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Ζωγράφου 15780, Αθήνα<br />
2<br />
Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», Αγ. Παρασκευή 15310, Αθήνα<br />
*makingartstudios@gmail.com<br />
Η επίδραση των φωτοευαίσθητων υλικών και η αρχιτεκτονική τους παίζει σημαντικό ρόλο σε διαστάσεις σχηματοποίησης<br />
μικρότερες των 45nm. Πειράματα και προσομοιώσεις ([1]) έχουν δείξει ότι φωτοευαίσθητα υλικά μικρού μοριακού βάρους<br />
μπορούν να έχουν ως αποτέλεσμα μικρή πλευρική τραχύτητα (Line Edge Roughness, LER), η οποία είναι μια κρίσιμη<br />
παράμετρος για τους επερχόμενους τεχνολογικούς κόμβους.<br />
Σε αυτή την εργασία μελετάται η επίδραση της αρχιτεκτονικής του φωτοευαίσθητου υλικού (μοριακό βάρος,<br />
αρχιτεκτονική) στην παραγόμενη πλευρική τραχύτητα με τη χρήση στοχαστικών μοντέλων. Μελετώνται πολυμερικά υλικά<br />
διαφόρων βαθμών πολυμερισμού, είτε γραμμικά είτε τυχαία διακλαδισμένα, καθώς επίσης και μοριακά υλικά. Στην περίπτωση<br />
των πολυμερικών υλικών, αυτά μπορεί να είναι είτε συμβατικά φωτοευαίσθητα υλικά (Conventional Resist, CR) είτε υλικά<br />
χημικής ενίσχυσης (Chemically Amplified Resist, CAR). Τα μοριακά φωτοευαίσθητα υλικά είναι υλικά χημικής ενίσχυσης. Στην<br />
περίπτωση των ρητινών χημικής ενίσχυσης, ένας ακόμα παράγοντας που παίζει σημαντικό ρόλο στην παραγόμενη πλευρική<br />
τραχύτητα φαίνεται να είναι η διάχυση του φωτοευαισθητοποιητή (Photo-Acid Generator, PAG) κατά το στάδιο του ψησίματος<br />
μετά την έκθεση (Post Exposure Bake, PEB) . Δείχνεται ότι μικρές συγκεντρώσεις φωτοευαισθητοποιητή έχουν ως αποτέλεσμα<br />
αυξηση του LER για συγκεκριμένο ποσοστό αποπροστασίας του υλικού εντός της περιοχής έκθεσης.<br />
Συνοπτικά τα βήματα της προσομοίωσης φαίνονται στο σχήμα 1. Αρχικά δημιουργείται ένα πλέγμα με το υλικό προς<br />
προσομοίωση, δεδομένων διαστάσεων, είτε σε δυο είτε σε τρεις διαστάσεις. Η εισαγωγή των πολυμερικών αλυσίδων ή των<br />
μορίων στο πλέγμα γίνεται με τη χρήση ενός αλγορίθμου τυχαίων διαδρομών. Οι περιορισμοί που πρέπει να πληρεί το πλέγμα<br />
είναι αφενός ο τελικός ελεύθερος όγκος να έχει μια δεδομένη τιμή και αφετέρου σε κάθε κελί του πλέγματος να υπάρχει μόνο<br />
ένα μονομερές του πολυμερούς ή χαρακτηριστική ομάδα του μορίου, δηλαδή τα μόρια να μην διασταυρώνονται στα κέντρα των<br />
κελιών του πλέγματος. Μετά την δημιουργία του πλέγματος ακολουθεί η αποπροστασία του υλικού. Στις περιπτώσεις<br />
συμβατικών ρητινών η αποπροστασία μπορεί να γίνει είτε τυχαία εντός της περιοχής έκθεσης είτε με τη χρήση δεδομένων<br />
ενεργειακής εναπόθεσης στο υμένιο. Στις περιπτώσεις ρητινών χημικής ενίσχυσης η αποπροστασία γίνεται με τη βοηθεια PAG.<br />
Αρχικά μόρια PAG τοποθετούνται σε ένα παράλληλο πλέγμα. Έπειτα αυτά ιονίζονται παράγοντας ένα οξύ το οποίο στη<br />
συνέχεια διαχέεται μέσα στο πλέγμα αποπροστατεύοντας όσα μονομερή αγγίζει. Ο ιονισμός των μορίων του PAG μπορεί να<br />
γίνει είτε τυχαία εντός της περιοχής έκθεσης, είτε με τη χρήση δεδομένων ενεργειακής εναπόθεσης. Η διάχυση του παραγόμενου<br />
οξέος σταματάει είτε μετά από προκαθορισμένο αριθμό βημάτων είτε όταν το ποσοστό αποπροστασία του υλικού εντός της<br />
περιοχής έκθεσης υπερβεί ένα προκαθορισμένο όριο. Μετά την αποπροστασία ακολουθεί η διάλυση του υμενίου. Η διάλυση<br />
μπορεί να πραγματοποιηθεί με δυο διαφορετικούς αλγόριθμους αναλόγως τα ζητούμενα αποτελέσματα. Το κριτήριο διάλυσης<br />
που χρησιμοποιείται είναι το μοντέλο του κρίσιμου ποσοστού ιονισμού [2] (Critical Ionization Model, CIM), το οποίο αναφέρει<br />
ότι για να απομακρυνθεί μια αλυσίδα από το πλέγμα πρέπει το κλάσμα αποπροστασία των μονομερών της (Deprotection<br />
Fraction, DF) να είναι μεγαλύτερο ή ίσο ενός κρίσιμου κλάσματος (Critical Ionization Fraction, CIF). Ο πρώτος από τους δυο<br />
αλγόριθμους διάλυσης είναι στατικός, δηλαδή δεν χρησιμοποιεί κάποιου είδους διαλύτη για την απομάκρυνση των αλυσίδων<br />
από το πλέγμα. Η παραδοχή αυτού του αλγόριθμου είναι ότι εάν για μια αλυσίδα ισχύει το κριτήριο διάλυσης, αυτή θα<br />
απομακρυνθεί από το πλέγμα κάποια στιγμή. Όμως η παραδοχή αυτή δεν είναι ορθή στις περιπτώσεις μικρού DF του πλέγματος<br />
σε σχέση με το CIF. Ο αλγόριθμος αυτός διακρίνεται για την ταχύτητά του και για αυτό το λόγο χρησιμοποιείται όταν το<br />
ζητούμενο αποτέλεσμα είναι μόνο η πλευρική τραχύτητα του παραγόμενου σχήματος. Ο δεύτερος αλγόριθμος διάλυσης αντίθετα<br />
χρησιμοποιεί τη διάχυση διαλύτη για την απομάκρυνση των αλυσίδων από το πλέγμα. Λόγω της διάχυσης, η διάλυση<br />
πραγματοποιείται σε κύκλους (Dissolution Cycle, DC). Σε κάθε κύκλο διάλυσης ο διαλύτης διαχέεται σε τυχαίες κατευθύνσεις<br />
και όσες αλυσίδες αγγίζει, εάν και εφόσον ισχύει το κριτήριο διάλυσης, τις απομακρύνει από το πλέγμα. Έτσι δημιουργείται<br />
δίοδος για τον διαλύτη για την μετακίνηση του στον επόμενο κύκλο διάλυσης. Ο αλγόριθμος αυτός χρησιμοποιείται στις<br />
περιπτώσεις όπου μας ενδιαφέρει τόσο το τελικό πλέγμα (για τον υπολογισμό της πλευρικής τραχύτητας) όσο και η εξέλιξη της<br />
επιφάνειας με το χρόνο (ρυθμός διάλυσης, επιφανειακή τραχύτητα).<br />
Κάποια πρώτα αποτελέσματα από τη χρήση του προσομοιωτή επιβεβαιώνουν την μείωση του LER με την μείωση του<br />
μοριακού βάρους του υλικού (Σχήμα 2). Δείχνεται ότι η διάχυση του PAG στις περιπτώσεις των ρητινών χημικής ενίσχυσης<br />
μπορεί να έχει αρνητικές επιπτώσεις στο παραγόμενο LER (Σχήμα 3). Τέλος από προσομοιώσεις μοριακών υλικών σε δυο και<br />
τρεις διαστάσεις φαίνεται ότι η χρήση τέτοιων υλικών μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την περαιτέρω μείωση του LER σε<br />
σύγκριση με πολυμερή (είτε γραμμικά είτε τυχαία διακλαδισμένα) ίδιας γυροσκοπικής ακτίνας (Σχήμα 4).<br />
[1] Drygiannakis D., Patsis G. P., Raptis I., Niakoula D., Vidali V., Couladouros E., Argitis P., Gogolides E., Microelec. Eng. 84<br />
(5-8), 1062 (2007).<br />
[2] Flanagin L.W., Singh V.K., Willson G.C., J. Polym. Science Part B: Polymer Physics, 37 (1999) 2103<br />
53
Line Edge Roughness (3 sigma) (nm)<br />
13<br />
12<br />
11<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
Mean Polymer Length (monomers)<br />
DF = 0.8<br />
DF = 1.0<br />
Σχήμα 1 : Συνοπτική παρουσίαση των βημάτων της<br />
προσομοίωσης.<br />
Σχήμα 2 : Μείωση του μηκους πολυμερισμού, γραμμικών<br />
ομοπολυμερών, συνεπάγεται μείωση του παραγώμενου LER<br />
(3σ). Αποτελέσματα από συμβατική ρητίνη.<br />
Line Edge Roughness (3 sigma) (nm)<br />
20<br />
19<br />
18<br />
17<br />
16<br />
15<br />
14<br />
13<br />
L=30<br />
L=50<br />
LER (3sigma, nm)<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
Deprotection fraction, DF=0.8<br />
C PAG<br />
=10%<br />
With Acid Diffusion<br />
Linear chains, L=5, 1nm/monomer<br />
Grafted chains, L=5, 1nm/monomer<br />
Molecular resist, M21, 1nm Rg<br />
Linear chains, L=5, 0.6nm/monomer<br />
Grafted chains, L=5, 0.6nm/monomer<br />
12<br />
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11<br />
PAG Concentration (%)<br />
10 100 1000<br />
Edge Length (nm)<br />
Σχήμα 3 : Αύξηση της συγκέντρωσης του PAG συνεπάγεται<br />
μείωση του LER για σταθερό DF εντός της περιοχής έκθεσης.<br />
Σχήμα 4 : Σύγκριση του παραγώμενου LER μεταξύ<br />
ομοπολυμερών (γραμμικών και διακλαδισμένων) με τα<br />
μοριακά υλικά. Ρητίνες χημικής ενίσχυσης, 10% PAG<br />
54
Νανοτραχύτητα κατά την εγχάραξη με πλάσμα επιφανειών Si και πολυμερών: Θεωρία,<br />
πείραμα και εφαρμογές<br />
Μ. Βλαχοπούλου, Ν. Βούρδας, Γ. Κόκκορης, Β. Κωνσταντούδης, Γ. Μπουλούσης, Α. Τσερέπη, Ε. Γογγολίδης<br />
Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ-«Δημόκριτος», Τ.Θ. 62230, 153 10 Αγία Παρασκευή Αττικής<br />
vconst@imel.demokritos.gr<br />
Εισαγωγή: Η εγχάραξη με πλάσμα αποτελεί μία από τις βασικότερες και πιο συχνά χρησιμοποιούμενες τεχνικές για τη<br />
σχηματοποίηση επιφανειών στην μικρο και νανοκλίμακα. Ωστόσο, πολλές φορές η διεργασία της εγχάραξης επάγει τραχύτητα<br />
στις επιφάνειες της δομής που εγχαράσσεται η οποία επηρεάζει τη φυσική και χημική συμπεριφορά της. Στόχος της εργασίας<br />
αυτής είναι πρώτα να διερευνήσει την εμφάνιση και εξέλιξη της τραχύτητας σε επιφάνειες Si και πολυμερών (PMMA, PDMS).<br />
Στο Si με τη βοήθεια στοχαστικής προσομοίωσης θα αναζητηθεί ο μηχανισμός δημιουργίας της τραχύτητας, ενώ στα πολυμερή<br />
θα παρουσιασθούν εφαρμογές της κυρίως στην τροποποίηση των φαινομένων διαβροχής των επιφανειών.<br />
Εγχάραξη επιφανειών Si : Πείραμα και προσομοιώσεις [1].<br />
Επιφάνειες Si εγχαράχθηκαν με πλάσμα SF 6 σε αντιδραστήρα επαγωγικής σύζευξης (ALCATEL MET system). Η ροή εισόδου<br />
του SF 6 στον αντιδραστήρα ήταν 176 sccm, η πίεση σταθερή ίση 5 Pa, η ισχύς της πηγής 1800W, η τάση -55V, ενώ η<br />
θερμοκρασία του δισκίου διατηρούνταν σταθερή στους 15 ο C. Η μορφολογία της εγχαρασσόμενης επιφάνειας Si μετρήθηκε σε<br />
διάφορες χρονικές στιγμές από τις οποίες δύο δείχνονται στο σχ.1 μαζί με τις συναρτήσεις κατανομής των υψών τους.<br />
80000<br />
80000<br />
70000<br />
60000<br />
50000<br />
40000<br />
30000<br />
20000<br />
10000<br />
tail due<br />
to bumps<br />
60000<br />
40000<br />
20000<br />
tail due<br />
to bumps<br />
heig ht<br />
(a) ( b)<br />
Σχήμα 1: Επιφάνειες Si μετά από εγχάραξη με πλάσμα SF 6 4min (a) και 16min (b) μαζί με τις κατανομές των υψών τους.<br />
Παρατηρούμε ότι οι επιφάνειες Si εμφανίζουν κατά τη διάρκεια της εγχάραξης εξογκώματα (βελόνες) πάνω στην<br />
γκαουσσιανή τραχύτητα του υποβάθρου τα οποία εκδηλώνονται στις «ουρές» των συναρτήσεων κατανομής. Παρατηρούμε<br />
επίσης ότι όσο προχωράει η εγχάραξη τα εξογκώματα αραιώνουν, διαπλατύνονται και γίνονται ψηλότερα. Οι ποιοτικές αυτές<br />
παρατηρήσεις μπορούν να ποσοτικοποιηθούν από την τυπική απόκλιση w των υψών της επιφάνειας από τη μέση τιμή τους και<br />
από τη συνάρτηση συσχέτισης υψών G(r) που υπολογίζεται από τη σχέση<br />
2 1<br />
G ( r)<br />
=<br />
N ( N − r)<br />
N<br />
N<br />
−r<br />
∑∑<br />
m=<br />
1 n=<br />
1<br />
[ h(<br />
n + r,<br />
m)<br />
− h(<br />
n,<br />
m)]<br />
όπου h(n,m) το μετρούμενο ύψος της επιφάνειας από το AFM στο σημείο (n,m) και ΝxΝ ο συνολικός αριθμός των σημείων<br />
μέτρησης του AFM (στις μετρήσεις μας Ν=512). Δείχνεται ότι G(r→∞)=√2 w, ενώ το μήκος συσχέτισης ξ της επιφάνειας δίνεται<br />
από την G(ξ)=0.8G(r→∞). Στο σχήμα 2α φαίνονται τα w,ξ συναρτήσει του χρόνου εγχάραξης ενώ στο σχ.2β οι αντίστοιχες<br />
συναρτήσεις συσχέτισης G(r). Η τυπική απόκλιση των υψών αυξάνει σχεδόν υπεργραμμικά με το χρόνο, ενώ το ξ γραμμικά. Το<br />
πρώτο οφείλεται στην ταυτόχρονη αύξηση του ύψους και του πλάτους των εξογκωμάτων στην επιφάνεια, ενώ το δεύτερο δίνει<br />
ένα μέτρο της αύξησης του πλάτους τους. Ωστόσο, τo πιο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό είναι η αύξηση της G(r) με το χρόνο στα<br />
μικρά r. Αυτή οφείλεται στις έντονες τοπικές διακυμάνσεις που προκαλούν τα εξογκώματα των επιφανειών. Η συμπεριφορά αυτή<br />
κατατάσει την εξέλιξη της εγχαρασσόμενης τραχύτητας του Si στην κατηγορία της ανώμαλης κινητικής τραχύτητας που τα<br />
τελευταία χρόνια αποτελεί αντικείμενο εντατικής μελέτης τόσο για την θεωρητική περιγραφή της όσο και για τις ενδιαφέρουσες<br />
εφαρμογές της αν και μένει ανοιχτό το θέμα του εντοπισμού των μηχανισμών που την προκαλούν.<br />
rms & corellation length (nm)<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
rms<br />
corellation length (ξ)<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18<br />
time (min)<br />
0<br />
-20 0 20 40 60 80 100<br />
2<br />
hill<br />
ions<br />
+ + +<br />
valley<br />
ions<br />
“hard” inhibitors<br />
0<br />
-2 - 00 100 0 100 200 300 400 500<br />
height (nm)<br />
valleys<br />
“hard” inhibitors<br />
ions<br />
“hard” inhibitors<br />
(α) (β)<br />
(γ)<br />
Σχήμα 2: α) Η τυπική απόκλιση w(t) (rms) και το μήκος συσχέτισης ξ(t), β) η συνάρτηση συσχέτισης υψών G(r) για διάφορους<br />
χρόνους εγχάραξης, και γ) ο μηχανισμός ερμηνείας της ανώμαλης τραχύτητας και της εμφάνισης των εξογκωμάτων.<br />
hills<br />
55
Στην περίπτωση της εγχάραξης Si ένας πιθανός μηχανισμός είναι η ταυτόχρονη με την εγχάραξη ισότροπη εναπόθεση<br />
σωματιδίων που παρεμποδίζουν την εγχάραξη (παρεμποδιστών) σε συνδυασμό με την ανισότροπη ροή των ιόντων που είναι και<br />
τα μόνα που μπορούν να τα απομακρύνουν (βλ. σχ.2γ). Προσομοίωση του μηχανισμού αυτού με μεθόδους Monte Carlo δίνει<br />
τοπογραφία, κατανομές υψών και w(t), ξ(t) σε πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα των σχ. 1,2.<br />
Εγχάραξη επιφανειών πολυμερών : Πείραμα και εφαρμογές.[3,4]<br />
Επιφάνειες του οργανικού πολυμερούς PMMA (poly(methyl methacrylate)) και του πυριτιούχου πολυμερούς PDMS<br />
poly(dimethyl siloxane) έχουν εγχαραχθεί με πλάσμα Ο 2 και SF 6 αντίστοιχα, σε συνθήκες που και στις δύο περιπτώσεις οδηγούν<br />
σε έντονα ανισότροπη εγχάραξη. Πιο συγκεκριμένα, για το O 2 η ισχύς του πλάσματος ήταν 2000W, η πίεση 0.75Pa, η ροή<br />
100sccm, η τάση πόλωσης -100V και η θερμοκρασία του δισκίου 10 ο C, ενώ για το SF 6 οι αντίστοιχες παράμετροι είναι 1900 W,<br />
1.33 Pa, 200 sccm, -100 V, 15 o C. Σε όλες τις περιπτώσεις, στις επιφάνειες μετά την εγχάραξη εναποτέθηκε υμένιο FC<br />
(fluorocarbon) ώστε να γίνουν υδρόφοβες. Τα αποτελέσματα που θα παρουσιάσουμε εδώ αφορούν την εξέλιξη της τραχύτητας<br />
των πολυμερικών επιφανειών συναρτήσει του χρόνου εγχάραξης. Στο σχ.3α,β δείχνονται δύο επιφάνειες PMMA μετά από<br />
εγχάραξη 2 και 5 min αντίστοιχα, και στα 4γ,δ επιφάνειες PDMS μετά από εγχάραξη σε χρόνους 2 και 6min.<br />
(α) (β) (γ) (δ)<br />
Σχήμα 3. α,β) ΑFM επιφάνειες PMMA μετά από κατεργασία 2 και 5 min με πλάσμα O 2 , γ,δ) Επιφάνειες PDMS μετά από<br />
κατεργασία 2 και 6min με πλάσμα SF 6 (AFM και SEM αντίστοιχα)<br />
Παρατηρούμε ότι και στις δύο περιπτώσεις αναπτύσσεται έντονη τραχύτητα της ίδιας τάξης περίπου όπως φαίνεται στο<br />
σχ. 4α. Στο σχ. 4β δείχνουμε τις συναρτήσεις συσχέτισης υψών G(r) των επιφανειών PMMA για τρεις χρόνους εγχάραξης. Η<br />
αύξηση της τιμής τους με το χρόνο στα μικρά r αποκαλύπτει τον ανώμαλο χαρακτήρα της κινητικής τραχύτητας και σε αυτή την<br />
περίπτωση, δηλ. την ανάπτυξη έντονων τοπικών διακυμάνσεων με αυξανόμενο με το χρόνο ύψος. Παρόμοια συμπεριφορά<br />
παρατηρείται και στις επιφάνειες του PDMS.<br />
rms w(t) (nm)<br />
250 PMMA<br />
PDMS<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
G(r) (nm)<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
5 min<br />
2 min<br />
1 min<br />
10 100 1000<br />
r (nm)<br />
Σχήμα 4: α) Η rms τραχύτητα<br />
w(t) συναρτήσει του χρόνου<br />
εγχάραξης για τα πολυμερή<br />
PMMA και PDMS, β) Η<br />
συνάρτηση συσχέτισης G(r) για<br />
διάφορους χρόνους για το<br />
PMMA<br />
1 2 3 4 5<br />
ETCHING TIME (min) (α)<br />
(β)<br />
Μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές της τραχύτητάς είναι η επίδρασή της στα φαινόμενα διαβροχής της επιφάνειας.<br />
Στο σχ.5 δείχνονται οι γωνίες επαφής και η υστέρηση των επιφανειών PMMA (5α) και PDMS (5β) αντίστοιχα συναρτήσει του<br />
χρόνου εγχάραξης και της τάσης πόλωσης. Και στις δύο περιπτώσεις παρατηρούμε σημαντική αύξηση της γωνίας επαφής και<br />
μείωση της υστέρησης με την τραχύτητα που αυξάνει είτε με το χρόνο εγχάραξης. Η συμπεριφορά αυτή μετατρέπει τις<br />
επιφάνειες αυτές σε υπερυδρόφοβες. Κατά συνέπεια η εγχάραξη με πλάσμα πολυμερών σε κατάλληλες συνθήκες αποτελεί έναν<br />
εύκολο και γρήγορο τρόπο για τον έλεγχο της υδροφοβικότητας επιφανειών με πολλές δυνατότητες εφαρμογών όπως στον<br />
έλεγχο της ροής μέσα σε μικροκανάλια με πολυμερικά τοιχώματα.<br />
CA ( o )<br />
160<br />
150<br />
140<br />
130<br />
120<br />
110<br />
Optical<br />
transparency<br />
Super-hydrophobic<br />
range<br />
CA<br />
HYSTERESIS<br />
0 1 2 3 4 5 6<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
HYSTERESIS ( o )<br />
CONTACT ANGLE (CA) AND HYSTERISIS<br />
150<br />
140<br />
130<br />
120<br />
110<br />
CA<br />
HYSTERISIS<br />
0 2 4 6 8<br />
ETCHING TIME (min)<br />
ETCHING TIME (min)<br />
(α)<br />
(β)<br />
Σχήμα 5. H γωνία επαφής (CA) και η υστέρηση συναρτήσει του χρόνου εγχάραξης και άρα της τραχύτητας για το PMMA (α)<br />
και για το PDMS (β). Σταγόνα νερού καθώς κυλάει σε επιφάνεια του PDMS μετά την κατεργασία της σε πλάσμα SF 6<br />
[1] G. Kokkoris et al. submitted to Applied Physics Letters (2007) [2] A.D. Tserepi et al. Nanotechnology 17 (2006) 3977<br />
[3] N. Vourdas et al. Nanotechnology 18 (2007) 125304<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
56
Ευαισθησία και Διακριτική Ικανότητα της Τεχνικής SXRF εντός Ηλεκτρονικού<br />
Μικροσκοπίου Σάρωσης για την Ανάλυση Πολύ Λεπτών Υμενίων.<br />
Ε. Βαλαμόντες*, Κ. Νομικός<br />
Τμήμα Ηλεκτρονικής, Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Αθήνας, 12210 Αιγάλεω<br />
*email: vala@teiath.gr<br />
Η μικροανάλυση με δέσμη ηλεκτρονίων (EPMA) και ο φθορισμός ακτίνων Χ (XRF) είναι δύο τεχνικές ανάλυσης με<br />
αρκετά διαφορετικά χαρακτηριστικά αλλά και συμπληρωματικά πλεονεκτήματα. Η EPMA χρησιμοποιεί διέγερση από<br />
δέσμη ηλεκτρονίων σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο ενώ η XRF χρησιμοποιεί πηγή διέγερσης ακτίνων Χ, προσφέροντας<br />
αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με την διέγερση από δέσμη ηλεκτρονίων όπως την μεγαλύτερη ευαισθησία της. Από την<br />
άλλη πλευρά, η EPMA προσφέρει το πλεονέκτημα της πολύ καλύτερης διακριτικής ικανότητας, της τάξης του μm.<br />
Αρκετές προσπάθειες έχουν γίνει για την χρήση της δέσμης ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σαν μία πηγή ακτίνων Χ μέσα<br />
στο μικροσκόπιο. Μία λύση προτάθηκε από τον Cazaux [1] και πραγματοποιήθηκε πρώτα σε όργανο ανάλυσης επιφανειών<br />
[2] και αργότερα σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης [3]. Σε αυτή την λύση συνυπάρχουν μία άνοδος σε μορφή λεπτού<br />
υμενίου σε επαφή με το δείγμα που επίσης είναι σε μορφή λεπτού υμενίου. Οι ακτίνες Χ που παράγονται στην άνοδο από τα<br />
προσπίπτοντα ηλεκτρόνια ιονίζουν τα άτομα του δείγματος (Σχήμα 1). Συγκρινόμενη με τις άλλες προτεινόμενες λύσεις<br />
προσφέρει την καλύτερη διακριτική ικανότητα, της τάξης του μm, όταν η άνοδος έχει πάχος της τάξης της διαδρομής των<br />
ηλεκτρονίων σ’ αυτή.<br />
Στην παρούσα εργασία, χρησιμοποιείται η μέθοδος αυτή (SXRF) και εξετάζεται η ευαισθησία της στην ανάλυση πολύ<br />
λεπτών δειγμάτων, εκεί όπου η EPMA φθάνει στα ανιχνευτικά της όρια. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται τόσο<br />
πειραματικά αποτελέσματα όσο και προσομοιώσεις Monte Carlo και πραγματοποιείται ευθεία σύγκριση με την EPMA. Με<br />
τις ίδιες τεχνικές υπολογίζεται και η χωρική κατανομή του σήματος της SXRF.<br />
Στο σχήμα 2 παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα του πηλίκου του σήματος προς το υπόβαθρό του (S/B)<br />
στην περίπτωση της SXRF για διαφορετικά πάχη υμενίων σαν συνάρτηση της γωνίας ανίχνευσης (υμένια Al και άνοδος Au).<br />
Όταν η γωνία ανίχνευσης αυξάνεται, το πηλίκο S/B βελτιώνεται, λόγω της περαιτέρω μειώσεως του υποβάθρου εξ αιτίας της<br />
μεγαλύτερης απορρόφησης της συνεχούς ακτινοβολίας στην άνοδο.<br />
Η EPMA εφαρμόζεται στα ίδια δείγματα για σύγκριση. Το σήμα των ακτίνων Χ στην SXRF και στην EPMA είναι της<br />
ίδιας τάξης μεγέθους στην περίπτωση των πολύ λεπτών υμενίων. Στην πρώτη τεχνική το υπόβαθρο μειώνεται εξ αιτίας της<br />
απορρόφησης της συνεχούς ακτινοβολίας στην άνοδο και είναι πολύ μικρότερο σε σύγκριση με την δεύτερη. Η SXRF έχει<br />
πολύ καλά σχετικά ανιχνευτικά όρια μεταξύ 10 και 500 ppm κατά βάρος πάντα στην περίπτωση των πολύ λεπτών υμενίων.<br />
Τα απόλυτα ανιχνευτικά όρια είναι ανάμεσα σε 10 -11 και 10 -14 g [4]. Τα ανιχνευτικά όρια της τεχνικής εξαρτώνται έντονα<br />
από τις πειραματικές συνθήκες. Αντίθετα με την SXRF, η EPMA έχει σχετικά ανιχνευτικά όρια της τάξης των 1000 ppm<br />
κατά βάρος.<br />
Η χωρική κατανομή του σήματος των ακτίνων Χ από τα υμένια στην περίπτωση της SXRF είναι κατά προσέγγιση<br />
Gaussian. Με την εφαρμογή του κριτηρίου Rayleigh, όπως στις αναφορές [5, 6], υπολογίζεται η διακριτική ικανότητα της<br />
τεχνικής. Η διακριτική ικανότητα είναι της τάξης του μm για κάθε συνδυασμό υμενίου και ανόδου (Σχήμα 3). Συνεπώς, η<br />
διακριτική ικανότητα της SXRF είναι μερικές τάξεις μεγέθους καλύτερη από την διακριτική ικανότητα της κλασικής XRF.<br />
Στο σχήμα 4 παρουσιάζεται σε γραμμική σάρωση το σήμα των ακτίνων Χ στην περίπτωση της SXRF για σύστημα Al / Au.<br />
Υπάρχει μορφοποίηση με γραμμές Al πάχους 10 μm και κενά πάχους 10 μm στο πίσω μέρος της ανόδου. Το πάχος των<br />
γραμμών του Al είναι 200 nm. Η διακριτική ικανότητα της SXRF είναι της τάξης του 1 μm. Η συμφωνία μεταξύ<br />
πειραματικών αποτελεσμάτων και προσομοιώσεων Monte Carlo είναι πολύ καλή.<br />
Τόσο η SXRF όσο και η EPMA εφαρμόσθηκαν στην ανάλυση πολύ λεπτών υμενίων. Η ευαισθησία της SXRF είναι<br />
καλύτερη από αυτή της EPMA στην περίπτωση υμενίων με πάχη ως μερικές δεκάδες nm για κάθε συνδυασμό υμενίου και<br />
ανόδου. Η διακριτική ικανότητα της SXRF είναι της τάξης του μm. Αυτό είναι πολύ καλύτερο από την διακριτική ικανότητα<br />
της κλασικής XRF και της ίδιας τάξης μεγέθους με την EPMA.<br />
Αναφορές<br />
[1] J. Cazaux, Rev. Phys. AppI. 10 (1975) 263.<br />
[2] D. Mouze, X. Thomas, J. Cazaux, in: J. D. Brown, R. H. Packwood (Ed.), Proceed. of 11th Internat. Congr. on X-ray<br />
Optics and Microanalysis, London, Canada, 1986, p. 63.<br />
[3] E. Valamontes, A. G. Nassiopoulos, in: Proceedings of III Balkan Congress on Electron Microscopy, Athens, 1989, p.<br />
267.<br />
[4] E. S. Valamontes, J. C. Statharas, C. Nomicos, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, (in press 2007).<br />
[5] E. Valamontes, A. G. Nassiopoulos, N. Glezos, Surf. Interf. Anal. 19 (1992) 419.<br />
[6] E. S. Valamontes, J. C. Statharas, Vacuum 77 (2005) 371.<br />
57
Σχήμα 1: Πειραματική διάταξη που χρησιμοποιείται<br />
στην SXRF. Διακρίνονται οι τροχιές της πρωτογενούς<br />
και δευτερογενούς ακτινοβολίας Χ. Το υπόβαθρο<br />
μειώνεται εξ αιτίας της απορρόφησης της συνεχούς<br />
ακτινοβολίας στην άνοδο.<br />
Σχήμα 2: Πειραματικές τιμές του πηλίκου του σήματος<br />
προς το υπόβαθρό του (S/B) στην περίπτωση της SXRF<br />
για σύστημα AL / Au και για διαφορετικά πάχη<br />
υμενίων σαν συνάρτηση της γωνίας ανίχνευσης θ.<br />
Σχήμα 3: Η διακριτική ικανότητα της τεχνικής για<br />
διάφορα συστήματα σαν συνάρτηση του ατομικού<br />
αριθμού της ανόδου (προσομοιώσεις Monte Carlo). Η<br />
ενέργεια της ηλεκτρονικής δέσμης είναι 30 keV και το<br />
πάχος των υμενίων είναι 200 nm.<br />
Σχήμα 4: Γραμμική σάρωση του σήματος των ακτίνων<br />
Χ στην περίπτωση της SXRF για σύστημα Al / Au.<br />
Υπάρχει μορφοποίηση με γραμμές Al πάχους 10 μm<br />
και κενά πάχους 10 μm στο πίσω μέρος της ανόδου. Το<br />
πάχος των γραμμών του Al είναι 200 nm.<br />
58
Optical Properties of CuIn 1-x Ga x Se 2 Quaternary Alloys<br />
S. Theodoropoulou 1 , D. Papadimitriou 1 *, K. Anestou 1 , Ch. Cobet 2 , and N. Esser 2<br />
1<br />
National Technical University of Athens, Department of Physics, GR-15780 Athens, Greece.<br />
2 Institute for Analytical Sciences (ISAS), Albert-Einstein Strasse 9, D-12489 Berlin, Germany.<br />
*dimitra@central.ntua.gr<br />
The optical properties of CuIn 1-x Ga x Se 2 epitaxial layers suitable for thin film photovoltaic applications were determined by<br />
Spectroscopic Ellipsometry. Layers with Ga-content varying between x=0.08 and 0.82 were measured in the energy range<br />
2.0-4.5 eV (Fig. 1). For CuIn 1-x Ga x Se 2 with x=0.08, variable angle ellipsometric measurements were performed for angles of<br />
incidence between 55 o and 75 o (Fig. 2). Accurate values of refractive index n and extinction coefficient k were determined for<br />
six different Ga-contents. Moreover, the higher band-gap energies of quaternary selenides were obtained. In particular, four<br />
transitions assigned to critical points at the Brillouin-zone center (Γ) and edge N point were observed. These are: E(ΓΧ),<br />
Ε(ΧΓ), E 1 (A), and E 1 (B). Among them, the E 1 (A) dominated all spectra. Transition energies were obtained from the second<br />
derivative of the ε 2 spectra (Fig. 3) and are discussed together with the E o (A), Ε o (B), and E o (C) fundamental gap energies<br />
measured by Photoreflectance (PR) Spectroscopy. Ellipsometric and PR data complement one another.<br />
Keywords: CuIn 1-x Ga x Se 2 , optical properties, ellipsometry, photoreflectance.<br />
ε 2<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
x=0.08<br />
x=0.19<br />
x=0.33<br />
x=0.50<br />
x=0.60<br />
x=0.82<br />
E(ΓX)<br />
E 1<br />
(A)<br />
E(XΓ)<br />
E 1<br />
(B)<br />
transition energy (eV)<br />
5,0<br />
4,5<br />
4,0<br />
3,5<br />
3,0<br />
2,5<br />
E (XΓ)<br />
Ε 1<br />
(Α)<br />
E (ΓΧ)<br />
Ε 1<br />
(Β)<br />
3<br />
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5<br />
energy (eV)<br />
Figure 1. Complex dielectric function ε1+iε2 of<br />
CuIn 1-x Ga x Se 2 epitaxial layers at 65 o angle of incidence.<br />
2,0<br />
1,5<br />
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9<br />
energy (eV)<br />
Figure 3. Transition energies of CuIn 1-x Ga x Se 2 alloys<br />
determined from the fits of d 2 /dE 2 .<br />
8<br />
55 o<br />
60 o<br />
65 o<br />
70 o<br />
7,5<br />
7,0<br />
6,5<br />
6<br />
6,0<br />
1<br />
ε<br />
5,5<br />
ε 2<br />
4<br />
5,0<br />
4,5<br />
75 o energy (eV)<br />
2<br />
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5<br />
4,0<br />
Figure 2. Variable angle measurements of the complex<br />
dielectric function ε1+iε2 of CuIn 1-x Ga x Se 2 epitaxial<br />
layers with x=0.08.<br />
59
Ανόπτηση SiC με Λέιζερ και Χαρακτηρισμός Οπτικών Ιδιοτήτων<br />
Χ. Μπουτόπουλος 1* , Π. Τερζής 1,2 , Α.Γ. Κόντος 1 , Κ. Ζεκεντές 2 , Ι.Σ. Ράπτης 1 και Ι. Ζεργιώτη 1<br />
1<br />
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Τομέας Φυσικής, Hρώων Πολυτεχείου 9, 15780, Ζωγράφου, Αθήνα, Ελλάδα<br />
2<br />
Ίδρυμα Τεχνολογίας & Έρευνας, Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής & Λέιζερ, 71110, Ηράκλειο, Κρήτη, Ελλάδα<br />
*cboutop@mail.ntua.gr<br />
Ι. ΠΕΡΙΛΗΨΗ<br />
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται αποτελέσματα ανόπτησης του ημιαγωγού καρβιδίου του πυριτίου (SiC) με χρήση<br />
παλμικών λέιζερ. Δείγματα SiC εμφυτευμένα με ιόντα Al ακτινοβολήθηκαν με λέιζερ με σκοπό την αποκατάσταση της<br />
κρυσταλλικής βλάβης και την ενεργοποίηση των προσμίξεων. Δύο διαφορετικές πηγές λέιζερ χρησιμοποιήθηκαν: ένα λέιζερ<br />
Nd:YAG (3ω λ=355nm) με διάρκεια παλμού τ = 4ns και ένα excimer λέιζερ KrF (λ=248nm) με διάρκεια παλμού τ = 34ns.<br />
Στην περίπτωση της ακτινοβόλησης με το λέιζερ Nd:YAG διαπιστώθηκε με τεχνικές φασματοσκοπίας Raman και<br />
υπέρυθρης ανακλαστικότητας (FTIR) μερική αποκατάσταση της κρυσταλλικής βλάβης. Για την περίπτωση του<br />
ακτινοβολημένου με λέιζερ KrF (λ=248nm) SiC διαπιστώθηκε αποκατάσταση της κρυσταλλικής βλάβης με τεχνικές<br />
υπέρυθρης ανακλαστικότητας (FTIR) και περίθλασης ακτίνων - x (XRD).<br />
II. ΕΙΣΑΓΩΓΗ<br />
Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα ημιαγωγός με ευρύ χάσμα ο οποίος παρουσιάζει εξαιρετικό ενδιαφέρον για την<br />
κατασκευή ηλεκτρονικών και οπτοηλεκτρονικών διατάξεων. Έχει αξιοσημείωτες φυσικές ιδιότητες όπως υψηλή ευκινησία<br />
ηλεκτρονίων, υψηλή θερμική αγωγιμότητα και υψηλό πεδίο ηλεκτρικής διάτρησης. Εξαιτίας των ειδικών αυτών ιδιοτήτων,<br />
το SiC είναι κατάλληλο για διατάξεις υψηλής θερμοκρασίας, συχνότητας και ισχύος [1]. Η τεχνική της εμφύτευσης των<br />
ιόντων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην κατασκευή σύγχρονων μικροηλεκτρονικών διατάξεων μιας και προσφέρει<br />
ακρίβεια, επιλεκτικότητα και επαναληψιμότητα στην εισαγωγή προσμίξεων σε ημιαγωγούς. Η εμφύτευση όμως των ιόντων<br />
προκαλεί κρυσταλλική βλάβη η οποία για μεγάλες δόσεις ιόντων μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία ενός άμορφου<br />
στρώματος [2-3]. Για την αποκατάσταση της κρυσταλλικής βλάβης και την ενεργοποίηση των προσμίξεων απαιτείται ένα<br />
βήμα ανόπτησης σε θερμοκρασίες πάνω από 1500 ο C. Η συμβατική μέθοδος της ανόπτησης με φούρνο (Furnace Annealing)<br />
παρουσιάζει διάφορα μειονεκτήματα με κυριότερα την ανακατανομή των προσμίξεων και την επιφανειακή τραχύτητα των<br />
ανοπτημένων δειγμάτων. Η ανταγωνιστική μέθοδος της ταχείας θερμικής ανόπτησης (Rapid Thermal Annealing) υστερεί<br />
στην ενεργοποίηση των προσμίξεων και οδηγεί σε φαινόμενα διάχυσης μη ισορροπίας κατά την ανόπτηση.<br />
Η χρήση παλμικών λέιζερ επιτρέπει την συσσώρευση ενός ποσού ενέργειας στην εμφυτευμένη με ιόντα περιοχή σε ένα<br />
πολύ μικρό χρονικό διάστημα ενώ το υπόστρωμα παραμένει σε χαμηλή θερμοκρασία. Η ανόπτηση των επιφανειακών<br />
στρωμάτων συμβαίνει μέσω κύκλων τήξεως και επανακρυστάλλωσης, εξελίσσεται σε πολύ βραχύ διάστημα (50-150 ns) και<br />
αποτελεί διεργασία μη θερμοδυναμικής ισορροπίας. [4-5]. Η τεχνική της ανόπτησης με παλμικά λέιζερ καθιερώνεται σαν μια<br />
εναλλακτική τεχνική ανόπτησης ημιαγωγών και εφαρμόζεται με επιτυχία σε ημιαγωγούς όπως το Si και το SiC.<br />
ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΖΗΤΗΣΗ<br />
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζονται φάσματα υπέρυθρης ανακλαστικότητας από καθαρά, εμφυτευμένα με ιόντα, και ανοπτημένα<br />
με λέιζερ στα 355nm δείγματα 4H-SiC. Η εμφύτευση των ιόντων Al έχει προκαλέσει την πτώση της ανακλαστικότητας στην<br />
ζώνη Reststrahlen (770-970cm -1 ). Η ακτινοβόληση στα 0.15 J/cm 2 (100 παλμοί) προκαλεί μικρή αύξηση της<br />
ανακλαστικότητας σε σύγκριση με το καθαρό δείγμα. Το καλλίτερο αποτέλεσμα επιτυγχάνεται με την “μέθοδο πολλαπλής<br />
ακτινοβόλησης” και για ενεργειακές πυκνότητες 0.15 J/cm 2 (33 παλμοί) + 0.25 J/cm 2 (33 παλμοί) + 0.35 J/cm 2 (33 παλμοί).<br />
H ανακλαστικότητα στην ζώνη Reststrahlen έχει αυξηθεί σε σύγκριση με το μη ακτινοβολημένο δείγμα καταδεικνύοντας<br />
βελτίωση της κρυσταλλικότητας. Οι χαρακτηριστικές κορυφές που εμφανίζονται στα φάσματα μετά τα 1000 cm -1 ,<br />
οφείλονται στα διαφορετικά στρώματα από τα οποία αποτελείται το δείγμα [6].<br />
Με τεχνική φασματοσκοπίας micro-Raman αναλύθηκαν εμφυτευμένα με ιόντα, και ανοπτημένα με λέιζερ στα 355nm<br />
δείγματα 4H-SiC. Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται φάσματα που λήφθηκαν από ένα μη αναπτημένο δείγμα 4H-SiC και δύο<br />
ανοπτημένα με λέιζερ (λ=355nm) δείγματα, το ένα στα 0.75 J/cm 2 και το άλλο στα 0.55 J/cm 2 . Τα φάσματα με εξαίρεση<br />
αυτό που λήφθηκε από το ακτινοβολημένο στα 0.75 J/cm 2 δείγμα παρουσιάζουν τα ίδια χαρακτηριστικά και είναι σύμφωνα<br />
με την βιβλιογραφία [7].Στο φάσμα που λήφθηκε από το ακτινοβολημένο με 0.75 J/cm 2 δείγμα παρουσιάζεται ελαττωμένη<br />
σκέδαση από την κρυσταλλική φάση του 4H-SiC ενώ εμφανίζεται και μια διευρυμένη κορυφή με κέντρο τα 480cm -1 ,<br />
ενδεικτική της ύπαρξης όμορφου πυριτίου (a-Si), και μια κορυφή στα 520 cm -1 ενδεικτική της ύπαρξης κρυσταλλικού<br />
πυριτίου (c-Si).<br />
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζονται φάσματα υπέρυθρης ανακλαστικότητας από καθαρά, εμφυτευμένα με ιόντα, και<br />
ανοπτημένα με λέιζερ στα 248nm δείγματα 4H-SiC. Η ανόπτηση στις ενεργειακές πυκνότητες 0.1 J/cm 2 (100 παλμοί) + 0.2<br />
J/cm 2 (100 παλμοί) + 0.3 J/cm 2 (100 παλμοί) έχει επαναφέρει την ανακλαστικότητα στην ζώνη Reststrahlen στα επίπεδα του<br />
καθαρού δείγματος. Για τις συγκεκριμένες συνθήκες ακτινοβόλησης η κρυσταλλική βλάβη στο εμφυτευμένο με ιόντα 4H-<br />
SiC έχει αποκατασταθεί πλήρως. Επίσης παρατηρείται πως για ένα σταθερό μοτίβο ακτινοβολήσεων (0.1 J/cm 2 + 0.2 J/cm 2 +<br />
0.3 J/cm 2 ) η ανακλαστικότητα αυξάνεται με την αύξηση των παλμών. Στο Σχήμα 4 παρουσιάζονται φάσματα περίθλασης<br />
ακτίνων-x από καθαρό, εμφυτευμένα με ιόντα Al και ανοπτημένα με λέιζερ στα 248nm 4H-SiC. H εμφύτευση των ιόντων<br />
έχει προκαλέσει αύξηση του FWHM σε σχέση με το καθαρό 4H-SiC από 23arcsec σε 63 arcsec. Στο φάσματα από<br />
60
ανοπτημένο με λέιζερ δείγμα στα 248nm και ενεργειακές πυκνότητες 0.1 J/cm 2 (33 παλμοί) + 0.2 J/cm 2 (33 παλμοί) + 0.3<br />
J/cm 2 (33 παλμοί) , η τιμή του FWHM έχει μειωθεί στα 34arcsec καταδεικνύοντας βελτίωση της κρυσταλλικότητας.<br />
Η εμφύτευση των ιόντων στο SiC αυξάνει δραματικά τον συντελεστή απορρόφησης των εμφυτευμένων με ιόντα<br />
στρωμάτων. Η ανόπτηση σε όλο το βάθος τους απαιτεί ισχυρή ενεργειακή πυκνότητα λέιζερ οδηγώντας σε επιφανειακή<br />
τραχύτητα. Με την “μέθοδος πολλαπλής ακτινοβόλησης” που εφαρμόσαμε προκαλέσαμε σταδιακή αποκατάσταση του<br />
εμφυτευμένου στρώματος με διαδοχικές ακτινοβολήσεις αυξανόμενης ενέργειας. Η μέθοδος βασίζεται στην αποκατάσταση<br />
του συντελεστή απορρόφησης και επιτρέπει την σταδιακή ανόπτηση του εμφυτευμένου στρώματος σε όλο το βάθος χωρίς να<br />
προκαλείται επιφανειακή τραχύτητα.<br />
1.0<br />
Reflectivity (a.u.)<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
non-implanted<br />
0.15J/cm 2 +0.25J/cm 2 +0.35J/cm 2<br />
N=3x33 pulses<br />
0.15J/cm 2 , 100 pulses<br />
as-implanted<br />
0.2<br />
0.0<br />
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000<br />
Wavenumber (cm -1 )<br />
Σχήμα1 – Φάσματα υπέρυθρης ανακλαστικότητας για καθαρό, μηανοπτημένο<br />
και ανοπτημένο με λέιζερ (λ=355nm) 4H-SiC.<br />
Σχήμα2 – Χαρακτηριστικά φάσματα micro-Raman μη<br />
ανοπτημένων και ανοπτημένων με λέιζερ (355nm, 100 παλμοί)<br />
4H-SiC δειγμάτων<br />
Reflectivity (a.u.)<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
as grown<br />
100x(0.1, 0.2, 0.3 J/cm 2 )<br />
33x(0.1, 0.2, 0.3 J/cm 2 )<br />
33x(0.1, 0.2 J/cm 2 )<br />
as implanted<br />
Intensity (cps)<br />
70000<br />
60000<br />
50000<br />
40000<br />
30000<br />
20000<br />
as implanted<br />
33 x (0.1J/cm 2 ,0.2J/cm 2 ,0.3J/cm 2 )<br />
as - grown<br />
0.2<br />
10000<br />
0.0<br />
600 800 1000 1200 1400 1600 1800<br />
wavenumber (cm -1 )<br />
Σχήμα3 – Φάσματα υπέρυθρης ανακλαστικότητας για καθαρό, μηανοπτημένο<br />
και ανοπτημένο με λέιζερ (λ=248nm) 4H-SiC.<br />
0<br />
-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000<br />
ΔΘ (arcsec)<br />
Σχήμα4 – Φάσματα περίθλασης ακτίνων-x για καθαρό, μη<br />
ανοπτημένο και ανοπτημένο με λέιζερ (λ=248nm) 4H-SiC<br />
IV. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ<br />
Το έργο αυτό συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή ένωση (75%) και από Εθνικούς πόρους (25%) – Επιχειρησιακό<br />
Πρόγραμμα Εκπαίδευσης και Αρχικής Επαγγελματικής Κατάρτισης (ΕΠΕΑΕΚ) και ειδικότερα από το πρόγραμμα<br />
ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ ΙΙ.<br />
V. ΑΝΑΦΟΡΕΣ<br />
[1]P. G. Neudeck, in K. H. J. Bushchow, R. W. Cahn, M. C. Flemings, B. Ilschner, E. J. Kramer, and S. Mahajan (Eds),<br />
Encyclopedia of Materials: Science and Technology, Vol. 9, Oxford: Elsevier Science, 2001, p8508.<br />
[2]J E. Wendler, A. Heft, W. Wesch, Nucl. Inst. and Meth. B 141, 105-117 (1998).<br />
[3]W. J. Weber, L.M. Wang, N. Yu, Nucl Inst. and Meth. B 116, 322-326 (1996).<br />
[4]M. Hatano, S. Moon, M. Lee, K. Suzuki, C.P. Grigoropoulos, J. Appl. Phys. 87 36 (2000).<br />
[5]C.P. Grigoropoulos, S. Moon, M. Lee, M. Hatano, K. Suzuki, Appl. Phys. A, 69 295 (1999).<br />
[6]H. Hobert, H Dunken, R. Menzel, T. Bachmann, W. Wesch, J. Non-Cryst. Solids 220, 187-194 (1997).<br />
[7]J. C. Burton, F. H. Long, I. T. Ferguson, J. Appl. Phys. 86(4), 2073-2077 (1999).<br />
61
Φασματοσκοπία Διφωτονικής Απορρόφησης Συζυγιακών-Ημιαγώγιμων Ενώσεων<br />
Παράγωγων του Φλουορενίου και Καρβαζολίου<br />
Ι. Φυτίλης 1* , Μ. Φακής 1 , Ι. Πολύζος 1 , Π. Περσεφόνης 1 , Β. Γιαννέτας 1 Π. Βελλής 2 και Ι. Μικρογιαννίδης 2<br />
1 Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών, Ρίον, 26504<br />
2 Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο Πατρών, Ρίον, 26504<br />
* fitilis@upatras.gr<br />
Εισαγωγή: Υλικά με βελτιστοποιημένες διφωτονικές ιδιότητες είναι απαραίτητα σε πληθώρα εφαρμογών όπως η διφωτονική<br />
μικροσκοπία, η τρισδιάστατη αποθήκευση δεδομένων, η κατασκευή μικρο-νανοδομών κ.α. Οι δυνατότητες σχεδιασμού και<br />
σύνθεσης νέων οργανικών μορίων με καλές διφωτονικές ιδιότητες είναι απεριόριστες και έτσι μεγάλη ποικιλία μορίων έχουν<br />
μελετηθεί [1-5]. Όμως, ξεκάθαρη γνώση της επίδρασης της χημικής δομής στις διφωτονικές ιδιότητες που να επιβεβαιώνεται<br />
από πειράματα και θεωρία δεν υπάρχει.<br />
Στα πλαίσια αυτής της αναζήτησης έγινε μια αναλυτική μελέτη των διφωτονικών ιδιοτήτων μιας σειράς συζυγιακών<br />
οργανικών ενώσεων με συστηματική αλλαγή της χημικής δομής. Η μελέτη έγινε με φασματοσκοπία διφωτονικά διεγερμένου<br />
φθορισμού με παλμούς στην περιοχή των femtoseconds [6,7]. Με την τεχνική αυτή έχουμε άμεσο έλεγχο της τάξης της μη<br />
γραμμικότητας, χρησιμοποιώντας μικρές συγκεντρώσεις καθώς επίσης και μικρή ισχύ διέγερσης. Επιπλέον, μελετήθηκε ο<br />
φωτοαποχρωματισμός της πιο αποδοτικής ένωσης ύστερα από διφωτονική διέγερση. Ο φωτοαποχρωματισμός είναι ένα<br />
φωτοχημικό φαινόμενο που εφαρμόζεται στην τρισδιάστατη αποθήκευση δεδομένων σε υμένια οργανικών ενώσεων [6,7].<br />
Αυτό οφείλεται στο ότι η διφωτονική απορρόφηση που είναι υπεύθυνη για τον φωτοαποχρωματισμό πραγματοποιείται στην<br />
εστία της δέσμης με χωρική ανάλυση μερικών εκατοντάδων νανομέτρων.<br />
Αποτελέσματα: Οι παράμετροι που εξετάστηκαν ως προς τις χημικές δομές είναι: α) Η αλλαγή του κεντρικού<br />
συζυγιακού πυρήνα του μορίου και β) η αλλαγή στους πλευρικούς υποκαταστάτες οι οποίοι είναι δότες ή αποδέκτες<br />
ηλεκτρονίων ή απλά π-συζυγιακά τμήματα. Πιο συγκεκριμένα, ο κεντρικός πυρήνας είναι ομάδα φλουορενίου ή<br />
καρβαζολίου και οι πλευρικοί υποκαταστάτες είναι τριφαινυλαμίνη (δότης e - , D), οξαδιαζόλιο (αποδέκτης e - , A) ή πυρένιο<br />
(π-συζυγιακό τμήμα, π). Οι ομάδες φλουορενίου και καρβαζολίου είναι π-συζυγιακές ομάδες με δύο αρωματικούς<br />
δακτυλίους στο ίδιο επίπεδο. Το φλουορένιο είναι ένας π-συζυγιακός κεντρικός σύνδεσμος ενώ το καρβαζόλιο εκτός από<br />
κεντρικός σύνδεσμος παίζει το ρόλο του δότη e - . Έτσι, οι δομές που εξετάστηκαν ανήκουν στη γενική μορφή D-π-D, A-π-Α,<br />
π-π-π, D-D-D, A-D-Α και π-D-π. Οι δομές καθώς και η ονοματολογία των μορίων φαίνονται στο σχήμα 1.<br />
R<br />
C 6 H 13 C 6 H 13<br />
κ1:Φλουορένιο<br />
N<br />
R<br />
R<br />
R=<br />
N<br />
Υ1:Τριφαινυλαμίνη<br />
N N<br />
O<br />
Υ2:Οξαδιαζόλιο<br />
M1:Υ1-κ1-Υ1<br />
M2:Υ2-κ1-Υ2<br />
M3:Υ3-κ1-Υ3<br />
M4:Υ1-κ2-Υ1<br />
M5:Υ2-κ2-Υ2<br />
M6:Υ3-κ2-Υ3<br />
R<br />
κ2:Καρβαζόλιο<br />
Σχήμα 1: Οι δομές των ενώσεων που μελετήθηκαν.<br />
Υ3:Πυρένιο<br />
Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν πως όταν οι πλευρικοί υποκαταστάτες είναι η τριφαινυλαμίνη ή το πυρένιο η<br />
μεγαλύτερη ενεργός διατομή διφωτονικής απορρόφησης παρουσιάστηκε όταν το κεντρικό τμήμα είναι το φλουορένιο.<br />
Αντίθετα, όταν ο πλευρικός υποκαταστάτης είναι το οξαδιαζόλιο, η μεγαλύτερη ενεργός διατομή βρέθηκε με κεντρικό τμήμα<br />
το καρβαζόλιο. Στα σχήματα 2α, β φαίνονται οι ενεργές διατομές διφωτονικής απορρόφησης των ενώσεων σε διάλυμα THF<br />
συγκέντρωσης 10 -4 Μ. Η μεγαλύτερη ενεργός διατομή διφωτονικής απορρόφησης βρέθηκε για το μόριο Μ1 το οποίο είναι<br />
της γενικής μορφής D-π-D με κεντρική ομάδα φλουορένιο και υποκαταστάτη τριφαινυλαμίνη και είναι ίση με 525 GM στα<br />
750 nm. Σημειώνεται ότι η ένωση Μ4 με δομή D-D-D παρουσίασε πολύ μικρή απόδοση διφωτονικού φθορισμού και για<br />
αυτό το λόγο δεν εμφανίζεται στο σχήμα 2β.<br />
(α)<br />
Ενεργός Διατομή Διφωτονικής<br />
Διέγερσης σ (2) (GM)<br />
550<br />
500<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
M1<br />
M2<br />
M3<br />
0<br />
740 760 780 800 820 840<br />
Μήκος Κύματος (nm)<br />
Σχήμα 2: Ενεργές διατομές των ενώσεων σε μήκη κύματος από 750-850nm.<br />
Ενεργός Διατομή Διφωτονικής<br />
Απορρόφησης σ (2) (GM)<br />
(β)<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
740 760 780 800 820 840<br />
Μήκος Κύματος (nm)<br />
Μ5<br />
Μ6<br />
62
Στο σχήμα 3 φαίνονται αποτελέσματα που δείχνουν την ένταση του διφωτονικά εκπεμπόμενου φθορισμού ως συνάρτηση<br />
του χρόνου ακτινοβόλησης για το μόριο M1 σε πολυμερικό υμένιο ΡΜΜΑ συγκέντρωσης 0.1%wt για δύο ισχύεις<br />
διέγερσης. Φαίνεται ότι η ένταση του φθορισμού μειώνεται ακολουθώντας διπλή εκθετική συνάρτηση. Αυτό δείχνει ότι το<br />
δείγμα στο σημείο της εστίας του laser διέγερσης φωτοαποχρωματίζεται και ότι υπάρχουν δύο μηχανισμοί<br />
φωτοαποχρωματισμού. Ιδιαίτερα ο πρώτος μηχανισμός είναι πολύ γρήγορος (~10ms) και είναι ιδιαίτερα χρήσιμος για την<br />
ανάπτυξη 3D αναπαραστάσεων [6,7]. Αυτό επιτυγχάνεται προκαλώντας φωτοαποχρωματισμό σε συγκεκριμένα σημεία των<br />
υμενίων δημιουργώντας έτσι συγκεκριμένες αναπαραστάσεις.<br />
1,0<br />
Διφωτονικός Φθορισμός (α.μ)<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0,0<br />
λ exc<br />
=750nm<br />
P exc<br />
=1,15mW<br />
P exc<br />
=2,4mW<br />
0 10 20 30 40 50 60<br />
Χρόνος ακτινοβόλησης (sec)<br />
Σχήμα 3: Ένταση του διφωτονικά εκμπεμπόμενου φθορισμού ως συνάρτηση του χρόνου ακτινοβόλησης για υμένιο του<br />
μορίου Μ1 σε ΡΜΜΑ για δύο ισχείς διέγερσης. Η μείωση της έντασης είναι ένδειξη του φωτοαποχρωματισμού.<br />
Συμπεράσματα: Μια σειρά νέων συζυγιακών οργανικών ενώσεων μελετήθηκε ως προς τις διφωτονικές τους ιδιότητες<br />
αλλάζοντας συστηματικά τη δομή τους με σκοπό την κατανόηση της επίδρασης της χημικής δομής στις ιδιότητες.<br />
Αποδείχθηκε ότι η δομή D-π-D παρουσίασε την μεγαλύτερη ενεργό διατομή διφωτονικής απορρόφησης η οποία οφείλεται<br />
στην ενδομοριακή μεταφορά φορτίων από τα άκρα προς το κέντρο. Επίσης, εξετάστηκε ο διφωτονικός<br />
φωτοαποχρωματισμός ο οποίος είναι χωρικά εντοπισμένος και πάνω από μία ισχύ διέγερσης είναι πολύ γρήγορος.<br />
[1] Albota M., Beljonne D., Bredas J. L., et al. Science 281 (1998) 1653<br />
[2] Yao S., Belfield K. D., J. Org. Chem. 70 (2005) 5126<br />
[3] Belfield K. D., Morales A. R., Hales J. M., et al. Chem. Mater. 16 (2004) 2267<br />
[4] Kannan R., He G. S., Yuan L., et al. Chem. Mater. 13 (2001) 1896<br />
[5] Chung S. J., Rumi M., Alain V., J. Amer. Chem. Soc. 127 (2005) 10844<br />
[6] Polyzos I., Tsigaridas G., Fakis M., Chem. Phys. Lett. 369 (2003) 264<br />
[7] Polyzos I., Tsigaridas G., Fakis M., Opt. Lett. 30 (2005) 2654<br />
Ευχαριστίες: Η εργασία αυτή χρηματοδοτείται από την Επιτροπή Ερευνών του Πανεπιστημίου Πατρών στα<br />
πλαίσια του προγράμματος «Καραθεοδωρής 2004» Κωδ.Β392. Ο Ι. Φυτίλης υποστηρίζεται με υποτροφία από<br />
το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών (ΙΚΥ).<br />
63
Οργανικά Τρανζίστορ Με Χρήση Υδατοδιαλυτών<br />
Φθαλοκυανινών Μετάλλων Ως Ενεργό Κανάλι<br />
Χαϊδόγιαννος Γ. 1* , Πετράκη Φ. 2 , Γλέζος Ν. 1 , Κέννου Σ. 2 και Nešpůrek S. 3<br />
1<br />
Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», Αγία Παρασκευή, GR 15310, Ελλάδα<br />
2<br />
Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Πάτρα, GR 26504, Ελλάδα<br />
3<br />
Institute of Macromolecular Chemistry, Academy of Sciences of the Czech Republic, 16206, Prague 6, Czech Republic<br />
* Ηλεκτρονική Διεύθυνση: g.chaidogiannos@imel.demokritos.gr<br />
Σε αυτή την εργασία, μελετάται η κατηγορία των αλάτων φθαλοκυανινών μετάλλων (MePC) και των υδατοδιαλυτών<br />
σουλφονικών αλάτων φθαλοκυανινών μετάλλων με νάτριο (metal phthalocyanine sulfonate sodium salts – MeS x PC) ως<br />
υποψηφία υλικά για p-τύπου κανάλια στα οργανικά τρανζίστορ. Και τα δύο είδη έχουν το προσόν της χημικής και θερμικής<br />
σταθερότητας (παραμένουν σταθερά μέχρι τους 400°C, εύκολα εξαχνούμενα). Οι ευκινησίες πεδίου των MePC στις δομές<br />
τρανζίστορ είναι περίπου 0.02 cm 2 V -1 s -1 (για CuPC). Πρόσφατα αναφέρθηκε μάλιστα μια τιμή ευκινησίας 1 cm 2 V -1 s -1 στην<br />
περίπτωση μονοκρυσταλλικής CuPC [1]. Επιπλέον, οι MePC παρουσιάζουν ενδιαφέρον για ηλεκτρονικές εφαρμογές όπως οι<br />
χημικοί αισθητήρες και τα ηλιακά κύτταρα [2].<br />
Οι MePC αποτίθενται με εξάχνωση σε θάλαμο υπερυψηλού κενού. Όσον αφορά τα σουλφονικά άλατα φθαλοκυανινών<br />
μετάλλων με νάτριο, επιλέχθηκαν λόγω της ενισχυμένης διαλυτότητάς τους έναντι των μη σουλφονικών αντιστοίχων τους,<br />
και είτε προκύπτουν από σύνθεση (για Me=Ni, Co, Zn or Al) ή με προμήθεια από την Aldrich Co (για Me=Cu). Πρόκειται<br />
για καινοτόμα υλικά, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρασκευή OTFT με πολύ λιγότερη προσπάθεια. Οι<br />
διαδικασίες είναι πολύ απλούστερες και οι αντίστοιχες τιμές ευκινησίας πολύ υψηλότερες. Στην περίπτωση αυτή, το ενεργό<br />
στρώμα προετοιμάζεται με περιστροφή (spin-coating) από υδατικά διαλύματα MeS x PC σε θερμοκρασία δωματίου. Κατόπιν<br />
τα δείγματα ξηραίνονται σε θερμοκρασία 50ºC για 20 min.<br />
Η σύγκριση μεταξύ των διαφόρων φθαλοκυανινών υπό μελέτη είναι βασισμένη στην ηλεκτρική συμπεριφορά τους ανάλογα<br />
με α) τη μέθοδο απόθεσης, β) τον τύπο του μετάλλου και γ) το είδος των υποκαταστατών. Ο στόχος είναι να επιλεχτεί ο<br />
τύπος υλικού και η διαδικασία παρασκευής του φιλμ που θα παρέχει το τρανζίστορ με τη βέλτιστη απόδοση.<br />
Προκαταρκτικές δοκιμές με χρήση του Al(OH)PC(SO 3 Na) x ως οργανικό κανάλι έχουν δώσει ελπιδοφόρα αποτελέσματα [3].<br />
Το πρώτο σύστημα που εξετάζεται είναι της NiPC και μελετάται ως αναφορά. Το Σχήμα 1 παρουσιάζει ένα σύνολο<br />
ηλεκτρικών χαρακτηριστικών για διάταξη με ενεργό κανάλι 50 nm. Η ευκινησία επίδρασης πεδίου υπολογίζεται στα<br />
10 -5 cm 2 V -1 s -1 , μια τιμή που συμφωνεί με βιβλιογραφικές αναφορές [4] και είναι αποδεκτή για τις εφαρμογές στις οποίες τα<br />
υλικά αυτά απευθύνονται.<br />
Id (nA)<br />
-18<br />
-16<br />
-14<br />
-12<br />
-10<br />
-8<br />
-6<br />
-4<br />
-2<br />
Vg=0<br />
Vg=-5<br />
Vg=-10<br />
Vg=-15<br />
Vg=-20<br />
Vg=-25<br />
Vg=-30<br />
0<br />
0 -10 -20 -30 -40 -50<br />
Vd(V)<br />
Id (nA)<br />
-50<br />
-40<br />
-30<br />
-20<br />
-10<br />
Id = f(Vd=Vg)<br />
sqrt(Id)<br />
0<br />
0,0<br />
0 -5 -10 -15 -20 -25 -30<br />
Vg (V)<br />
2,5x10 -4<br />
2,0x10 -4<br />
1,5x10 -4<br />
1,0x10 -4<br />
5,0x10 -5<br />
sqrt(Id) (A 1/2 )<br />
(α)<br />
(β)<br />
Σχήμα 1. (α) Εξάρτηση του ρεύματος Ι d από την τάση V d ενός OFET με 50 nm φιλμ NiPC, αναλογία W/L 23275 και<br />
διηλεκτρικό SiO 2 πάχους 82 nm, αποτεθειμένου σε θερμοκρασία υποστρώματος 100ºC. (β) Εξάρτηση του ρεύματος Ι d και<br />
της τετραγωνικής ρίζας του από την τάση πύλης V g του δείγματος. Η υπολογιζόμενη τιμή ευκινησίας πεδίου είναι 10 -5<br />
cm 2 V -1 s -1 .<br />
Στην περίπτωση των σουλφονικών αλάτων φθαλοκυανινών μετάλλων με νάτριο λαμβάνονται υψηλότερες τιμές ευκινησίας.<br />
Η ένταση του ρεύματος που ρέει μεταξύ πηγής (source) και αποδέκτη (drain) αυξάνεται όσο η τιμή της πύλης (gate) γίνεται<br />
πιο αρνητική, υποδεικνύοντας χαρακτηριστική αγωγιμότητα p-τύπου. Δεδομένου ότι οι MeS x PC δεν μπορούν να<br />
εξαχνωθούν, αφού το υλικό τείνει να καίγεται πριν εξατμιστεί, δεν κατέστη δυνατό να παρασκευαστούν OFETs με αυτές ως<br />
ενεργό κανάλι.<br />
Οι τιμές ευκινησίας που προκύπτουν για ολόκληρη την κατηγορία που έχει ερευνηθεί παρουσιάζονται στον πίνακα 1.<br />
Τα φιλμ των MeS x PC που ετοιμάστηκαν με spin-coating μεταφέρθηκαν σε ένα σύστημα εξαιρετικά υψηλού κενού για<br />
στοιχειομετρική ανάλυση με τη βοήθεια φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες Χ (XPS), βλ. Πίνακα 2.<br />
64
Id (mA)<br />
-0,3<br />
-0,2<br />
-0,1<br />
Vg=0<br />
Vg=-1<br />
Vg=-2<br />
Vg=-3<br />
Vg=-4<br />
Id (μA)<br />
-1,0<br />
-0,8<br />
-0,6<br />
-0,4<br />
-0,2<br />
Vg=0<br />
Vg=-5<br />
Vg=-7.5<br />
Vg=-10<br />
Vg=-15<br />
Vg=-20<br />
0,0<br />
0,0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,6 -0,7<br />
Vd (V)<br />
0,0<br />
0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0<br />
Vd (V)<br />
(α)<br />
(β)<br />
Σχήμα 2. (α) Εξάρτηση του ρεύματος Ι d από την τάση V d ενός OFET με 50 nm φιλμ NiS x PC, αναλογία W/L 23275 και<br />
διηλεκτρικό SiO 2 πάχους 42 nm, αποτεθειμένου με spin-coating και με ανόπτηση στους 50ºC: (α) NiS 1.3 PC με ευκινησία<br />
1.08 cm 2 V -1 s -1 και (β) NiS 3.3 PC με ευκινησία 0.02 cm 2 V -1 s -1 .<br />
Πίνακας 1. Οι τιμές ευκινησίας για διάφορους τύπους φθαλοκυανινών.<br />
Φθαλοκυανίνη Τρόπος παρασκευής του φιλμ Τιμή ευκινησίας (cm 2 V -1 s -1 )<br />
NiPC Εξάχνωση 10 -5<br />
CoPC Εξάχνωση 4 × 10 -4<br />
NiS 1.3 PC Spin-coating 1.08<br />
NiS 3.3 PC Spin-coating 0.02<br />
CuS 3.8 PC Spin-coating 0.02<br />
CoS 1.6 PC Spin-coating 0.2<br />
ZnS 1.5 PC Spin-coating 0.02<br />
AlS 1.5 PC 2 Spin-coating 0.02<br />
Πίνακας 2. Ατομικές αναλογίες των στοιχείων που ανιχνεύονται στην επιφάνεια των φιλμ NiS x PC, CoS x PC και CuS x PC<br />
που προετοιμάζονται με spin-coating. Οι αναμενόμενες ατομικές αναλογίες σύμφωνα με τη χημική δομή των μορίων<br />
φθαλοκυανινών μετάλλων παρουσιάζονται σε παρένθεση (εκτιμώμενη αβεβαιότητα ± 10%).<br />
MeS x PC Metal C1s/Met O1s/Met N1s/Met S2p/Met Na1s/Met<br />
NiS 1.3 PC Ni2p 3/2<br />
42<br />
(32)<br />
NiS 3.3 PC Ni2p 3/2<br />
35<br />
(32)<br />
CoS 1.6 PC Co2p 3/2<br />
42<br />
(32)<br />
CuS 3.8 PC Cu2p 3/2<br />
46<br />
(32)<br />
8<br />
(7.2)<br />
14<br />
(12)<br />
20<br />
(4.5)<br />
13.2<br />
(12)<br />
8<br />
(8)<br />
8.2<br />
(8)<br />
7.7<br />
(8)<br />
8.5<br />
(8)<br />
1.5<br />
(2.4)<br />
3.3<br />
(4)<br />
1.5<br />
(1.5)<br />
4.4<br />
(4)<br />
1.3<br />
(2.4)<br />
3.3<br />
(4)<br />
1.6<br />
(1.5)<br />
3.8<br />
(4)<br />
Συμπεράσματα<br />
Για τη σύγκριση των διατάξεων χρησιμοποιήθηκαν αμφότερες η εξάχνωση και το spin-coating. Οι τιμές της ευκινησίας<br />
πεδίου των διατάξεων OFET που χρησιμοποιούν φιλμ MeS x PC είναι πολύ υψηλότερες από τις τιμές των αντίστοιχων<br />
διατάξεων που χρησιμοποιούν εξαχνωμένες μη-σουλφονικές φθαλοκυανίνες μετάλλων. Μία χαρακτηριστική τιμή λόγου<br />
I ON /I OFF είναι 10 3 . Ένας από τους λόγους για τους οποίους, αντίθετα από τα OFET με MePC, τα OFET των MeS x PC που<br />
προκύπτουν από διάλυμα είναι ανίκανα να παρουσιάσουν μια ικανοποιητική περιοχή κόρου των καμπυλών ρεύματος Ι d –<br />
τάσης V d , είναι ότι οι αγωγιμότητες των οργανικών φιλμ είναι πολύ υψηλές, γεγονός που υποβοηθάται και από τα άτομα Na<br />
που συνεισφέρουν οι υποκαταστάτες (–SO 3 Na) των μορίων. Επίσης εξετάστηκαν ο ρόλος του κεντρικού μετάλλου και των<br />
υποκαταστατών. Διαπιστώθηκε ότι το κεντρικό άτομο μετάλλων είναι σημαντικό, δεδομένου ότι προκαλεί διαφοροποιήσεις<br />
στις μετρούμενες ηλεκτρικές ιδιότητες. Το πλέον υποσχόμενο μόριο είναι το NiS x PC, ακολουθούμενο από το CoS x PC και<br />
τελικά τα Zn-, Al- και CuS x PC, τα οποία παρουσιάζουν την ίδια τιμή ευκινησίας. Αλλά σημαντικότερος είναι ο ρόλος των<br />
υποκαταστατών. Οι διατάξεις που χρησιμοποιούσαν NiS 1.3 PC παρουσίασαν πολύ υψηλότερη τιμή ευκινησίας επίδρασης<br />
πεδίου από το αντίστοιχο NiS 3.3 PC. Σαν γενικό συμπέρασμα, τα τρανζίστορ που βασίζονται σε MeS x PC συνδυάζουν ευκολία<br />
κατασκευής με υψηλή απόδοση, ειδικά σε σύγκριση με τα μη-σουλφονικά αντίστοιχά τους.<br />
Αναφορές<br />
[1] R. Zeis, T.Siegrist and Ch.Kloc, Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 022103<br />
[2] F.Yang, M.Shtein and S.R.Forrest, Nature Materials 4 (2005) 37<br />
[3] G.Wang, I.Zhivkov, J.Sworakowski and K.Yakushi, iMAPS Proceedings, Prague (2004) 169<br />
[4] G.Guillard, R.Madru, M.Al Sadoun, M.Maitrot, J. Appl. Phys. 66 (1989) 4554<br />
65
Επίδραση της Θερµικής Οξείδωσης στα Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά Πυκνωτών Μετάλλου –<br />
Οξειδίου – Ηµιαγωγού σε Υποστρώµατα Πυριτίου υπό Μηχανική Τάση<br />
Ν. Κελαϊδής, ∆. Σκαρλάτος, Χ. Τσάµης*<br />
Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ «∆ηµόκριτος», Tέρµα Πατριάρχου Γρηγορίου, Αγ. Παρασκευή, 15310 Αττική<br />
* e-mail: ctsamis@imel.demokritos.gr<br />
Περίληψη<br />
Tο πυρίτιο υπό µηχανική τάση (strained-Silicon) αποτελεί σηµαντικό υλικό για την τεχνολογία ηµιαγωγικών διατάξεων. Πρόκειται<br />
για ένα λεπτό στρώµα πυριτίου που αναπτύσσεται πάνω σε Si 1-x Ge x όπου η περιεκτικότητα σε Ge διαβαθµίζεται από την τιµή 0<br />
(κοινό πυρίτιο) µέχρι την τελική τιµή περιεκτικότητας σε Ge. Καθώς το Si 1-x Ge x παρουσιάζει µεγαλύτερη πλεγµατική σταθερά από<br />
το πυρίτιο, τα άτοµα του στρώµατος πυριτίου ευθυγραµµίζονται µε τα υποκείµενα άτοµα του πλέγµατος του Si 1-x Ge x και αποκτούν<br />
εκτατική µηχανική τάση, το αποτέλεσµα της οποίας είναι η σηµαντική αύξηση της ευκινησίας των φορέων σε σχέση µε το συµβατικό<br />
πυρίτιο [1,2]. Χρησιµοποιώντας το στρώµα υψηλής ευκινησίας του πυριτίου υπό µηχανική τάση ως περιοχή καναλιού σε τρανζίστορ<br />
επίδρασης πεδίου µετάλλου - οξειδίου - ηµιαγωγού (MOSFET), η ταχύτητα της δοµής αυξάνεται χωρίς επιπρόσθετη σµίκρυνση [3].<br />
Η µέθοδος της ξηρής θερµικής οξείδωσης σε υψηλή θερµοκρασία δηµιουργεί οξείδια υψηλής ποιότητας σε υποστρώµατα κοινού Si.<br />
Όµως, η εφαρµογή της µεθόδου αυτής σε υποστρώµατα s-Si πρέπει να γίνεται αποφεύγοντας το υψηλό θερµικό κόστος διότι δύναται<br />
να προκαλέσει διάχυση του Ge προς το s-Si καθώς και χαλάρωση της µηχανικής τάσης [4-6]. Υπερβολική διάχυση Ge υποβαθµίζει<br />
την ποιότητα του στρώµατος s-Si καθώς και των διεπιφανειών s-Si / SiGe και SiO 2 / s-Si [7,8]. Στην παρούσα µελέτη, εξετάζεται η<br />
επίδραση της θερµικής οξείδωσης στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά πυκνωτών MOS σε υποστρώµατα πυριτίου υπό µηχανική τάση για<br />
διάφορες συνθήκες οξείδωσης (θερµοκρασία και χρόνος οξείδωσης).<br />
Για τη µελέτη της θερµικής οξείδωσης χρησιµοποιήθηκαν δύο διαφορετικά υποστρώµατα, που συµβολίζονται S1 και S2. Το<br />
υπόστρωµα S1 αποτελείται από ένα λεπτό υµένιο πυριτίου υπό µηχανική τάση πάχους 27.5 nm, το οποίο έχει αναπτυχθεί πάνω σε<br />
υµένιο Si 90 Ge 10, , ενώ το υπόστρωµα S2 αποτελείται από πυρίτιο υπό µηχανική τάση πάχους 13 nm ανεπτυγµένο σε υµένιο Si 78 Ge 22<br />
(Σχήµα 1). Τα δισκία πυριτίου υπό µηχανική τάση παραχωρήθηκαν από την εταιρεία MEMC Electronic Materials Inc. Θερµικά<br />
οξείδια πραγµατοποιήθηκαν στις θερµοκρασίες των 800 o C, 850 o C και 900 o C για διαφόρους χρόνους οξείδωσης, από 15 min έως 120<br />
min (Σχήµα 2). Στη συνεχεία κατασκευάστηκαν πυκνωτές MOS µε επιφάνεια πύλης Αλουµινίου, διαστάσεων 200×200µm 2 . Όλα τα<br />
δείγµατα υπέστησαν ανόπτηση σε µείγµα H 2 – N 2 (Forming Gas Annealing, FGA) στους 380 o C για 20 λεπτά. Τα ηλεκτρικά<br />
χαρακτηριστικά των οξειδίων µελετήθηκαν µε ηλεκτρικές µετρήσεις χωρητικότητας - τάσης (C-V) και ρεύµατος – τάσης I-V<br />
(ηµιστατική µέθοδος). Οι ηλεκτρικές µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν σε θερµοκρασία δωµατίου.<br />
Μετρήσεις C-V στα δείγµατα χαµηλότερης µηχανικής τάσης S1, δεν έδειξαν κάποια ιδιαίτερη συµπεριφορά. Αντιθέτως, στην<br />
περίπτωση των δειγµάτων υψηλότερης µηχανικής τάσης S2 παρατηρείται έντονο το φαινόµενο της κύρτωσης των C-V<br />
χαρακτηριστικών. Αυτή η κύρτωση σχετίζεται µε την ασυνέχεια των ενεργειακών ζωνών στην ετεροεπαφή Si / SiGe που προκαλεί το<br />
φαινόµενο του περιορισµού των οπών [7,9,10]. Σηµαντικό ρόλο όµως παίζει και η εγγύτητα της ετεροεπαφής µε το στρώµα του s-Si,<br />
καθώς ένα σηµαντικό µέρος του s-Si στρώµατος καταναλώνεται για την δηµιουργία του οξειδίου. Συγκρίνοντας τις C-V<br />
χαρακτηριστικές για τη συχνότητα του 1 MHz για το δείγµα S2 (Σχήµα 3), παρατηρούµε ότι το φαινόµενο αυτό της κύρτωσης της<br />
χαρακτηριστικής γίνεται πιο έντονο όσο µικρότερο είναι το εναποµείναν στρώµα s-Si, κάτι που επιβεβαιώνεται µε την εξοµοίωση σε<br />
υπολογιστικό περιβάλλον TCAD (Σχήµα 4), στην οποία έγινε εισαγωγή του απαραίτητου αρνητικού σταθερού φορτίου οξειδίου<br />
(fixed oxide charge) για την σύµπτωση πειραµατικών δεδοµένων και εξοµοίωσης. Επίσης, το φαινόµενο της κύρτωσης των<br />
χαρακτηριστικών συνοδεύεται µε διασπορά ως προς τη συχνότητα στην περιοχή της αναστροφής φορέων (Σχήµα 5). Καθώς µάλιστα<br />
οι συνθήκες οξείδωσης οδηγούν σε λεπτότερο στρώµα s-Si, το φαινόµενο αυτό γίνεται πιο έντονο. Το φαινόµενο της διασποράς<br />
συχνοτήτων εξετάστηκε περαιτέρω µε την ηµιστατική (quasistatic) C-V µέθοδο για την µελέτη των παγίδων διεπιφανειακών<br />
καταστάσεων. Η πυκνότητα των διεπιφανειακών παγίδων που υπολογίστηκε για τα δείγµατα που αναφέρθηκαν στο µέσο του<br />
ενεργειακού διάκενου ως προς το πάχος του στρώµατος s-Si που απέµεινε µετά την οξείδωση, απεικονίζεται στο Σχήµα 6, µαζί µε<br />
την πυκνότητα σταθερού φορτίου οξειδίου που εισήχθη στην προσοµοίωση. Παρατηρούµε µια εξάρτηση της πυκνότητας<br />
διεπιφανειακών καταστάσεων ως προς το πάχος του εναποµείναντος µετά την οξείδωση στρώµατος s-Si η οποία φαίνεται να φτάνει<br />
σε σταθερή τιµή για στρώµατα s-Si µικρότερα των 8nm. Παρόµοιο φαινόµενο έχει παρατηρηθεί ξανά [7] και έχει αποδοθεί σε<br />
καταστάσεις παγίδευσης στην διεπιφάνεια s-Si/SiO 2 . Κάτι τέτοιο είναι πιθανό να οφείλεται σε ενδεχόµενη διάχυση του Ge προς τη s-<br />
Si/SiO 2 διεπιφάνεια που να προκαλεί µια περιοχή ατελειών. Ενδεχοµένως όµως, σηµαντικό µέρος των ατελειών που ανιχνεύονται να<br />
βρίσκεται στην s-Si / SiGe ετεροεπαφή, καθώς (α) τα δείγµατα έχουν υποστεί FGA που αναµένεται να αδρανοποιεί τη πλειοψηφία<br />
των παγίδων κοντά στο οξείδιο και (β) λόγω της εγγύτητας αυτής του στρώµατος s-Si µε το στρώµα SiGe, η περιοχή αναστροφής<br />
εκτείνεται αρκετά µέσα στην περιοχή του SiGe.<br />
Για την περαιτέρω µελέτη του φαινοµένου της συχνοτικής διασποράς, διεξήχθησαν επιπρόσθετα πειράµατα οξείδωσης των<br />
υποστρωµάτων υψηλότερης µηχανικής τάσης S2 στους 850 o C για 30min, όπου ακολούθησε ανόπτηση στην ίδια θερµοκρασία, σε<br />
ουδέτερο περιβάλλον για διαφορετικούς χρόνους. Παρατηρήθηκε ότι το φαινόµενο της κύρτωσης αλλά και της διασποράς των C-V<br />
χαρακτηριστικών ως προς τη συχνότητα ελαττώθηκε καθώς ο χρόνος ανόπτησης αυξανόταν. Το φαινόµενο αναδεικνύει την<br />
αλληλεξάρτηση των δύο φαινοµένων.<br />
Η παρούσα µελέτη συγχρηµατοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση και από Εθνικούς Πόρους (Ε.Π.Ε.Α.Ε.Κ.,) από το πρόγραµµα<br />
«Αρχιµήδης». Οι συγγραφείς ευχαριστούν το ∆ρ. Β. Ιωάννου–Σουγλερίδη (Ινστ. Μικροηλεκτρονικής) για την πολύτιµη συνεισφορά του<br />
µε εύστοχες παρατηρήσεις, συζητήσεις και σχόλια.<br />
66
Strained-Si<br />
Si 1-x Ge x<br />
graded Si 1-x Ge x<br />
p-epi<br />
p ++<br />
p-type Si<br />
wafer<br />
Σχήµα 1. ∆οµή πυριτίου υπό µηχανική τάση<br />
(δείγµατα S1: x=0.1, δείγµατα S2: x=0.22)<br />
thickness (nm)<br />
22<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
S1 (10% Ge)<br />
S2 (22% Ge)<br />
S0<br />
900 o C<br />
850 o C<br />
800 o C<br />
0 30 60 90 120<br />
oxidation time (min)<br />
Σχήµα 2. Πάχη οξειδίων για τις διάφορες συνθήκες οξείδωσης<br />
Capacitance (pF)<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
t ox<br />
S2<br />
800 o C 60min<br />
850 o C 30min<br />
800 o C 120min<br />
900 o C 30min<br />
residual<br />
s-Si layer<br />
thickness<br />
-3 -2 -1 0 1 2<br />
Gate Voltage (V)<br />
Capacitance (pF)<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
t ox<br />
800 o C 60min<br />
850 o C 30min<br />
S2<br />
800 o C 120min<br />
900 o C 30min<br />
TCAD<br />
simulation<br />
residual<br />
s-Si layer<br />
thickness<br />
-3 -2 -1 0 1 2<br />
Gate Voltage (V)<br />
Σχήµα 3. C-V χαρακτηριστικές στη συχνότητα 1 Mhz για τα<br />
δείγµατα S2 οξειδωµένα σε διάφορες συνθήκες<br />
Σχήµα 4. Προσοµοίωση C-V χαρακτηριστικών για δοµές S2<br />
µε πάχος οξειδίου και s-Si ίσο µε τα αντίστοιχα οξειδωµένα<br />
δείγµατα.<br />
Capacitance (pF)<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
850 o C 60min<br />
S2 substrates<br />
s-Si / Si 0.78<br />
Ge 0.22<br />
800 o C 60min<br />
1Mhz<br />
1Mhz<br />
320 Hz<br />
320 Hz<br />
-2 -1 0 1<br />
Gate Voltage (V)<br />
Apparent D it (eV -1 cm -2 )<br />
10 13 Dit<br />
Qfixed TCAD<br />
10 12<br />
10 11<br />
7 8 9 10 11<br />
Residual strained-Si thickness (nm)<br />
Σχήµα 5. C-V χαρακτηριστικές σε διάφορες συχνότητες (από<br />
1Mhz έως 320Hz) για τα δείγµατα S1 οξειδωµένα σε<br />
(α) 850 o C 30 min και (β) 800 o C 60 min<br />
Σχήµα 6. Φαινόµενη πυκνότητα διεπιφανειακών παγίδων στο<br />
µέσο του ενεργειακού διάκενου, ως προς το εναποµείναν µετά<br />
την οξείδωση πάχος του s-Si<br />
Αναφορές<br />
[1] Nayak DK, Chun SK, App. Phys. Lett., 64 (1994) 2514-6<br />
[2] Nelson SF, Ismail K, Chu JO, Meyerson BS, Appl. Phy. Lett., 63, (1993) 367-9<br />
[3] C.K. Maiti, S.K. Samanta, S. Chatterjee, G.K. Dalapati, L.K. Bera, Solid-State Electronics 48 (2004) 1369–1389<br />
[4] J.Jung, Shaofeng Yu, Ol.Oluwagbemiga Olubuyide, J.L. Hoyt and D. A. Antoniadis, Appl. Phys.Lett. Vol.84 (17) 2004<br />
[5] W.-C. Hua, M. H. Lee, P. S. Chen, S. Maikap, C. W. Liu, and K. M. Chen, IEEE El. Dev. Lett., Vol. 25, No. 10, Oct. 2004<br />
[6] J.Welser, J.L.Hoyt, J.F. Gibbons, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 33 (1994) pp. 2419 – 2422<br />
[7] G. K. Dalapati, S. Chattopadhyay, K. S. K. Kwa, S. H. Olsen, Y. L. Tsang, R. Agaiby, A. G. O’ Neil, P. Dobrosz, S. J. Bull, IEEE<br />
Trans. El. Dev. 53 1142-1152 (2006)<br />
[8] N. Kelaidis, V. Ioannou-Sougleridis, D. Skarlatos, C. Tsamis, J. Parthenios, K. Papagelis, C. Galiotis, B. Kellerman and M.<br />
Seacrist, 8th International Conference on Ultimate Integration on Silicon (ULIS), 15-16 March 2007, Leuven, Belgium<br />
[9] L.K.Bera, M.Mukhopadhay, S.K.Ray, D.K.Nayak, N.Usami, Y.Shiraki, C.K.Maiti, Appl.Phys.Lett.,70(2),p.217,(1997)<br />
[10] C.S.Tan,W.K.Choi,L.K.Bera,K.L.Pey,D.A.Antoniadis,E.A.Fitzgerald,M.T.Currie,C.K.Maiti, Solid – State Electronics (45),<br />
p.1945,(2001)<br />
67
The Effect of Sub-boundaries on the Performance and Reliability of ovel SLS ELA<br />
Polysilicon TFTs<br />
M. A. Exarchos 1* , D. C. Moschou 2 , D. N. Kouvatsos 2 , G. J. Papaioannou 1 and A. T. Voutsas 3<br />
1 Physics Department, National and Kapodistrian University of Athens, Athens 15784, Greece<br />
2 Institute of Microelectronics, NCSR Demokritos, Agia Paraskevi 15310, Greece<br />
3 LCD Process Technology Laboratory, Sharp Labs of America, 5700 NM Pacific Rim Blvd, Camas, WA 98607, USA<br />
*mexarcho@phys.uoa.gr<br />
Abstract Polysilicon TFTs fabricated in a film crystallized with a novel SLS ELA technique, yielding rectangular crystal<br />
domains much larger than the TFT channel dimensions, were investigated. The TFT channels were oriented both along the<br />
preferential direction and vertical to it, thus probing the sub-boundary effects of both directions. DLTS assessment was<br />
conducted on unstressed TFTs in order to probe the film’s defect nature. DC hot carrier stress was applied for both channel<br />
orientations, in order to elucidate the effect of the crystallization procedure and its resulting microstructure on the reliability<br />
of the devices. A dimensional optimization of the TFTs was found.<br />
1. Introduction<br />
In this work we investigate the application of a novel SLS ELA polysilicon crystallization method [1-3], termed MN,<br />
for top gate TFTs oriented along both preferential and non-preferential directions. Through DLTS analysis the defect nature<br />
of the polysilicon film is probed. The relation between process characteristics and device reliability is elucidated through hotcarrier<br />
stress. An optimization of the TFT performance through variation of the channel length was attempted.<br />
2. Experimental<br />
The TFTs studied were fabricated in polysilicon film formed by ELA crystallization of a:Si, using an SLS technique<br />
termed MN. In this procedure the mask (Fig. 1) consists of sets of slits orthogonal to each other. The grains grow first in the<br />
Y direction (via the "M" patterns) and, then, sub-boundaries within these grains are swept in the X direction (via the "N"<br />
patterns), which is therefore the preferential direction. This results in large domain sizes but of lower intragrain quality than<br />
other, multi-shot techniques. A SEM image of the polysilicon film can be seen in Fig. 2. Since the crystal domain is much<br />
larger than the TFT channel, no hard grain boundaries should be included in either direction. However, nanoscale subboundaries<br />
(evidenced by features like protrusions and hillocks) are present in both directions, known to affect the TFT<br />
performance [3]. DLTS assessment was conducted on unstressed TFTs, immediately after the device transition from OFF- to<br />
ON-state. Drain current spectra I d (T) were monitored and measured. Devices were stressed and characterized in both<br />
directions. The hot-carrier stress was applied for a maximum duration of 16 hours.<br />
3. Results and Discussion<br />
DLTS measurements were conducted under the same bias conditions for unstressed TFTs. DLTS spectra magnitudes<br />
I d (T) are considerably higher for the devices having the channel aligned to X direction, than in Y direction. This is so<br />
because the respective energy barrier height E B of the grain boundaries is lower (Fig. 3) [4]. For X-oriented TFTs,<br />
E B (X)=0.026eV and for Y-oriented ones, E B (Y)=0.043eV. Further decomposed, the DLTS spectra for each oriented TFT<br />
disclosed three thermally activated contributions corresponding to three discrete traps (Fig. 4). Their activation energies were<br />
calculated in the range 0.39eV-0.53eV. The Arrhenius signatures closest to the detected defects are associated with hole traps<br />
originating from dislocations and rapid thermal annealing (RTA) defects.<br />
To probe the effect of the sub-boundaries on the reliability of our TFTs we applied hot-carrier stress, with<br />
V gstress =V dstress /2, on both channel orientations. A more severe degradation in the X orientation is revealed even for milder<br />
stress conditions (Fig. 5), due to the softer grain boundaries. Also, the parallel shift of the I DS -V GS characteristics in the Y<br />
direction is attributed to charges injected in the gate oxide, while in the X direction the curve distortion implies severe<br />
interface degradation.<br />
In Figs. 6, 7 we see that for channel lengths larger or smaller than 1.2m the performance seems to deteriorate. The<br />
increasing S with increasing L is attributed to more sub-boundaries included within the channel, while its increase with<br />
decreasing L is an electrical effect, ascribed to the increased channel charge in the subthreshold regime [5] due to the<br />
additional drain bias control of the channel region. These two mechanisms define the optimum TFT channel length for our<br />
crystallization process.<br />
4. Conclusions<br />
SLS ELA polysilicon TFTs fabricated in films crystallized with a novel SLS ELA technique termed MN yielding<br />
large rectangular crystal domains were studied, with the TFT channels oriented along the preferential and the non-preferential<br />
direction. The DLTS analysis of the devices showed larger energy barrier height in the Y direction. Discrete traps deep in<br />
polysilicon energy gap were detected, originating from dislocations and rapid thermal annealing defects. TFT degradation<br />
seemed to be less pronounced in the Y direction, due to the harder sub-boundaries obstructing the stress current. The main<br />
degradation mechanism for the X direction was interface state generation, while for the Y direction the gate oxide charge<br />
injection. An optimum channel length was found, defined both by the sub-boundary characteristics and by electrical effects.<br />
References<br />
[1] A.T. Voutsas, IEEE Trans. Electron Dev. ED-50 (2003) 1494.<br />
[2] M.A. Crowder, M. Moriguchi, Y. Mitani and A.T. Voutsas, Thin Solid Films 427 (2003) 101.<br />
[3] A.T. Voutsas, A. Limanov and J.S. Im, J. Appl. Phys. 94 (2003) 7445.<br />
[4] Y.Morimoto et al, Journal of Electrochemical Society, 144, 7, pp 2495-2501, (1997)<br />
[5] A. G. Lewis et al, IEDM '89 Proc., pp. 349-352 (1999).<br />
68
Fig. 1. Laser mask movement during the MN<br />
crystallization procedure.<br />
Fig. 2. SEM image of the MN crystallized<br />
polysilicon film.<br />
Fig. 3. Energy barrier height for X- and Y-oriented<br />
TFTs.<br />
Fig. 4. DLTS spectra decomposition to three<br />
components at high (HT), medium (MT) and low (LT)<br />
temperatures, for X-oriented TFTs.<br />
10 -6<br />
10 -6<br />
10 -5 Before stress<br />
10 -7<br />
10 -7<br />
10 -8<br />
10 -8<br />
I ds<br />
(A)<br />
10 -5 Before stress<br />
10 -9<br />
10 -10<br />
I ds<br />
(A)<br />
10 -9<br />
10 -10<br />
t stress<br />
=5 h<br />
t stress<br />
=16 h<br />
10 -11<br />
10 -12<br />
t stress<br />
=5 h<br />
t stress<br />
=16 h<br />
10 -11<br />
10 -12<br />
10 -13<br />
-6 -4 -2 0 2 4 6<br />
V gs<br />
(v)<br />
(a)<br />
10 -13<br />
-6 -4 -2 0 2 4 6<br />
Fig. 5. I ds -V gs characteristics after successive stress cycles for, a) X-oriented TFT V gstress =4V, V dstress =8V, b) Y-oriented<br />
TFT V gstress =5V, V dstress =10V<br />
0,24<br />
V gs<br />
(v)<br />
(b)<br />
0,22<br />
0,20<br />
X direction W=2m<br />
X direction W=8m<br />
Y direction W=2m<br />
Y direction W=8m<br />
250<br />
200<br />
S (V/decade)<br />
0,18<br />
0,16<br />
0,14<br />
0,12<br />
0,10<br />
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2<br />
L (m)<br />
Fig. 6. Subthreshold slope S as a function of channel length<br />
L.<br />
(cm 2 /V·sec)<br />
150<br />
100<br />
50<br />
X direction W=2m<br />
X direction W=8m<br />
Y direction W=2m<br />
Y direction W=8m<br />
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2<br />
L (m)<br />
Fig. 7. Field-effect mobility as a function of channel<br />
length L.<br />
69
Degradation at the Back Polysilicon Interface During Hot Carrier Stress in Double Gate<br />
Polysilicon TFTs<br />
Giannis P. Kontogiannopoulos 1 , Filippos V. Farmakis 1 , Dimitrios N. Kouvatsos 1 and Apostolos T. Voutsas 2<br />
1 Institute of Microelectronics, NCSR Demokritos, Agia Paraskevi 15310, Greece<br />
2 LCD Process Technology Laboratory, Sharp Labs of America, 5700 NM Pacific Rim Blvd, Camas, WA 98607, USA<br />
*gkonto@imel.demokritos.gr<br />
Abstract<br />
Degradation phenomena due to hot carrier stress conditions were investigated in double gate polysilicon thin film transistors<br />
fabricated by sequential lateral solidification (SLS). We varied the hot carrier stress conditions at the front-gate channel by<br />
applying various voltages at the back-gate. Thus, we investigated the device electrical performance under such stress<br />
regimes.<br />
1. Introduction<br />
Low temperature polysilicon TFTs have attracted much interest, as they have many advantages, such as high field-effect<br />
mobility. However, due to low-temperature processes that have been developed, numerous defects exist in grains and grain<br />
boundaries of the poly-Si channel. This disadvantage has been mainly overcome by using a variety of recently developed<br />
crystallization processes such as sequential lateral solidification excimer laser annealing (SLS ELA) [1]. However, one of the<br />
major issues associated with polysilicon TFTs is their reliability [1,2]. The scope of this work is to provide evidences for<br />
degradation mechanisms at the back interface of the device, via the aid of fully depleted double-gate (DG) polysilicon TFTs.<br />
2. Experimental<br />
The investigated TFTs were n-channel DG devices fabricated in 50 nm thick polysilicon films on top of a 50 nm thick<br />
PECVD SiO 2 insulator. A front gate 30 nm thick PECVD SiO 2 insulator was also deposited. The polysilicon films were<br />
formed by the SLS ELA technique [3]. TFTs in such films can be oriented in a preferential direction, with the channel<br />
parallel to the grain boundaries. Active regions were then patterned and defined, resulting in a structure composed from very<br />
long crystal grains separated by grain boundaries.<br />
The TFTs were characterized and stressed using a HP4140B semiconductor analyzer. The drain current (I DS ) vs front gate<br />
voltage (V GF ) characteristics at a given back-gate voltage (V GB ) were taken, at 300 K, in the linear region, with V DS = 0.1 V.<br />
The maximum transconductance G m,max was extracted by the slope of a line fitted to the I DS -V GF characteristics at a given<br />
V GB , drawn in linear scale, while the intercept with the horizontal axis yielded the extrapolated threshold voltage V th . DC hot<br />
carrier stress conditions (V GF,stress , V DS,stress , V GB,stress ) were applied for durations up to 27000 s, the I DS -V GF curves were<br />
recorded at the end of each stress cycle with various values of V GB and the device parameters were extracted each time.<br />
3. Results and discussion<br />
DG devices provide the advantage to examine electrical performance as a function of the opposite gate biasing and thus to<br />
explore the possibility of investigating TFT properties at both the back and the front polysilicon/SiO 2 interfaces. Figure 1<br />
shows the quantities G m,max and V th of front interface as a function of the back-gate (BG) voltage. We observe that V th<br />
continuously decreases as the BG voltage increases [4,5], suggesting that the polysilicon film appears fully depleted in this<br />
range of measurements. G m,max exhibits its highest value when V GB is around 0 V, indicating that the back interface is<br />
depleted. When V GB becomes positive, G m,max decreases due to the increase of the inversion layer thickness and consequently<br />
the increase of the trap density “seen” by electrons in the bulk polysilicon film. In contrast, when V GB becomes negative, the<br />
vertical electric field at the front interface is intensified, leading to an enhancement of the scattering mechanisms of carriers<br />
at the front poly/SiO 2 interface, which is reflected in the G m,max decrease [4,5].<br />
In order to study the induced hot-carrier phenomena in DG transistors and, more specifically, to investigate the possible<br />
back-interface degradation during aging, stress regimes with accumulated, inverted and depleted back interface were utilized.<br />
The front-gate bias during stress was chosen so as to ensure the same lateral electric field.<br />
The G m,max degradation is shown in Figure 2. Regarding the V GB,stress = - 3 V and V GB,stress = 0 V cases, we observe that the<br />
same G m,max degradation occurs, when the measurements are performed at accumulated back interface condition. It can be<br />
assumed that interface state generation at the front interface is identical for both stress regimes. Moreover, for V GB,stress = 0 V,<br />
the G m,max degradation, as measured with inverted back interface, is identical to the degradation measured with the back<br />
interface accumulated, whereas for V GB,stress = - 3 V, ∆G m,max is dependent on the back-gate voltage used in the measurements.<br />
Thus, it seems that, for the V GB,stress = 0 V case, the back interface does not add any electrical contribution to the front channel<br />
conduction, suggesting minor damage at the back interface, while for V GB,stress = - 3 V the back interface seems to deteriorate<br />
during stressing. Another interesting observation is that for V GB,stress = 3 V a different G m,max degradation mechanism is<br />
observed, which is dependent on the back-gate voltage used in the measurements.<br />
Figures 3 and 4 demonstrate the V th shift during stress measured with the BG voltage at accumulation and inversion for the<br />
three aging regimes. From figure 3 it can be seen that, in all cases, V th drifts towards negative values. Moreover, in the case of<br />
V GB,stress = 3 V, the ∆V th negative shift appears enhanced. In contrast to that case, in the case of V GB,stress = - 3 V, the threshold<br />
voltage V th exhibits a negative shift followed by a positive one. From figure 4, in the case of V GB,stress = 3 V, we observe that<br />
V th drifts monotonically towards positive values. When V GB,stress =-3 V is applied, V th shifts negatively and, after a certain<br />
stress duration, it takes high positive values. For V GB,stress = 0 V, the threshold voltage continuously decreases.<br />
In the case of V GB,stress = - 3 V, we mention an elevated dispersion of V th at higher BG voltages (i.e. V GB = 3 V). This implies<br />
that the degradation takes place mainly at the back interface of the device. Considering that the back-gate is negatively<br />
charged, it is reasonable to believe that hot-holes created by impact ionization at the drain edge region can be easily<br />
70
forwarded to the back interface during stress. Thus, the damaged region is located at the back drain-polysilicon interface. As<br />
hot-hole induced damage becomes severe, V th increases due to the induced interface state density. At the front interface<br />
possibly hot-electrons damage the polysilicon/SiO 2 interface and/or the grain boundaries, thus degrading G m,max . When the<br />
device was subjected to a stress condition with V GB,stress = 3 V, V th decreased for V GB = - 3 V and increased for V GB = 3 V.<br />
Moreover, G m,max degradation is larger than for previous stress conditions. Since, for V GB,stress >0, the vertical electric field is<br />
enhanced, it promotes hot-hole injection at the front interface, while hot electrons are accelerated towards the back interface.<br />
Indeed, under this condition hot-holes and hot-electrons acquire more energy to be directly injected in the front- and in the<br />
BG oxide respectively. As a result, hot-hole induced interface state generation is enhanced at the front interface and electron<br />
injection at the BG oxide provokes an additional negative V th shift, when measured at V GB = - 3 V. In the case of V GB,stress = 0<br />
V, V th is decreased by the same amount for all BG voltages. In this case, the V th decrease appears in the subthreshold region.<br />
This is possible if we consider that the positive charge in the back oxide increases during aging. Therefore, it is suggested that<br />
moderate hot-hole injection occurs in the BG oxide with no observable interface state generation phenomena. Regarding the<br />
front interface degradation, since the G m,max variation is identical to that for the stress condition V GB,stress = - 3 V, we propose<br />
that the observed degradation arises from hot-electron damage at the poly/SiO 2 interface and/or grain boundaries.<br />
Maximum transconductance, G m,max<br />
[A/V]<br />
1.3x10 -5<br />
1.2x10 -5<br />
2<br />
1.1x10 -5<br />
1.0x10 -5<br />
0<br />
9.0x10 -6<br />
8.0x10 -6<br />
-2<br />
7.0x10 -6<br />
-3 -2 -1 0 1 2 3<br />
Back gate voltage, V GB<br />
[V]<br />
Figure 1: Maximum transconductance and threshold<br />
voltage variation for front gate operation as a function<br />
back-gate biasing. All measurements are performed<br />
in the linear regime (V DS =0.1 V).<br />
Threshold voltage, V th<br />
[V]<br />
-(G m,max<br />
/G m,0<br />
)/G m,0<br />
(%)<br />
50 V GB,stress<br />
= -3 V<br />
40<br />
V GB,stress<br />
= 0 V<br />
V GB,stress<br />
= 3 V<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
10 0 10 1 10 2 10 3 10 4<br />
Stress time [s]<br />
Figure 2: Maximum transconductance variation (%) for<br />
the three stress conditions (differing back-gate stress bias) of<br />
measured at V GB = - 3 V (filled marks) and V GB = 3 V<br />
(open marks).<br />
∆V th<br />
[V]<br />
0.0<br />
-0.1<br />
-0.2<br />
-0.3<br />
-0.4<br />
-0.5<br />
-0.6<br />
V GB,stress<br />
= -3 V<br />
V GB,stress<br />
= 0 V<br />
V GB,stress<br />
= 3 V<br />
measured at<br />
V GB<br />
= -3 V<br />
10 0 10 1 10 2 10 3 10 4<br />
Stress time [s]<br />
∆V th<br />
[V]<br />
1.5<br />
1.2<br />
0.9<br />
0.6<br />
0.3<br />
0.0<br />
-0.3<br />
-0.6<br />
-0.9<br />
V GB,stress<br />
= -3 V<br />
V GB,stress<br />
= 0 V<br />
V GB,stress<br />
= 3 V<br />
measured at<br />
V GB<br />
= +3 V<br />
10 0 10 1 10 2 10 3 10 4<br />
Stress time [s]<br />
Figure 3: Threshold voltage shift for the three stress<br />
Figure 4: Threshold voltage shift for the three stress<br />
conditions (differing back-gate stress bias) measured at<br />
conditions (differing back-gate stress bias) measured at<br />
V GB =- 3 V. V GB = 3 V.<br />
Conclusions<br />
It was suggested that stress conditions with negative back-gate voltage enhance hot-hole injection in the BG oxide and<br />
hot-electron induced phenomena at the front polysilicon/SiO 2 interface. In contrast, for positive BG during aging, hot-hole<br />
injection at the front interface revealed serious degradation with combined hot-electron induced effects at the back interface.<br />
References<br />
[1] Farmakis FV, Brini J, Kamarinos G and Dimitriadis CA. IEEE Electron Dev. Lett. 22 (2001) 74.<br />
[2] Cristoloveanu S. Microelectronics Reliability, 37, (1997), 1003.<br />
[3] Voutsas AT. IEEE Trans. Electron Devices 50 (2003) 1494.<br />
[4] Farmakis FV, Kouvatsos DN, Voutsas AT, Moschou DC, Kontogiannopoulos GP, and Papaioannou GJ. J. Electrochem.<br />
Soc. to be published.<br />
[5] Banna SR, Chan PCH, Chan M, Fung SKH and Ko PK. IEEE Trans. Electr. Dev., vol. 45, (1998), 206-212.<br />
71
Μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων διατάξεων TFT δομημένων σε SLS υμένια<br />
πολυκρυσταλλικού πυριτίου<br />
Λ. Μιχαλάς 1* , Γ.Ι. Παπαϊωάννου 1 , Δ.Ν. Κουβάτσος 2 , Α.Τ. Βουτσάς 3<br />
1 Τοµέας Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Πανεπιστήµιο Αθηνών, Πανεπιστηµιούπολη Ζωγράφου 15784<br />
2 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ «Δηµόκριτος», Αγία Παρασκευή Αττικής 15310<br />
3 LCD Process Technology Laboratory, Sharp Labs of America, 5700 NW Pacific Rim Blvd, Camas WA 98607, USA.<br />
*e-mail: lmichal@phys.uoa.gr<br />
Τα τρανζιστορ λεπτών υμενίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου (poly-Si TFT) είναι διατάξεις με επιστημονικό και τεχνολογικό<br />
ενδιαφέρον, λόγω της χρήσης τους, ως στοιχεία των pixels στις οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCD-TFT), αλλά και των<br />
πιθανών μελλοντικών εφαρμογών τους σε ολοκληρωμένα κυκλώματα . Επομένως απαιτείται η ανάπτυξη διατάξεων υψηλών<br />
επιδόσεων και αξιοπιστίας. Ο πιο σημαντικός παράγοντας που καθορίζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες ενός TFT είναι η ποιότητα<br />
του πολυκρυσταλλικού υμενίου. Για το λόγο αυτό διάφορες τεχνικές έχουν αναπτυχθεί προκειμένου να κατασκευαστούν<br />
πολυκρυσταλλικά υμένια πυριτίου, με κόκκους (grains) διαφόρων μεγεθών και σχημάτων. Στόχο της παρούσας εργασίας<br />
αποτελεί η καταγραφή και ανάλυση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών, διατάξεων δομημένων σε υμένια<br />
κρυσταλλοποίημένα με δυο παραλλαγές της τεχνικής SLS-ELA [1], καθώς και ο συσχετισμός των ηλεκτρικών ιδιοτήτων της<br />
διάταξης με τις δομικές ιδιότητες του υμενίου.<br />
Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε<br />
καταγραφή των χαρακτηριστικών καμπυλών I DS -<br />
V GS , στη γραμμική περιοχή λειτουργίας<br />
(V D =50mV) και για θερμοκρασίες από 120 K έως<br />
440 K. Η θερμοκρασιακή εξάρτηση βασικών<br />
παραμέτρων όπως η υποκατώφλια κλίση και η<br />
τάση κατωφλίου, καθορίζεται από τη θερμική<br />
γένεση φορέων, διαμέσου καταστάσεων του<br />
χάσματος [2]. Επομένως με τη παραπάνω<br />
ανάλυση είναι δυνατό να εξαχθούν πληροφορίες<br />
για τη φυσική των εν λόγω καταστάσεων.<br />
Επιπλέον η θερμοκρασιακή εξάρτηση της<br />
ευκινησίας αναδεικνύει τους μηχανισμούς<br />
σκέδασης των φορέων.<br />
Οι διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν είναι TFT<br />
κατασκευασμένα σε υμένια πολυκρυσταλλικού<br />
Σχήμα 1: Χαρακτηριστικές καμπύλες I DS -V GS συναρτήσει της<br />
θερμοκρασίας<br />
πυριτίου πάχους 50 nm. Το αρχικά άμορφο υμένιο<br />
εναποτέθηκε από αέρια φάση και μετράπηκε σε<br />
πολυκρυσταλλικό με ανοπτήσεις Excimer laser<br />
χρησιμοποιώντας δυο παραλλαγές της τεχνικής<br />
SLS (Sequential Lateral Solidification) [3,4]. Κατά την πρώτη τεχνική περιοχές του υμενίου ακτινοβολήθηκαν κατ’<br />
επανάληψη «overlapped films», από δέσμη κατάλληλου σχήματος [3], με αποτέλεσμα τον σχηματισμό υμενίων στα οποία<br />
δεν εμφανίζονται κοκκώδη όρια (hard grain boundaries). Κατά τη δεύτερη τεχνική, κάθε περιοχή του υμενίου<br />
ακτινοβολήθηκε μία μόνο φορά «1-shot films», με αποτέλεσμα το σχηματισμό μακρόστενων κόκκων, χωριζόμενων από<br />
σχεδόν παράλληλα κοκκώδη όρια. Η διεύθυνση παράλληλα στη διεύθυνση των κοκκωδών ορίων είναι προτιμητέα και<br />
χαρακτηρίζεται ως Χ. Στη παρούσα εργασία μελετήθηκαν διατάξεις με προσανατολισμό καναλιού τόσο στη διεύθυνση Χ<br />
όσο και στη διεύθυνση Υ και στα δυο είδη υμενίων. Ως διηλεκτρικό πύλης χρησιμοποιήθηκε υμένιο SiO 2 πάχους 30 nm.<br />
Στο σχήμα 1 απεικονίζονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες συναρτήσει της θερμοκρασίας. Είναι φανερή η επίδραση στο<br />
ρεύμα διαρροής, την υποκατώφλια κλίση, αλλά και τη τάση κατωφλίου. Πιο συγκεκριμένα στην υποκατώφλια κλίση, που<br />
αποτελεί χαρακτηριστικό μέγεθος σχετιζόμενο με τη συγκέντρωση των καταστάσεων του χάσματος, αναμένεται γραμμική<br />
αύξηση με τη θερμοκρασία [5]. Εν τούτης στα πολυκρυσταλλίκά TFTs εμφανίζεται να κυριαρχεί ένας εκθετικός όρος σε<br />
υψηλές θερμοκρασίες, οδηγώντας σε θερμοκρασιακή εξάρτηση της μορφής: (σχήμα 2)<br />
S = A<br />
+ AT + A<br />
⎛<br />
exp<br />
⎜−<br />
⎝<br />
E − E<br />
kT<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
i<br />
0 1 2<br />
(1)<br />
Στη παραπάνω σχέση ο παράγοντας Α 0 είναι ένας παράγοντας της διαδικασίας προσαρμογής, χωρίς φυσική σημασία, ενώ<br />
ο παράγοντας Α 1 είναι ανάλογος της συγκέντρωσης ατελειών N T , στη διεπιφάνεια ημιαγωγού/οξειδίου πύλης και την<br />
απογυμνωμένη περιοχή της διάταξης.<br />
72
Σχήμα 2: Εκθετική εξάρτηση της υποκατώφλιας κλίσης σε<br />
«overlapped» υμένια<br />
Σχήμα 3: Ευκινησία συναρτήσει της θερμοκρασίας<br />
⎛ k ⎞ ⎛ qdN<br />
A = ⎜ ⎟ln10<br />
⎜1<br />
+<br />
⎝ q ⎠ ⎝ Cox<br />
T<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
1<br />
(2)<br />
Όπου d είναι το πάχος του πολυκρυσταλλικού υμενίου και C ox η χωριτικότητα του οξειδίου της πύλης [6].<br />
Ο εκθετικός όρος οφείλεται στους θερμικά δημιουργούμενους φορείς, διαμέσου των καταστάσεων του χάσματος, για το<br />
λόγο αυτό η ενέργεια ενεργοποίησης αποτελεί ένα μέτρο της κατανομής των καταστάσεων στο ενεργειακό χάσμα [2].<br />
A 1 ~N T (V/Dec) E (eV)<br />
overlapped-X 0.00025 0.30<br />
overlapped-Y 0.0007 0.30<br />
Single-shot-X 0.0003 0.38<br />
Single-shot-Y 0.0015 0.38<br />
Πίνακας 1: Παράμετροι που προκύπτουν από τη διαδικασία προσαρμογής της εξ.1 στην υποκατώφλια κλίση<br />
Ίδιες ενέργειες ενεργοποίησης υπολογίζονται στις διατάξεις που είναι κατασκευασμένες σε υμένια ίδιας τεχνολογίας,<br />
ανεξάρτητα από το προσανατολισμό του καναλιού, ενώ οι τιμές που προκύπτουν υποδηλώνουν τη συνεισφορά ελαφρώς<br />
βαθύτερων καταστάσεων στη περίπτωση των «overlapped» υμενίων (πίνακας 1). Όσον αφορά τις διατάξεις αυτές, αν και<br />
κατά το προσανατολισμό Χ επιτυγχάνεται ελαφρώς μεγαλύτερη ευκινησία (σχήμα 3) και υπολογίζεται ελαφρώς μικρότερη<br />
συγκέντρωση ατελειών (Α 1 -πινακας 1), εν τούτης επιτυγχάνεται ικανοποιητική ομοιογένεια των ηλεκτρικών ιδιοτήτων<br />
ανεξάρτητα από τον προσανατολισμό του καναλιού της διάταξης. Αντίθετα στα «1-shot» υμένια η διεύθυνση Χ εμφανίζει<br />
υψηλότερες επιδόσεις. Η ευκινησία που επιγχάνεται κατά τη διεύθυνση αυτή είναι περίπου τριπλάσια από αυτή στη<br />
διεύθυνση Υ, ενώ η υπολογιζόμενη συγκέντρωση ατελειών σημαντικά μικρότερη. Η συμπεριφορά αυτή αποδίδεται στην<br />
απουσία (Χ)/ παρουσία (Υ), φραγμών δυναμικού κάθετα στη διεύθυνση αγωγιμότητας. Τέλος συγκρίνοντας τις δυο<br />
τεχνολογίες προκύπτει πως και στις δυο περιπτώσεις ο προσανατολισμός Χ είναι προτιμητέος. Εν τούτης τα ηλεκτρικά<br />
χαρακτηριστικά των διατάξεων σε «overlapped» υμένια εμφανίζουν μεγάλη ομοιογένεια, για τις διαφορετικές διευθύνσεις<br />
του καναλίου, ενώ με τη τεχνολογία «1-shot» επιτυγχάνεται η μέγιστη ευκινησία κατά τα τη διεύθυνση Χ.<br />
[1] R.S. Sposili et. al., Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 2864<br />
[2] L. Michalas et.al. Microel. Reliab. (in press)<br />
[3] A.T. Voutsas, IEEE Trans. Electron Dev., ED-50 (2003) 1494<br />
[4] M.A. Crowder et.al. Thin Solid Films, 427 (2003) 101.<br />
[5] S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, N.Y. Willey & Sons. 1981<br />
[6] T.Noguchi, Jpn. J. Appl. Phys., 32, (1993) 1584<br />
Η παρούσα εργασία πραγματοποιείται στο πλαίσιο του προγράμματος ΠΕΝΕΔ: 3ΕΔ550 της ΓΓΕΤ.<br />
73
Stress and Performance Characteristics of Novel Polysilicon TFTs<br />
D. C. Moschou 1 , M. A. Exarchos 2 , D. N. Kouvatsos 1 , G. J. Papaioannou 2 and A. T. Voutsas 3<br />
1 Institute of Microelectronics, NCSR Demokritos, Agia Paraskevi 15310, Greece<br />
2 Physics Department, National and Kapodistrian University of Athens, Athens 15784, Greece<br />
3 LCD Process Technology Laboratory, Sharp Labs of America, 5700 NM Pacific Rim Blvd, Camas, WA 98607, USA<br />
*dmoschou@imel.demokritos.gr<br />
Abstract SLS ELA polysilicon TFTs fabricated in novel films of different microstructure and texture, were investigated. The<br />
parameter statistics indicate that the TFT performance depends on film quality and asperities, in conjunction with the grain<br />
boundary trap density. The drain current transients, upon TFT switch from OFF to ON state, showed oxide polarization,<br />
related to film asperities. DC hot carrier stress was applied, indicating a reliability dependence on polysilicon structure and<br />
differences in degradation mechanisms for various TFT technologies.<br />
1. Introduction<br />
Low temperature polycrystalline silicon thin film transistors (LTPS TFTs) are essential for large area electronic circuits<br />
and VLSI technology, as well as for high performance flat panel display applications [1]. Along with the increased<br />
performance characteristics of future LTPS TFTs, high reliability should also be achieved for the fabrication of commercial<br />
products to be possible. With the recent polysilicon crystallization process breakthroughs, using various excimer laser anneal<br />
(ELA) methods such as sequential lateral solidification (SLS), the TFT performance has substantially increased [2-4].<br />
Variations of the SLS technique allow the manufacturing of films with excellent intragrain quality and grains of different<br />
shapes and sizes. The performance and reliability of TFTs are known to depend on the polysilicon film microstructure [5].<br />
In this work we investigate the characteristics of top gate TFTs in polysilicon films, fabricated with various SLS<br />
crystallization methods, yielding different film textures and structures of grain boundaries. The device parameter statistics,<br />
the transient current behaviour and the TFT degradation under hot carrier stress are studied.<br />
2. Experimental<br />
The TFTs studied were fabricated in 50 nm thick polysilicon films, formed by ELA crystallization of a:Si, using<br />
variations of the SLS technique, with the laser beam being shaped by an appropriate mask. For our 2-shot samples the mask<br />
consists of two columns, slightly offset from each other, each with a set of parallel slits. This kind of polysilicon films has<br />
rectangular shaped crystal domains. A variation of this procedure is the 2 N -shot, where the laser beam is divided in a number<br />
of regions, with sets of slits, orthogonal to each other. This technique results in grains with excellent internal crystalline<br />
quality, as each spot is irradiated many times, and again rectangular grains. In this work, TFTs in 2 6 -shot films have been<br />
studied. In the procedure termed MN the mask consists again of sets of slits orthogonal to each other. The difference of this<br />
procedure with the 2 N -shot one is that in the latter technique one set of the slits irradiates the same region, and so does not<br />
contribute to lateral growth, but increases the intragrain quality. On the contrary, in the MN procedure all of the sets<br />
advance the lateral growth front, resulting in larger domain sizes of lower intragrain quality. There are also procedures where<br />
the beam shaping masks consist of arrays of dots, and so the lateral growth of the film begins from the dots and progresses<br />
radially, resulting in square or hexagonal shaped crystal domains separated by grain boundaries.<br />
The TFTs had a non-self-aligned top-metal-gate structure and a PECVD SiO2 gate dielectric. The TFTs and SIMOX<br />
MOSFETs, used as reference, were characterized and stressed using a HP4140B semiconductor analyzer. The I ds -V gs transfer<br />
characteristics were taken with V ds of 0.1 V, and the device parameters were extracted; furthermore, we applied Levinson<br />
analysis to calculate the grain-boundary trap densities of the TFTs. The drain current transients upon application of gate bias<br />
pulses, when unstressed TFTs are switched from OFF- to ON- state, were also investigated. A DC hot carrier stress (V gs , V ds )<br />
of (5 V, 10 V) was applied for a maximum of 16 hours, for TFTs fabricated in all of the above described samples.<br />
3. Results and Discussion<br />
A. Device characteristics<br />
V th<br />
(V)<br />
<br />
(cm 2 /Vsec)<br />
S<br />
(mV/decade)<br />
N t<br />
(cm -3 )<br />
SIMOX -0,57 322,15 0,11<br />
2-shot -1,87 282,31 0,39 6,57×10 11<br />
2 6 -shot 0,21 187,33 0,16 3,81×10 11<br />
Dot 30HEX -1,31 163,01 0,23 5,01×10 11<br />
50SQ 0,62 198,14 0,21 9,04×10 11<br />
MN #1 -1,03 235,40 0,17 3,4×10 11<br />
#7 -0,95 321,96 0,19 3,77×10 11<br />
#8 -0,20 289,08 0,15 3,03×10 11<br />
Table I: Device parameter average values<br />
From AFM images of the films, we observe<br />
an increased number of high protrusions for the 2 6 -<br />
shot film. The height of the protrusions becomes<br />
significantly smaller for the 2-shot film. In the<br />
MN film we again observe high protrusions, but<br />
much more sparsely distributed within the film<br />
surface. In Table I we can see the average values of<br />
the threshold voltage V th , the field-effect mobility<br />
, the subthreshold slope S and the grain-boundary<br />
trap density N t as obtained by Levinson analysis of<br />
the measured devices. We examined two different<br />
variations of the Dot technology and four of the<br />
MN technology, the differences, for the Dot<br />
technologies, being the hexagonal crystal domains<br />
for the 30Hex samples and the square ones for the 50Sq samples, while for the MN technologies being the crystal domain<br />
size. We can see that the largest mobility values, approaching the ones of SIMOX devices, are obtained for MN TFTs,<br />
followed closely by 2-shot and then by 2 6 -shot and Dot ones. This order of the different technologies with decreasing<br />
mobility can be attributed to the combination of two factors: the grain-boundary trap density N t and the surface asperities.<br />
74
V th<br />
(V)<br />
G m,max<br />
/G m,max0<br />
(%)<br />
I d<br />
(mA)<br />
Figure 2: a) Switch-ON drain current transient amplitude, under strong<br />
inversion conditions. b) Drain current transients of MxN TFTs with W / L = 8<br />
m / 2 m. The -state bias was 2.9V and the OFF-state bias was -1.1V with its<br />
The small N t value is essential to<br />
obtain large field-effect mobility,<br />
but the effect of surface roughness<br />
should not be neglected, since it<br />
can degrade the performance of a<br />
TFT, as in 2 6 -shot TFTs.<br />
Furthermore, lower S and N t<br />
values indicate higher grain<br />
quality for 2 6 -shot and MN<br />
TFTs.<br />
As far as the drain current<br />
transient analysis is concerned,<br />
we made the following<br />
observations. The switch-ON<br />
transients exhibit a complex<br />
duration 100msec.<br />
behavior where overshoot and undershoot effect coexist (Fig.2a). Although overshoot transients relax through stretched<br />
exponential law [6], given by I d (t) = D d (0)exp[-(t/) ] (where I d is the drain current transient, is the characteristic time<br />
and is a stretch factor), undershoot transients, for temperature values higher than 300K, obey a double stretched exponential<br />
law indicating that the relaxation process is governed by a complex mechanism (Fig.2b). The observed undershoot effect<br />
could be ascribed to a gate oxide polarization phenomenon rather than to a carrier trapping / detrapping process. Among these<br />
crystallization technologies the gate oxide polarization effect is expected to be more pronounced for the 2 6 -shot samples,<br />
since the effect of protrusions is the largest. It is worth noticing that the mobility values for these samples are rather low<br />
considering their crystalline quality, indicating that the role of polarization is detrimental.<br />
B. Stress behavior<br />
0,9<br />
0,8<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
0,0<br />
-0,1<br />
-0,2<br />
20<br />
10<br />
0<br />
-10<br />
-20<br />
0,0<br />
-2,0x10 -4<br />
-4,0x10 -4<br />
-6,0x10 -4<br />
-8,0x10 -4<br />
100 150 200 250 300 350 400<br />
T (K)<br />
MxN#1 W=8m L=2m<br />
2-shot W=8m L=2m<br />
2 6 -shot W=8m L=2m<br />
Dot 30hex W=6m L=2m<br />
SIMOX W=8m L=2m<br />
1 10 100 1000 10000 100000<br />
stress time (sec)<br />
MxN#1 W=8m L=2m<br />
2-shot W=8m L=2m<br />
2 6 -shot W=8m L=2m<br />
Dot 30hex W=6m L=2m<br />
SIMOX W=8m L=2m<br />
2 6 -shot W/L=8/5<br />
MxN#8 W/L=4/0.8<br />
MxN#8 W/L=16/8<br />
Figure 4: Evolution of V th with stress<br />
time.<br />
1 10 100 1000 10000 100000<br />
stress time (sec)<br />
Figure 5: Evolution of G m,max /G m,max (0) with<br />
stress time.<br />
I d (mA)<br />
0,0<br />
-5,0x10 -5<br />
-1,0x10 -4<br />
-1,5x10 -4<br />
-2,0x10 -4<br />
200K<br />
300K<br />
400K<br />
Stretched exp. fit<br />
Double stretched exp. fit<br />
10 -3 10 -2 10 -1<br />
In Fig. 4 we can see the evolution of the threshold voltage with the<br />
stress time for devices from all of our technologies. The smallest<br />
threshold voltage variation can be observed for MN and Dot samples,<br />
probably because of the minimal presence of surface asperities within the<br />
channel region, minimizing the local field enhancement caused by the<br />
protrusions. On the other hand, the 2 6 -shot and SIMOX samples show a<br />
logarithmic increase of the threshold voltage with stressing time,<br />
indicating a mechanism of injection of hot electrons into the gate oxide.<br />
As far as the 2-shot sample is concerned, we see an initial rapid increase<br />
of the threshold voltage, indicating a swift injection of hot electrons in<br />
the oxide, followed by a decrease, possibly due to added effects of<br />
interface degradation entailing positive charges.<br />
In Fig. 5 we see the evolution of the transconductance with the<br />
stress time. TFTs in MN, 2-shot and Dot samples show an initial<br />
increase of the value of G m,max followed by a degradation. This behavior<br />
could be attributed to “channel shortening” of the devices [7], with initial<br />
overshoot caused by increased stress-induced damage located near the<br />
drain region. In SIMOX devices we observe a delayed increase of<br />
G m,max , indicating slower near-drain damage. A continuous G m,max<br />
degradation is only observed for 2 6 -shot devices, where the injection<br />
could be more uniform along the channel.<br />
4. Conclusions<br />
Polysilicon TFTs fabricated in novel SLS ELA films of different<br />
intragrain quality, surface roughness and grain boundary trap density<br />
were characterized. Apart from the grain quality, film asperities seem to<br />
have a significantly negative effect on the device performance. A gate<br />
oxide polarization effect was observed and related to the polysilicon<br />
protrusions. The DC hot carrier stress indicated a dependence of the<br />
device reliability on the microstructure of the polysilicon and a possible<br />
channel shortening effect present for some of the TFT technologies.<br />
Acknowledgment<br />
The authors acknowledge financial support through the research project PENED 3ED550, administered by the Greek<br />
General Secretariat for Research and Technology.<br />
References<br />
[1] T. Matsuo and T. Muramatsu, Proc. SID Intern. Symposium, p. 856, 2004.<br />
[2] S. D. Brotherton, D. J. McCulloch, J. B. Clegg, and J. P. Gowers, IEEE Trans. Electron Dev. ED-40 (1993) 407.<br />
[3] M.A. Crowder, M. Moriguchi, Y. Mitani and A.T. Voutsas, Thin Solid Films 427 (2003) 101.<br />
[4] A.T. Voutsas, A. Limanov and J.S. Im, J. Appl. Phys. 94 (2003) 7445.<br />
[5] H. Toutah et al., Microelectr. Reliab. 43 (2003) 1531.<br />
[6] G.J. Papaioannou, M.A. Exarchos, D.N. Kouvatsos and A.T. Voutsas, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 252112.<br />
[7] A.T. Hatzopoulos et al., IEEE Trans. Electron Dev. ED-52 (2005) 2182.<br />
t (sec)<br />
75
Fabrication of a MOS Memory Device Containing Metal Nanoparticles and a high-k<br />
Control Oxide Layer<br />
Ch. Sargentis 1* , K. Giannakopoulos 2 , A. Travlos 2 and D. Tsamakis 1<br />
1 Department of Electrical and Computer Engineering, National Technical University of Athens, Iroon Polytechniou 9<br />
Zografou,157 73 Athens, Greece<br />
2 Institute of Materials Science, National Center for Scientific Research `Demokritos`, 153 10 Ag. Paraskevi Attikis, Athens,<br />
Greece<br />
*sargent@central.ntua.gr<br />
Today many electronic devices, such as laptops, palmtops, cellular phones and digital cameras use non-volatile memories<br />
that have a very short access time, low power consumption, high memory density and long retention times. Most efforts on<br />
improving these devices are focused on the developement of MOSFET floating gate devices embedded with semiconductor<br />
nanoparticles [1-7]. Recently, similar devices, embedded with metallic nanoparticles, have been fabricated [2-5]. These<br />
devices [2] are relatively immune to the Fermi level fluctuations caused by contamination and have smaller energy<br />
perturbation than those based on semiconductor nanoparticles. Since metals can have a wide range of work functions, it is<br />
possible to use them for improving the relationship between the retention time and the speed of the write-erase process,<br />
parameters that one needs to balance during device design. Memory devices embedded with nanoparticles have been<br />
fabricated with various methods, such as: Chemical Vapor Deposition [6], ion beam synthesis [7], sputtering [3] and recently<br />
Molecular Beam Epitaxy (MBE) [4]. In this work we use the MBE method in order to fabricate MOS memory structures<br />
embedded with platinum (Pt) nanoparticles on a SiO 2 /HfO 2 interface. We have chosen to work with Pt nanoparticles due to<br />
the fact that Pt has a large work function.<br />
Initially we grew thermally a 3.5 nm dry SiO 2 layer (tunneling oxide) on a n-Si (001) substrate. This oxide layer is fabricated<br />
in a furnace with dry thermal oxidation at 850 ºC. We have chosen such a low temperature in order to have good thickness<br />
control. Immediately after, the sample is annealed at 920 ºC in nitrogen ambient for 20 minutes in order to remove any states<br />
in the SiO 2 layer. Then, 1 nm of Pt is deposited at room temperature; the Pt is evaporated with the use of an electron gun in<br />
the MBE system. Next, 37 nm of a HfO 2 control oxide layer are deposited at 200 º C in an oxygen rich ambient, so that it<br />
becomes as stoichiometric as possible.<br />
An advantage of the MBE method is its control over the Pt nanoparticle size and density, and of the HfO 2 layer thickness.<br />
Most importantly, this method leaves the SiO 2 tunnelling layer unaffected, as shown in Figure 1(a) (cross-sectional TEM<br />
image). From the plan view image (Figure 1(b)) we find that the average diameter of Pt nanoparticles is 4,9 nm and the sheet<br />
density is 3.2x10 12 cm -2 .<br />
Figure 1: (a) Cross-section image of Pt nanoparticles embedded in the HfO 2 / SiO 2 interface and (b) Plan-view image of Pt<br />
nanoparticles fabricated on SiO 2 oxide<br />
The fabricated structure shows a clear hysteresis behaviour on C-V (capacitance-voltage, Figure 2) and G-V (conductancevoltage,<br />
not shown here) measurements; a reference structure (one fabricated under exactly the same conditions but without<br />
nanoparticles) shows no hysteresis. The flat band voltage shift increases gradually with the increase of the applied electric<br />
field. From these C-V measurements, and the assumption that in our structure there are two capacitors in series (one for each<br />
oxide), we can find the number of carriers which are stored in every nanoparticle. We have calculated [8] that in every<br />
nanoparticles one to two carriers are stored. Furthermore, from the above data, we have calculated that we obtain a flat-band<br />
voltage shift (ΔV FB ) equal to +0.257 V for average electric field equal to 0.65 MV/cm. We observe a shift at the position of<br />
the flat band voltage when the gate voltage is swept from inversion to accumulation and inverse; there is no shift in the<br />
sample without nanoparticles. Figure 3 shows the shift of the flat-band voltage versus the amplitude of a 100ms positive and<br />
negative voltage square pulse, applied to the gate of the Pt nanoparticle MOS structures. Immediately after each pulse, C-V<br />
measurements were performed by sweeping the gate voltage (V gate ) in a small region near flat-band conditions in order to<br />
avoid any charging or discharging effects.<br />
76
C/ C ox<br />
1,0<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0,0<br />
-4 -2 0 2 4<br />
V gate<br />
[V]<br />
Figure 2: High frequency C-V curves of a MOS device containing Pt nanoparticles embedded in the HfO 2 /SiO 2 interface for<br />
V gate =(-1.5)-(+1.5) V (●), (-2)-(+2) V (▲), (-2.5)-(+2.5) V (▼), (-3)-(+3) V (►), (-3.5)-(+3.5) (*) and sample without dots<br />
for V gate =(-4)-(+4) V (■).<br />
V<br />
FB<br />
(V)<br />
3.0<br />
square pulse<br />
2.5<br />
2.0<br />
1.5<br />
1.0<br />
0.5<br />
DV max<br />
=4.43 V<br />
0.0<br />
-0.5<br />
-1.0<br />
-1.5<br />
-2.0<br />
-2.5<br />
2 4 6 8 10<br />
(V)<br />
V gate-pulse<br />
Figure 3: Flat-band voltage shift versus gate voltage pulse (Vgate-pulse). Pulse duration was 100ms.<br />
It is assumed that the extracted ΔV FB is only due to the application of the square pulse. Electron (hole) charging initiates at<br />
voltage pulses of about +5 V (–5 V) and further increases until +9 V (–9 V). The maximum memory window obtained is<br />
ΔV FB =4.43V.<br />
We have fabricated MOS device stacks that are composed of: a thin injection SiO 2 layer, high-density of Pt nanoparticles<br />
deposited thereon and a 37nm-thick HfO 2 control oxide. Structural and electrical studies reveal that these structures are<br />
suitable for non-volatile memory devices with low-voltage injection.<br />
[1] S. Tiwari, J.A. Wahl, H. Silva, F. Rana, J.J. Welser: Appl. Phys A 71 (2000) 403-414<br />
[2] Zengtao Liu, Chungho Lee, Venkat Narayanan, Gen Pei, Edwin Chihchuan Kan: IEEE Trans. El. Devices 49 9 (2002)<br />
1606-1613<br />
[3] Z. Tan, S. K. Samanta, W. J. Yoo, S. Lee: Appl. Phys. Letters 86 1 (2005) 1-3<br />
[4] Q. Wang, Z. T. Song, W.L. Liu, C.L. Lin, T.H. Wang: Applied Surface Science 230 1-4 (2004) 8-11<br />
[5] S. Kolliopoulou, P. Dimitrakis, P. Normand, Hao-Li Zhang, N. Cant, S. D. Evans, S. Paul, C. Pearson, A. Molloy, M. C.<br />
Petty, D. Tsoukalas: J. Appl. Physics 94 8 (2003) 5234-5239<br />
[6] Y. Xiaoli, S. Yi, G. Shulin, Z. Jianmin, Z. Youdou, S. Kenichi, I. Hiroki, H. Toshiro: Physica E: (2000) 189-193<br />
[7] P. Normand, P. Dimitrakis, E. Kapetanakis, D. Skarlatos, K Beltsios, D. Tsoukalas, C. Bonafos, H. Coffin, G.<br />
Benassayag, A. Claverie, V. Soncini, A. Agarwal, Ch. Sohl, M. Ameen: Microelectronic Engineering 73-74 (2004) 730-735<br />
[8] Ch. Sargentis, K. Giannakopoulos, A. Travlos, D. Tsamakis, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 830, D6.4.1, (2005)<br />
77
Εκτίμηση Του Φαινομένου Φόρτισης Του Διηλεκτρικού Διατάξεων RF MEMS Υπό Την<br />
Επίδραση Ιονίζουσας Ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας<br />
Θεωνάς Β. 1* , Παπαιωάννου Γ. 1 , Κωνσταντινίδης Γ. 2 και Παπαπολυμέρου Ι. 3<br />
1 Τομέας ΦΣΎ, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Αθηνών Πανεπιστημιούπολη, Ζωγράφος 15784<br />
2 Ι.Η.Δ.Λ, Ι.Τ.Ε, Βασσιλικά Βουτών, Ηράκελιο Κρήτη 71110<br />
3 School of ECE, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332-0250, USA<br />
*vtheonas@phys.uoa.gr<br />
Το SiO 2 και το Si 3 N 4 καθώς και άλλοι μονωτές, χρησιμοποιούνται ευρέως για την κατασκευή διατάξεων MEMS. Παραταύτα, η τάση<br />
ηλεκτροστατικής φόρτισης που εμφανίζουν οι μονωτές αυτοί, περιορίζει τη λειτουργική αξιοπιστία των διατάξεων. Το φαινόμενο<br />
φόρτισης γίνεται ακόμα πιο έντονο όταν οι συσκευές υπόκεινται σε ακτινοβόληση. Το επαγόμενο στα μονωτικά στρώματα φορτίο,<br />
εξαρτάται από τη φύση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, τις μεταλλικές επαφές και τις ιδιότητας της διεπιφάνειας μετάλλου – μονωτή.<br />
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η ευαισθησία των διηλεκτρικών σε δομές RF MEMS όταν αυτές ακτινοβολούνται από<br />
ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, λαμβάνοντας υπόψη αποτελέσματα προσομοίωσης του επαγόμενου φορτίου στα στρώματα των<br />
διατάξεων για διάφορα μονωτικά υλικά και πάχη του διηλεκτρικού.<br />
Διακόπτες και actuators βασισμένοι σε MEMS έχουν προκύψει τα τελευταία χρόνια ως μια σοβαρή εναλλακτική λύση των διατάξεων<br />
που κατασκευάζονται από GaAs ή Si, ιδιαίτερα σε μικροκυματικές εφαρμογές. Μέχρι και σήμερα, προβλήματα που αφορούν στο<br />
packaging αλλά και στην αξιοπιστία της λειτουργίας τους, αποτελούν τους κύριους παράγοντες που δεν επιτρέπουν τη μαζική<br />
παραγωγή τέτοιων διατάξεων. Η αξιοπιστία των διατάξεων RF MEMS περιορίζεται κυρίως από το φαινόμενο φόρτισης του<br />
διηλεκτρικού στρώματος που περιέχουν, το οποίο στις περιπτώσεις διακοπτών, actuators και μεταβλητών πυκνωτών προστατεύει από<br />
την πρόκληση βραχυκυκλώματος. Διηλεκτρικά που χαρακτηρίζονται από υψηλή ειδική αντίσταση, διηλεκτρική σταθερά και τιμή<br />
πεδίου κατάρρευσης και παρέχουν επαρκή τεχνολογική συμβατότητα, προτιμώνται στην τεχνολογία των μικρο-συστημάτων. Ανάλογα<br />
με τις ιδιότητες του υλικού και τις συνθήκες του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκεται, η επιφάνεια ενός διηλεκτρικού είναι ικανή να<br />
παγιδεύσει τοπικά ηλεκτρικό φορτίο για αρκετό χρόνο. Επιπρόσθετα, τα μονωτικά υλικά εμφανίζουν παγίδες φορτίου, τόσο βαθιά στο<br />
εσωτερικό του όγκου τους, όσο και στις διεπιφάνειες μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων. Αυτό το παρασιτικό φορτίο που<br />
συγκεντρώνεται στο διηλεκτρικό στρώμα των διατάξεων MEMS μπορεί να καταστεί ανεξέλεγκτο κατά την αποθήκευση ή τη<br />
λειτουργία των διατάξεων αυτών σε περιβάλλον πλούσιο σε ακτινοβολίες [1].<br />
Μέχρι σήμερα έχουν δημοσιευτεί αρκετές εργασίες αναφορικά με τη φόρτιση του διηλεκτρικού διατάξεων MEMS που λειτουργούν σε<br />
περιβάλλον ελεύθερο από ακτινοβολίες, καταδεικνύοντας ότι το φορτίο που παγιδεύεται ή μετατοπίζεται κατά την επεξεργασία ή τη<br />
διέγερση των διατάξεων αυτών μπορεί να οδηγήσει στην αλλαγή της κατάστασης ή στην αυτό-πόλωσή τους. [2-5]. Σκοπός της<br />
παρούσας εργασίας είναι η εκτίμηση του φαινομένου φόρτισης του διηλεκτρικού μιας διάταξης MEMS, που υπόκειται σε ιονίζουσα<br />
ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Έτσι θα κατανοήσουμε καλύτερα τις επιπτώσεις του φαινομένου στη λειτουργία διατάξεων RF MEMS<br />
και την ευαισθησία τους στις ακτινοβολίες, σε συνδυασμό με τις ήδη διαθέσιμες αναφορές [1-5] και τις παλαιότερες [6-8] αλλά και τις<br />
πιο πρόσφατες προσομοιώσεις που εκτελέσαμε πάνω σε ιονίζουσες ακτινοβολίες. Ο τελικός μας σκοπός είναι να καθορίσουμε την πηγή<br />
κάθε μιας από τις συνιστώσες του φαινομένου φόρτισης και να εκτιμήσουμε την κινητική συμπεριφορά του επαγόμενου παρασιτικού<br />
φορτίου κατά τη διαχείριση, λειτουργία ή αποθήκευση διατάξεων MEMS σε κάθε περιβάλλον.<br />
Η μελέτη των επιπτώσεων της ιονίζουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας περιλαμβάνει ενέργειες φωτονίων που κυμαίνονται από<br />
μερικά keV (μαλακές ακτίνες – X) έως και μερικά MeV (ακτίνες – γ). Αυτή η ευρεία κλίμακα ενεργειών, μας επιτρέπει να διακρίνουμε<br />
τη συνεισφορά τριών βασικών μηχανισμών απώλειας ενέργειας. Το φαινόμενο Auger και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο κυριαρχούν<br />
κατά την απορρόφηση ακτίνων – Χ, ενώ το φαινόμενο Compton εμφανίζεται κατά την απορρόφηση φωτονίων υψηλής ενέργειας,<br />
γεγονός που μπορεί να οδηγήσει στην πρόκληση ατελειών στο δείγμα από τα υψηλής κινητικής ενέργειας παραγόμενα ηλεκτρόνια<br />
Compton [6].<br />
Κατά την ακτινοβόληση ενός μονωτικού στρώματος με μαλακές ακτίνες – Χ, η απορρόφηση των φωτονίων οδηγεί στην εξαγωγή φωτοηλεκτρονίων<br />
και ηλεκτρονίων Auger, τα οποία καθώς κινούνται εντός του υλικού, αλληλεπιδρούν ανελαστικά με τα ηλεκτρόνια<br />
σθένους των ατόμων του υλικού προκαλώντας τη γένεση ζευγών ηλεκτρονίων – οπών. Επιπρόσθετα, όσα από αυτά τα ηλεκτρόνια<br />
γεννώνται κοντά στην επιφάνεια του υλικού, καταφέρνουν και διαφεύγουν στο περιβάλλον αφήνοντας ένα θετικά φορτισμένο μονωτή<br />
[9]. Το διηλεκτρικό στρώμα των RF MEMS εναποτίθεται πάνω σε ένα αγώγιμο. Συνεπώς, δευτερογενή ηλεκτρόνια θα εκπεμφθούν<br />
ταυτόχρονα από το μεταλλικό υπόστρωμα προς το στρώμα του μονωτή. Το πρόσημο και η κατανομή του φορτίου που τελικά<br />
συγκεντρώνεται στο μονωτή θα καθοριστεί από το βαθμό εκπομπής δευτερογενών ηλεκτρονίων προς το μονωτικό στρώμα και τον<br />
αντίστοιχο βαθμό εκπομπής ηλεκτρονίων από το μονωτή προς το περιβάλλον. Η δομή των διατάξεων που χρησιμοποιήθηκαν στην<br />
παρούσα προσομοίωση παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.<br />
Πίνακας 1. Δομή των υπό προσομοίωση διατάξεων.<br />
Πάχος (nm)<br />
Σύσταση<br />
D1<br />
(Δομή M.I.M.)<br />
D2<br />
(Μονωτικό Στρώμα)<br />
Au 100 0<br />
Μονωτικό Film 100 – 420 100 – 420<br />
Au 200 0<br />
Cr 20 0<br />
Γυαλί >10 5 0<br />
Αρχικά θεωρήσαμε μια δομή μονωτικού στρώματος, εφεξής καλούμενη ως διάταξη D2. Η απόδοση της εκπομπής δευτερογενών<br />
ηλεκτρονίων είναι συχνά μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη (ή και περισσότερο) για τους μονωτές από ότι για άλλα υλικά [10-11]. Για<br />
αυτό το λόγο, προχωρήσαμε στην προσομοίωση της επίδρασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε μια απλή δομή Μετάλλου –<br />
Μονωτή – Μετάλλου (M.I.M.), εφεξής καλούμενη ως διάταξη D1, που προσομοιάζει με ένα varactor ή και ένα RF διακόπτη. Κάθε<br />
διάταξη από τις παραπάνω έχει μια ενεργό επιφάνεια 60 x 60 μm 2 . Στα πλαίσια της προσομοίωσης της ακτινοβόλησης των διατάξεων<br />
με μαλακές ακτίνες– Χ, θεωρήσαμε ότι ως διηλεκτρικό φιλμ χρησιμοποιούνται τα υλικά Si 3 N 4 , SiO 2 , AlN, Al 2 O 3 και τα υψηλού k HfO 2<br />
78
και Ta 2 O 5 , των οποίων η επιλογή βασίστηκε στη συμβατότητα τους με την τεχνολογία των RF MEMS [2], τα ηλεκτρικά τους<br />
χαρακτηριστικά και τις δομικές και φυσικές τους ιδιότητες. Η προσομοίωση διεξήχθη με τη χρήση του κώδικα MCNP, με σκοπό να<br />
υπολογιστεί το επαγόμενο φορτίο και η κατανομή του σε αυτές τις διατάξεις, καθώς υπόκεινται σε ακτινοβόληση από φωτόνια<br />
ενέργειας 20 keV. Η διαμέριση του πάχους του μονωτικού στρώματος ελήφθη ίση με 20nm.<br />
Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης καταδεικνύουν ότι το φαινόμενο φόρτισης του μονωτή οφείλεται στην εκπομπή δευτερογενών<br />
ηλεκτρονίων από την επιφάνεια του μονωτή και τα γειτονικά φιλμ Au. Όπως αναμενόταν, η διάταξη D2 μένει πάντα θετικά φορτισμένη<br />
κατά την ακτινοβόλησή της, ανεξάρτητα από τη σύστασή της. Η κατανομή του επαγόμενου φορτίου είναι σχεδόν ανεξάρτητη του<br />
πάχους του μονωτικού στρώματος για τα υλικά με χαμηλή πυκνότητα και μέσο ατομικό αριθμό (Z =10). Παραταύτα, καθώς η<br />
πυκνότητα και ο μέσος ατομικός αριθμός του υλικού αυξάνεται, η κατανομή του επαγόμενου φορτίου παίρνει τη μορφή ενός “U” όπως<br />
εικονίζεται στο Σχήμα 1 για την περίπτωση του HfO 2 , καταδεικνύοντας ότι η δευτερογενής εκπομπή ηλεκτρονίων συμβαίνει κοντά<br />
στην επιφάνεια του στρώματος, όπως προαναφέρθηκε.<br />
Στην περίπτωση της διάταξης D1, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για την ακτινοβόληση της διάταξης με μαλακές ακτίνες–Χ<br />
δείχνουν ότι τα στρώματα Au (που χαρακτηρίζεται από τον μεγαλύτερο ατομικό αριθμό και συνεπώς από το μεγαλύτερο συντελεστή<br />
απορρόφησης για τις ακτίνες–Χ), προκαλούν εκπομπή ηλεκτρονίων προς το στρώμα του μονωτή. Όπως εικονίζεται στο Σχήμα 2, η<br />
κατανομή του επαγόμενου φορτίου στο εσωτερικό του μονωτικού στρώματος παίρνει τη μορφή ενός ανεστραμμένου “U”, η οποία είναι<br />
πολύ σαφής όταν το πάχος του στρώματος είναι μικρό. Η συγκεκριμένη μορφή αποτελεί σαφή ένδειξη ότι προκαλείται μια έντονη<br />
συγκέντρωση αρνητικού φορτίου κοντά στη διεπιφάνεια μονωτή – Au, η οποία αμβλύνεται σταδιακά στο εσωτερικό του διηλεκτρικού.<br />
Συμπερασματικά, η προσομοίωση κατέδειξε ότι μονωτές με μεγάλη πυκνότητα και μέσο ατομικό αριθμό, θα πρέπει να προτιμώνται ως<br />
διηλεκτρικά σε διατάξεις RF MEMS που θα λειτουργούν σε περιβάλλον πλούσιο σε ακτινοβολία μαλακών ακτίνων – Χ, ιδιαίτερα όταν<br />
το συνολικά επαγόμενο φορτίο σε αυτά αποτελεί κρίσιμη παράμετρο. Ανάμεσα στα έξι μονωτικά υλικά που αξιολογήθηκαν, το Ta 2 O 5<br />
εμφανίζει το χαμηλότερο καθαρό επαγόμενο φορτίο, όταν η διάταξη M.I.M ακτινοβολείται από μαλακές ακτίνες – Χ. Η κατανομή του<br />
επαγόμενου φορτίου στα μονωτικά χαμηλής πυκνότητας και μέσου ατομικού αριθμού, εμφανίζει μια μάλλον ομοιόμορφη συμπεριφορά,<br />
που μπορεί να αποδοθεί στην έγχυση ηλεκτρονίων με υψηλή κινητική ενέργεια στο μονωτικό στρώμα, από τις μεταλλικές επαφές. Η<br />
χαμηλή παγίδευση φορτίου που παρατηρείται στα αποτελέσματα της προσομοίωσης για τα «βαριά» μονωτικά υλικά, μπορεί να<br />
αποδοθεί στο συνδυασμό των φαινομένων της έγχυσης ηλεκτρονίων από τις γειτονικές επαφές και την ανακατανομή του φορτίου στο<br />
μονωτικό στρώμα που κατά την ακτινοβόλησή του αποκτά αρχικά θετικό φορτίο. Από την προσομοίωση καταδεικνύεται ότι η έγχυση<br />
φορέων από τις μεταλλικές επαφές καθορίζει εν πολλοίς την ποσότητα και την κατανομή του επαγόμενου φορτίου στο εσωτερικό του<br />
διηλεκτρικού, γεγονός που καθιστά κρίσιμη την επιλογή του κατάλληλου υλικού για την κατασκευή των μεταλλικών ηλεκτροδίων ενός<br />
διακόπτη κατασκευασμένου από RF MEMS. Παραταύτα, είναι γνωστό ότι τα μονωτικά φιλμ των MEMS πρέπει να εναποτίθενται πάνω<br />
σε υψηλής αγωγιμότητας μέταλλα, όπως ο Au, ώστε να περιορίζονται οι απώλειες της διάταξης όταν αυτή λειτουργεί σε υψηλές<br />
συχνότητες. Από τη στιγμή δε που υπάρχουν περιορισμοί που αφορούν στο packaging και στις διαδικασίες εναπόθεσης μονωτών σε<br />
μέταλλα, μια εναλλακτική λύση θα ήταν η επιλογή του βέλτιστου συνδυασμού ανάμεσα στις παραμέτρους του πάχους του μεταλλικού<br />
ηλεκτροδίου και του υλικού του διηλεκτρικού φιλμ που θα χρησιμοποιηθούν. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης καταδεικνύουν ότι<br />
για την επίτευξη χαμηλού συνολικού παρασιτικού φορτίου στο διηλεκτρικό στρώμα κατά την ακτινοβόληση μιας διάταξης με μαλακές<br />
ακτίνες–Χ, ο βέλτιστος συνδυασμός αφορά στη χρήση μονωτικής ένωσης που αποτελείται από χημικά στοιχεία με παραπλήσιο ατομικό<br />
αριθμό αυτών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των μεταλλικών ηλεκτροδίων της διάταξης. Ιδιαίτερη αξία έχει να επεκταθεί η<br />
παρούσα προσομοίωση, ώστε να εκτιμηθεί η συμπεριφορά των διατάξεων αυτών και υπό ακτινοβόληση από σκληρές ακτίνες – Χ<br />
καθώς και ακτίνες – γ, ώστε να εξαχθούν παρόμοια συμπεράσματα για τις κατασκευαστικές παραμέτρους διατάξεων MEMS που θα<br />
κληθούν να λειτουργήσουν σε τέτοιας φύσης περιβάλλον.<br />
Induced Charge Distribution<br />
[No of Charge / Incident Photon]<br />
Au - insulator interface<br />
1,0x10 -3<br />
8,0x10 -4<br />
1,2x10 -3<br />
6,0x10 -4<br />
100nm<br />
140nm<br />
180nm<br />
220nm<br />
Insident Photon Direction<br />
4,0x10 -4<br />
260nm<br />
300nm<br />
2,0x10 -4 340nm<br />
380nm<br />
420nm<br />
0,0<br />
Depth in the insulator layer (nm)<br />
50 100 150 200 250 300 350 400<br />
Induced Charge Distribution<br />
[No of Charge / Incident Photon]<br />
2,0x10 -4<br />
0,0<br />
0 20 40 60 80 100120140160180200220 240260280300<br />
Depth in the insulator layer<br />
-2,0x10 -4<br />
-4,0x10 -4<br />
-6,0x10 -4<br />
Insident Photon Direction<br />
Al 2<br />
O 3<br />
AlN<br />
-8,0x10 -4<br />
SiO 2<br />
Si 3<br />
N 4<br />
HfO 2<br />
Ta 2<br />
O 5<br />
Au - insulator interface<br />
Σχήμα 1 Κατανομή επαγόμενου φορτίου στο μονωτικό στρώμα<br />
HfO 2 (Διάταξη D2).<br />
Σχήμα 2 Κατανομή του επαγόμενου φορτίου στο διηλεκτρικό<br />
στρώμα πάχους 300nm μιας ακτινοβολούμενης δομής MIM<br />
(Διάταξη D1).<br />
[1] McClure S et al. IEEE Transactions on Nuclear Science 49 (2002) 3197-3203<br />
[2] Lisec T et al. 34 th European Microwave Conference Proc., IEEE CNF 1 (2004) 73-76<br />
[3] Rottenberg X et al. 34 th European Microwave Conf. Proc., IEEE CNF 1 (2004) 77-80<br />
[4] Exarchos M et al. J. of Microelectronics Reliability, 45 (2005) 1782-1785<br />
[5] Papaioannou J G et al. Transactions on Microwave Theory and Techniques, IEEE MTT-s 53 (2005) 3467-3473<br />
[6] Papaioannou J G et al. 34 th European Microwave Conf. Proc., IEEE CNF 1 (2004) 65-68<br />
[7] Theonas V G et al. 13 th European Heterostructure Technology Workshop (2004)<br />
[8] Theonas V G et al. MMN 2004 JoP CNF 10 (2004) 313-316<br />
[9] Cazaux J J. of Microscopy 188 (1997) 106-24<br />
[10] Cazaux J et al. J. Appl. Phys. 89 (2001) 8265<br />
[11] Baragiola R A et al. Phys. Rev. B 58 (1998) 13212<br />
[12] US National Institute of Standards and Technology www.nist.gov<br />
79
Κατασκευή και Xαρακτηρισμός Αισθητήρα Θέσης με Συνδυασμό Τεχνολογιών<br />
Μικρομηχανικής και Τυπωμένων Κυκλωμάτων<br />
Α. Πετρόπουλος 1 , Γ. Καλτσάς 1, 2 , Α. Γ. Νασιοπούλου 1<br />
1 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος» , 15310 Αγία Παρασκευή, Αθήνα<br />
2<br />
ΤΕΙ Αθήνας, Τμήμα Ηλεκτρονικής, Αγ. Σπυρίδωνος, 12210 Αιγάλεω, Αθήνα<br />
tpetro@imel.demokritos.gr<br />
1. Εισαγωγή<br />
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η μελέτη ενός καινοτόμου αισθητήρα θέσης, ο οποίος κατασκευάστηκε μέσω μιας<br />
νέας τεχνολογίας κατασκευής θερμικών αισθητήρων σε πλαστικά υποστρώματα [1]. Συνδυάζοντας τυπικές διαδικασίες<br />
κατασκευής της μικροηλεκτρονικής καθώς και την τεχνολογία των τυπωμένων κυκλωμάτων, η προτεινόμενη υβριδική<br />
τεχνολογία αποτελεί μια μέθοδο δημιουργίας αισθητήρων απαλλαγμένη από πολλά προβληματικά στάδια που ενυπάρχουν<br />
στις παραδοσιακές τεχνολογίες κατασκευής αισθητήρων όπως το wire bonding, die bonding, die cutting, ενώ επιτρέπει την<br />
απευθείας ολοκλήρωση του αισθητήρα με τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ελέγχου. Επιπλέον, η παντελής απουσία πυριτίου ή<br />
άλλων μετάλλων πέρα από το πολύ μικρής θερμικής μάζας αισθητήριο στοιχείο (αντιστάτης πλατίνας πάχους 300nm) στο<br />
κύριο σώμα της όλης διάταξης, εξασφαλίζουν πολύ υψηλό βαθμό θερμικής μόνωσης και κατά συνέπεια αυξημένη<br />
ευαισθησία και μικρό χρόνο απόκρισης.<br />
Εικ 1. Τα στάδια της τεχνολογίας κατασκευής<br />
(α) Μορφοποίηση χαλκού στην επιφάνεια του FR4<br />
(β) Λιθογραφία στρώματος ομαλοποίησης (SU-8)<br />
(γ) Λιθογραφία mA-p<br />
(δ) Εναπόθεση πλατίνας<br />
(ε) Lift off<br />
2. Τεχνολογία Κατασκευής<br />
Η διαδικασία κατασκευής παρουσιάζεται συνοπτικά στην Εικ. 1. Το<br />
αρχικό στάδιο είναι η μορφοποίηση του χαλκού πάνω σε υπόστρωμα<br />
τυπωμένων κυκλωμάτων (α), η οποία επιτυγχάνεται μέσω της<br />
φωτοχημικής μεθόδου (photoengraving). Η συγκεκριμένη μέθοδος<br />
αποφέρει σαν αποτέλεσμα μια σχετικά ομαλή επιφάνεια πλακέτας σε<br />
σχέση με την εναλλακτική μέθοδο διαμόρφωσης του χαλκού, αυτή της<br />
μηχανικής εγχάραξης (mechanical milling). Γενικά η υπάρχουσα<br />
επιφανειακή ανωμαλία του PCB είναι το βασικό πρόβλημα προκειμένου<br />
να εφαρμοστούν τεχνικές μικροηλεκτρονικής προς κατασκευή<br />
διατάξεων πάνω στις πλακέτες. Αυτή η ανωμαλία προκύπτει από την<br />
δεδομένη τραχύτητα του υποστρώματος FR4, αλλά και από το μεγάλο<br />
πάχος των διαδρομών του χαλκού (τυπικά ~25μm) σε σχέση με τις προς<br />
κατασκευή διατάξεις. Η αντιμετώπιση του προβλήματος<br />
πραγματοποιείται με την υλοποίηση ενός στρώματος ομαλοποίησης με<br />
χρήση του αρνητικού τόνου φωτοευαισθητοποιητή SU-8 σε πάχος 15μm<br />
(β). Το στρώμα αυτό δεν αναπαράγει την ανομοιομορφία του<br />
υποστρώματος και παρέχει μια σχετικά ομαλή άνω επιφάνεια ως<br />
πλατφόρμα για περαιτέρω λιθογραφικά βήματα. Στη συνέχεια, ορίζονται<br />
οι διαδρομές των αντιστατών πλατίνας, με την λιθογραφική<br />
διαμόρφωση ενός στρώματος θετικού τόνου φωτοευαισθητοποιητή mAp,<br />
πάχους 15μm, έτσι ώστε τα άκρα τους να είναι σε επαφή με τις<br />
διαδρομές του χαλκού (γ). Η μετέπειτα εναπόθεση πλατίνας (δ) και το<br />
lift-off της mA-p φέρνουν την διάταξη στην τελική της μορφή (ε). Οι<br />
αντιστάτες πλατίνας λειτουργούν ως τα αισθητήρια στοιχεία τα οποία<br />
καθιστούν δυνατή την καταγραφή του θερμοκρασιακού πεδίου και την<br />
έμμεση εξαγωγή αποτελεσμάτων για σχετιζόμενα φυσικά μεγέθη.<br />
3. Αισθητήρας θέσης<br />
3.1 Αρχή λειτουργίας<br />
Η καταγραφή της θέσης ενός κινούμενου σώματος τυπικά επιτυγχάνεται μέσω συσκευών βασισμένων στην<br />
ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, στο οπτικό φάσμα, σε μετρήσεις χωρητικότητας και μέσω υπερήχων [2-5]. Ο παρών<br />
αισθητήρας αποτελεί την πρώτη προσέγγιση για καταγραφή της θέσης μέσω της αξιοποίησης της διάχυσης της θερμότητας.<br />
Η αρχή λειτουργίας του αναφέρεται στον εντοπισμό της θέσης μιας κινούμενης θερμικής πηγής μέσω της αποτύπωσης του<br />
δημιουργούμενου θερμοκρασιακού πεδίου στο χώρο. Η κίνηση αυτή πραγματοποιείται σε επίπεδο παράλληλο με αυτό των<br />
αντιστατών, σε διεύθυνση κάθετη στον άξονά τους (Εικ 2α). Η θερμική πηγή δημιουργεί στον άμεσο χώρο που την<br />
περιβάλλει μια θερμοκρασιακή κατανομή, έτσι ώστε όταν ένας από τους αντιστάτες εισέρχεται μέσα στο πεδίο αυτό, η<br />
αυξημένη θερμοκρασία έχει σαν αποτέλεσμα την συνακόλουθη αύξηση της τιμής της παρατηρούμενης αντίστασης. Η<br />
περαιτέρω προσέγγιση της πηγής στον αντιστάτη έχει σαν αποτέλεσμα την επιπλέον αύξηση της τιμής της αντίστασης.<br />
Προφανώς η κορυφή στην κατανομή της τιμής της αντίστασης αντιστοιχεί στην εγγύτατη θέση μεταξύ του αισθητήριου<br />
στοιχείου και της πηγής. Μείωση της τιμής καταδεικνύει την απομάκρυνση της πηγής. Η κατανομή του πεδίου αυτού πρέπει<br />
να είναι πολύ εντοπισμένη, έτσι ώστε να είναι σε θέση το σύστημα να αποδώσει αξιοποιήσιμα δεδομένα από άποψη<br />
ευκρίνειας. Ιδανικά η μεταφορά της θερμότητας θα γινόταν μόνο μέσω του ενδιάμεσου στρώματος αέρα, ωστόσο οι<br />
υπάρχουσες απώλειες προς το υπόστρωμα και το περιβάλλων την αντίσταση υλικό, μειώνουν την ευαισθησία της συσκευής.<br />
Η παρούσα διάταξη παρουσιάζει πολύ καλή θερμική μόνωση, λόγω των πολυμερών υλικών στα οποία είναι βασισμένη η<br />
80
κατασκευή της. Η παντελής απουσία του υποστρώματος πυριτίου, σε αντίθεση με αυτό που συμβαίνει στους υπόλοιπους<br />
θερμικούς αισθητήρες στη βιβλιογραφία έχει σαν αποτέλεσμα η διάχυση της θερμότητας προς το υπόστρωμα να<br />
περιορίζεται σημαντικά, καθώς πέρα από το αισθητήριο στοιχείο δεν υπάρχουν καλοί αγωγοί της θερμότητας στο κυρίως<br />
σώμα του αισθητήρα.<br />
3.2 Πειραματικά αποτελέσματα<br />
Η αισθητήρια διάταξη αποτελείται από τρεις αντιστάτες με παράλληλους άξονες, η τιμή της αντίστασης των οποίων<br />
καταγράφεται ανά χρονικά βήματα των 250μsec μέσω κατάλληλης εφαρμογής ανεπτυγμένης σε περιβάλλον LabVIEW. Η<br />
απόσταση των αντιστατών είναι 500μm. Η κίνηση της θερμικής πηγής στο επίπεδο που φαίνεται στην Εικ. 2α, έχει σαν<br />
συνέπεια την μεταβολή της θερμοκρασίας σε κάθε αντιστάτη. Αν η φορά της κίνησης είναι αυτή που ορίζεται στο σχήμα,<br />
τότε η αύξηση της θερμοκρασίας επέρχεται σταδιακά, αρχικά στον αισθητήρα R1 και στη συνέχεια στον R2 και στον R3.<br />
Αυτό καταδεικνύεται στην Εικ. 2β όπου παρουσιάζεται η διακύμανση του μεγέθους ΔR/R o ως συνάρτηση της μετακίνησης<br />
της θερμικής πηγής για τρεις διαφορετικούς αντιστάτες, ευρισκόμενους σε απόσταση 500μm μεταξύ τους (όπου ΔR η<br />
μεταβολή στην παρατηρούμενη τιμή της αντίστασης λόγω μετακίνησης της πηγής και R o η αρχική τιμή της αντίστασης<br />
χωρίς την επίδραση της θέρμανσης). Αύξηση η μείωση στην τιμή του ΔR/R o σημαίνει αντίστοιχα προσέγγιση ή<br />
απομάκρυνση της πηγής από των αισθητήρα. Η κορυφή στην κατανομή του ΔR/R o ενός αντιστάτη αντιστοιχεί στην θέση της<br />
πηγής ακριβώς πάνω από αυτόν. Όπως παρατηρείται στο διάγραμμα, η απόσταση των κορυφών των κατανομών είναι 500μm<br />
όση και η απόσταση των αντιστατών μεταξύ τους. Η ευαισθησία της συσκευής σε κάθε σημείο, ορίζεται ως η παράγωγος με<br />
την μεγαλύτερη τιμή των καμπυλών που παρουσιάζονται στο διάγραμμα. Επιπλέον σημειώνεται ότι αν και δεν υπάρχουν<br />
απτά δεδομένα σχετικά με την συμπεριφορά της συσκευής σε δυναμικές συνθήκες, οι πρώτες μετρήσεις που διενεργήθηκαν<br />
καταδεικνύουν πολύ μικρό χρονικό διάστημα απόκρισης.<br />
ΔR/R o<br />
0,024<br />
0,023<br />
0,022<br />
0,021<br />
0,020<br />
0,019<br />
0,018<br />
0,017<br />
R1<br />
R2<br />
R3<br />
0,016<br />
-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0<br />
Distance (mm)<br />
Εικ 2 (α) Σχηματική αναπαράσταση του αισθητήρα. Η θερμική πηγή κινείται σε επίπεδο παράλληλο σε αυτό που ορίζουν<br />
οι αντιστάτες. (β) Το ΔR/R o για τους τρεις αισθητήρες του σχήματος 2α. Η κορυφή της κατανομής για τον αντιστάτη R1<br />
προηγείται χωρικά 500μm αυτής του R2 και 1000μm αυτής του R3<br />
4. Συμπεράσματα<br />
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται ένα θερμικός αισθητήρας καταγραφής θέσης, άμεσο προϊόν μια νέας<br />
τεχνολογίας κατασκευής θερμικών αισθητήρων σε πλαστικά υποστρώματα. Ο αισθητήρας αξιοποιεί στατικές μετρήσεις<br />
θερμότητας για τον προσδιορισμό μιας μονοδιάστατης κίνησης. Μια επέκταση της δυνατότητας του εντοπισμού της θέσης<br />
στις δύο ή ακόμα και στις τρεις διαστάσεις θεωρείται εφικτή. Η πολύ υψηλή θερμική μόνωση του αισθητήριου στοιχείου με<br />
το υπόστρωμα και η απουσία μεταλλικών δομών στην όλη διάταξη, προσδίδουν στα προϊόντα της συγκεκριμένης<br />
τεχνολογίας πολύ ικανοποιητικές θερμικές ιδιότητες.<br />
Ευχαριστίες<br />
Αυτή η εργασία συγχρηματοδοτείται κατά 75% από την Ευρωπαϊκή Ένωση και 25% από την Ελληνική Κυβέρνηση, κάτω<br />
από το πλαίσιο της εκπαίδευσης και του αρχικού προγράμματος επαγγελματικής κατάρτισης – Αρχιμήδης και του<br />
προγράμματος ΠΕΝΕΔ.<br />
Αναφορές<br />
[1] G. Kaltsas, A. Petropoulos, K. Tsougeni, D. N. Pagonis, T. Speliotis, E. Gogolides, A. G. Nassiopoulou, Phonons 2007,<br />
Paris, France, July 15-20, 2007 (to be presented)<br />
[2] Y. Watanabe, T. Mitsui, T. Mineta, S. Kobayashi, N. Taniguchi, K. Okada, Sensors Actuator A-Phys. 97-98 (2002) 109-<br />
115<br />
[3] E. Hristoforou , P.D. Dimitropoulos, J. Petrou, , Sensors Actuator A-Phys 132 (2006) 112–121<br />
[4] U. Minoni,A. Singorini, , Sensors Actuators A-Phys 128 (2006) 402–408<br />
[5] H. Ruser , V. Magori, Sensors Actuator A-Phys 67 (1998) 125–132<br />
81
Θερμικοί Αισθητήρες Ροής Ολοκληρωμένοι σε Οργανικά Υποστρώματα<br />
Α. Πετρόπουλος 1 , Γ. Καλτσάς 1, 2 , Α. Γ. Νασιοπούλου 1<br />
1 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος» , 15310 Αγία Παρασκευή, Αθήνα<br />
2<br />
ΤΕΙ Αθήνας, Τμήμα Ηλεκτρονικής, Αγ. Σπυρίδωνος, 12210 Αιγάλεω, Αθήνα<br />
tpetro@imel.demokritos.gr<br />
1. Εισαγωγή<br />
Διάφοροι τύποι θερμικών αισθητήρων μέτρησης της ροής έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία, οι οποίοι στις περισσότερες<br />
περιπτώσεις κατασκευάζονται με τυπικές τεχνικές της μικρομηχανικής τεχνολογίας [1,2]. Στην παρούσα εργασία<br />
παρουσιάζονται αισθητήρες μέτρησης ροής υγρών και αερίων οι οποίοι αναπτύχθηκαν με βάση μια νέα τεχνολογία<br />
κατασκευής θερμικών αισθητήρων σε οργανικά υποστρώματα [3]. Τα αισθητήρια στοιχεία αποτελούνται από λεπτά υμένια<br />
πλατίνας, ευαίσθητα στις θερμοκρασιακές μεταβολές, τα οποία συνδέονται ηλεκτρικά με τις διαδρομές του χαλκού που<br />
ενυπάρχουν πάνω σε μία πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος. Η αναγκαία ομαλοποίηση της επιφάνειας του οργανικού<br />
υποστρώματος FR4 επιτυγχάνεται μέσω ενός στρώματος αρνητικού τόνου φωτο-ευαισθητοποιητή SU-8, πάχους ~15 μm. Με<br />
τη συγκεκριμένη προσέγγιση αντιμετωπίζονται ορισμένα δεδομένα προβλήματα της μικρομηχανικής τεχνολογίας πυριτίου,<br />
όπως η επικοινωνία των συσκευών με τον μακρόκοσμο (εξαλείφεται η ανάγκη για wire bonding), η κοπή και συγκόλληση<br />
του δισκιδίου (die cutting and die bonding), η οποία δεν είναι πια αναγκαία, ενώ μειώνεται σε μεγάλο βαθμό η διάχυση<br />
θερμότητας προς το υπόστρωμα λόγω της απουσίας καλών αγωγών θερμότητας από το κυρίως σώμα του αισθητήρα<br />
(παντελής απουσία πυριτίου), προσφέροντας έτσι υψηλό βαθμό ευαισθησίας στις διατάξεις.<br />
2. Μετρητική διάταξη<br />
Προκειμένου να προσδιοριστεί η ταχύτητα ροής ενός ρευστού καταγράφεται η μεταβολή του πεδίου θερμότητας που<br />
αναπτύσσεται στην περιοχή μιας θερμαινόμενης αντίστασης λόγω της διαγωγικής μεταφοράς θερμότητας. Μετρήσιμες<br />
ποσότητες που καταδεικνύουν το μέγεθος της μεταφοράς θερμότητας ως συνάρτηση της ροής είναι είτε η μεταβολή στην<br />
τιμή της ισχύος που καταναλώνεται στο θερμαντήρα (ΔP) έτσι ώστε να διατηρείται σταθερή η τιμή της αντίστασής του, είτε<br />
η διαφορά στην τιμή των αντιστάσεων εκατέρωθεν του θερμαντήρα (ΔR), καθώς αυτός διατηρείται σε σταθερή τιμή<br />
θερμοκρασίας. Οι μετρήσεις της ροής του αερίου πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη που απεικονίζεται στην<br />
Εικ. 1. Υψηλής καθαρότητας αέριο άζωτο χρησιμοποιήθηκε σε όλες τις μετρήσεις. Η ροή αναφοράς καθορίζεται μέσω του<br />
κατάλληλου ελεγκτή ροής (Mass Flow Controller). Ο σωλήνας που χρησιμοποιήθηκε έχει μήκος ενός μέτρου και<br />
τετραγωνική διατομή 5x5 mm 2 . Η απόσταση του τοποθετημένου αισθητήρα από την αρχή του σωλήνα είναι μεγαλύτερη από<br />
το υδροδυναμικό μήκος εισόδου για την μέγιστη εφαρμοζόμενη ροή αναφοράς. Οι τιμές των αντιστάσεων εκατέρωθεν του<br />
θερμαντήρα μετρώνται μέσω δύο πολυμέτρων, ενώ η ισχύς στο θερμαντήρα παρέχεται από μία ψηφιακή πηγή ρεύματος.<br />
Όλα τα εμπλεκόμενα μεγέθη (ΔR, ΔP, τιμή ρεύματος, τάση θερμαντήρα) καταγράφονται σε πραγματικό χρόνο με τη χρήση<br />
μιας κατάλληλα ανεπτυγμένης εφαρμογής στο πρόγραμμα LabVIEW. Επιπλέον η συγκεκριμένη εφαρμογή περιέχει ειδικά<br />
σχεδιασμένο αλγόριθμο ώστε μεταβάλλοντας την τιμή της έντασης του ρεύματος να διατηρεί τη τιμή της αντίστασης του<br />
θερμαντήρα (άρα και τη θερμοκρασία), σταθερή παρά τις αυξομειώσεις της ροής.<br />
Εικ. 1 Σχηματική αναπαράσταση της μετρητικής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε κατά τον χαρακτηρισμό του αισθητήρα ροής<br />
αερίων. Στο ένθετο παρουσιάζεται ο αισθητήρας, όπου διακρίνονται οι διαδρομές του χαλκού, το στρώμα ομαλοποίησης της<br />
επιφάνειας του οργανικού υποστρώματος FR4, (αρνητικού τόνου φωτο-ευαισθητοποιητής SU-8) και τα αισθητήρια στοιχεία<br />
(διαδρομές πλατίνας).<br />
82
ΔP (mW)<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
0 500 1000 1500 2000 2500<br />
105mW<br />
125mW<br />
40mW<br />
70mW<br />
0 2 4 6 8 10<br />
Flow Rate (SLPM)<br />
Εικ. 2 Η μεταβολή στην τιμή της παρεχόμενης ισχύος<br />
στον θερμαντήρα (ΔP) ως συνάρτηση της ροής<br />
ΔR (Ohm)<br />
0,18<br />
0,16<br />
0,14<br />
0,12<br />
0,10<br />
0,08<br />
0,06<br />
0,04<br />
0,02<br />
0,00<br />
αισθητήριων στοιχείων.<br />
Reynolds Number<br />
Reynolds Number<br />
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8<br />
70mW (5-7.5mm)<br />
100mW (5-7.5mm)<br />
70mW (3.75-5mm)<br />
70mW (3.75-10mm)<br />
-0,02<br />
-25 0 25 50 75 100 125<br />
Flow Rate (μl/min)<br />
Εικ 3 Η διαφορά στην τιμή της αντίσταση των<br />
αντιστατών εκατέρωθεν του θερμαντήρα ΔR, ως<br />
συνάρτηση της ροής, για διάφορες τιμές της αρχικής<br />
ισχύος. Επιπλέον παράμετρος η απόσταση των<br />
αισθητήριων στοιχείων από το θερμαντήρα<br />
3.1 Αισθητήρας ροής αερίου (P1)<br />
Ο αισθητήρας ροής αερίου (τύπος P1) αποτελείται από τρεις<br />
όμοιους αντιστάτες πλατίνας τοποθετημένους παράλληλα σε<br />
απόσταση 500μm μεταξύ τους, όπως φαίνεται στο ένθετο της Εικ. 1.<br />
Προκειμένου να χαρακτηριστεί πλήρως ο αισθητήρας, διενεργήθηκε<br />
ένας μεγάλος όγκος μετρήσεων σε διαφορετικές περιοχές τιμών<br />
ροής, από 0-100 SLPM. Στην Εικ. 2 παρουσιάζεται η μεταβολή της<br />
ισχύος του θερμαντήρα ΔΡ σαν συνάρτηση της ροής Ν 2 , για ροές 0-<br />
10 SLPM. Η απόκριση του αισθητήρα παρουσιάζει μια απόκλιση<br />
για ροές μεγαλύτερες από 8 SLPM, η οποία οφείλεται στην<br />
μετάβαση από στρωτή σε τυρβώδη ροή. Η συγκεκριμένη τιμή της<br />
ροής αντιστοιχεί σε αριθμό Reynolds ~1800 και είναι συμβατή με<br />
ότι προβλέπεται από την θεωρία. Σε γενικές γραμμές στην<br />
περίπτωση του αισθητήρα αερίου, τόσο το μέγεθος ΔP όσο και το<br />
ΔR μπορούν να αποδώσουν πληροφορίες για την τιμή της ροής.<br />
Γενικά η μέτρηση του μεγέθους ΔR πλεονεκτεί σε σχέση με αυτή<br />
της μέτρησης του ΔP όσον αφορά την επαναληψιμότητα των τιμών,<br />
την μειωμένη διακύμανση της εκάστοτε τιμής για δεδομένη ροή και<br />
την ευαισθησία σε μικρές τιμές της ροής. Αντίθετα, το ΔP<br />
πλεονεκτεί στο ότι παραμένει γνησίως αύξουσα συνάρτηση της<br />
ροής για πολύ μεγαλύτερο φάσμα του πεδίου τιμών.<br />
3.2 Αισθητήρας ροής υγρού (P2)<br />
Ο συγκεκριμένος αισθητήρας είναι ελαφρά διαφοροποιημένος σε<br />
σχέση με τον προηγούμενο αισθητήρα στο ότι η διάταξη των<br />
μετρητικών αντιστάσεων στο χώρο είναι τέτοια που επιτρέπει<br />
ποικιλία δυνατών συνδυασμών διαφορετικών αποστάσεων μεταξύ<br />
αυτών και της θερμαινόμενης αντίστασης. Όσον αφορά την<br />
μετρητική διάταξη, αυτή διαφέρει σε σχέση με αυτή της Εικ. 1<br />
κυρίως σε σχέση με τον τρόπο παροχής της ροής του ρευστού. Η<br />
τιμή της ροής του ρευστού (νερό βρύσης) καθορίζεται με τη<br />
βοήθεια μιας syringe pump. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ο<br />
αισθητήρας είναι τοποθετημένος σε κανάλι διατομής 4,5mm x 1mm<br />
και μήκους 6cm. Η Εικ. 3 παρουσιάζει τα αποτελέσματα της<br />
μέτρησης σε κατάσταση λειτουργίας όπου διατηρείται σταθερή η<br />
θερμοκρασία του θερμαντήρα, για διαφορετικές αποστάσεις<br />
αισθητηρίων αντιστάσεων πριν (upstream) και μετά (downstream)<br />
από το μέτωπο της ροής και διαφορετικές τιμές της αρχικής ισχύος<br />
στο θερμαντήρα. Όπως προκύπτει, η περιοχή γραμμικής απόκρισης<br />
του αισθητήρα μπορεί σε πρώτη προσέγγιση να θεωρηθεί το πεδίο<br />
τιμών 0-50μl/min. Από τη γραφική παράσταση είναι προφανής η<br />
επίδραση της παρεχόμενης ισχύος τόσο στην ευαισθησία της<br />
συσκευής όσο και στο εύρος της γραμμικής περιοχής απόκρισης<br />
του αισθητήρα. Τα συγκεκριμένα μεγέθη παρουσιάζονται επιπλέον<br />
εξαρτώμενα και από το συνδυασμό των αποστάσεων των<br />
4. Συμπεράσματα<br />
Στην παρούσα εργασία παρουσιάστηκε η μετρητική διάταξη καθώς και τα λειτουργικά αποτελέσματα δύο αισθητήρων ροής<br />
βασισμένων σε καινούρια τεχνολογία κατασκευής θερμικών αισθητήρων. Στην περίπτωση του αισθητήρα αερίου τα μεγέθη<br />
ΔR και ΔP είναι γνησίως μονότονες συναρτήσεις για όλο το φάσμα της ροής από 0-100 SLPM, ενώ για την περίπτωση του<br />
αισθητήρα υγρών η γραμμική σχέση μεταξύ ΔR και ρυθμού ροής διατηρείται στην περιοχή 0-50μl/min. Οι αισθητήρες<br />
παρουσιάζουν υψηλή ευαισθησία για τις συγκεκριμένες διαστάσεις των καναλιών και τις τιμές ροών που χρησιμοποιήθηκαν.<br />
Το γεγονός αυτό κατά κύριο λόγο αποδίδεται στη χαμηλή θερμική αγωγιμότητα των υλικών που αποτελούν τις διατάξεις και<br />
στην απουσία μετάλλων στο κυρίως σώμα του αισθητήρα, πέρα από τους πολύ μικρής θερμικής μάζας αντιστάτες πλατίνας.<br />
Ευχαριστίες<br />
Αυτή η εργασία συγχρηματοδοτείται κατά 75% από την Ευρωπαϊκή Ένωση και 25% από την Ελληνική Κυβέρνηση, κάτω<br />
από το πλαίσιο της εκπαίδευσης και του αρχικού προγράμματος επαγγελματικής κατάρτισης – Αρχιμήδης και του<br />
προγράμματος ΠΕΝΕΔ.<br />
Αναφορές<br />
[1] I. Hassan, J. of Heat Transfer 128 (11) (2006) 1221-1233<br />
[2] S. Wu, Q. Lin, Y. Yuen, Y.-C. Tai, Sens and Actuators A 89 (2001) 152-158<br />
[3] G. Kaltsas, A. Petropoulos, K. Tsougeni, D. N. Pagonis, T. Speliotis, E. Gogolides, A. G. Nassiopoulou, Phonons 2007,<br />
Paris, France, July 15-20, 2007 (to be presented)<br />
83
Βελτιστοποίηση της Εξωτερικής Απόδοσης Οργανικών Διόδων Εκπομπής Φωτός<br />
(OLEDs) Με Χρήση Θεωρητικού Μοντέλου<br />
Α. Κορρές 2 , Ν. Σταθόπουλος 2 , Π. Αργείτης 1 και Μ. Βασιλοπούλου 1*<br />
1 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. Δημόκριτος, Αγία Παρασκευή, Αθήνα, 153 10<br />
2 Τμήμα Ηλεκτρονικής, Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά, Αιγάλεω, 122 44<br />
(* mariva@imel.demokritos.gr)<br />
Η μελέτη της εσωτερικής και εξωτερικής κβαντικής απόδοσης των οργανικών διόδων εκπομπής φωτός (OLEDs) έχει<br />
προσελκύσει ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια. Έχει αναφερθεί [1] ότι παρόλο που η βελτίωση της<br />
εσωτερικής κβαντικής απόδοσης των OLEDs σχετίζεται άμεσα με την φύση των υλικών εκπομπής, η εξωτερική κβαντική<br />
απόδοση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την δομή της συσκευής. Συγκεκριμένα, η απόδοση της διόδου εξαρτάται από το<br />
πάχος και το δείκτη διάθλασης των επιμέρους διαστρωματώσεων από τα οποία αποτελείται η OLED (διαστρωμάτωση<br />
εκπομπής, κατάλληλες διαστρωματώσεις για έγχυση ηλεκτρονίων και οπών από την κάθοδο και την άνοδο αντίστοιχα,<br />
καθώς και τη μεταφορά ηλεκτρονίων και οπών), τους ανακλαστήρες (μεταλλικοί ή πολλαπλών διαστρωματώσεων DBR)<br />
αλλά και από το φάσμα του υλικού εκπομπής [1]. Ο στόχος αυτής εργασίας είναι να προταθεί η κατάλληλη δομή της OLED<br />
για βέλτιστη εξωτερική απόδοση. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται ένα οπτικό μοντέλο που έχει προταθεί στο παρελθόν<br />
για την αντιμετώπιση παρόμοιων προβλημάτων [2] και το οποίο προσαρμόζεται στις ανάγκες του συγκεκριμένου<br />
προβλήματος.<br />
Στο Σχήμα 1 παρατίθεται η δομή μιας OLED. Πάνω σε υπόστρωμα γυαλιού έχει εναποτεθεί υμένιο διοξειδίου του<br />
Κασσιτέρου εμπλουτισμένου με τριοξείδιο του Ινδίου (ΙΤΟ) και το οποίο αποτελεί την άνοδο της διόδου. Ακολούθως<br />
επιστρώνεται μέσω μηχανικής περιστροφής από διάλυμα υμένιο (PEDOT-PSS) που υποβοηθά την έγχυση οπών από την<br />
άνοδο στο υμένιο εκπομπής, το οποίο στην προκειμένη περίπτωση είναι πολυβινυλική καρβαζόλη (PVK), και το οποίο<br />
επιστρώνεται επίσης με τη μέθοδο της μηχανικής περιστροφής από διάλυμα. Τέλος, εναποτίθεται το ηλεκτρόδιο της<br />
καθόδου, που αποτελείται από Αλουμίνιο, μέσω εξάχνωσης.<br />
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται η διασπορά του πραγματικού μέρους του δείκτη διάθλασης σε συνάρτηση με το μήκος<br />
κύματος, τόσο για το ίδιο το PVK (εκπομπή στα 413 nm), όσο και για τρία άλλα υλικά που έχουν προκύψει από το PVK με<br />
την εισαγωγή σ’ αυτό κατάλληλων φωτοεκπεμπουσών ουσιών, ώστε να εκπέμπουν στα τρία βασικά χρώματα (Κόκκινο-<br />
Πράσινο-Μπλε) [3].<br />
-<br />
AL (300 nm)<br />
1.78<br />
+<br />
EMITTING LAYER (100 nm)<br />
PEDOT-PSS (100 nm)<br />
ITO (100 nm)<br />
GLASS<br />
N (REFRACTIVE INDEX)<br />
1.76<br />
1.74<br />
1.72<br />
1.7<br />
1.68<br />
1.66<br />
1.64<br />
400 500 600 700<br />
RED PIXEL<br />
GREEN<br />
PIXEL<br />
BLUE PIXEL<br />
PVK<br />
WAVELENGH (NM)<br />
Σχήμα 1 Η τυπική δομή της<br />
OLED.<br />
Σχήμα 2 Το πραγματικό μέρος του δείκτη διάθλασης<br />
του PVK συναρτήσει με το μήκος κύματος.<br />
Η μοντελοποίηση της συγκεκριμένης διάταξης έγινε με την βοήθεια ενός οπτικού μοντέλου [2,4,5,6] σύμφωνα με<br />
το οποίο στο υλικό εκπομπής υπάρχει αριθμός από αυθαίρετα προσανατολισμένα δίπολα τα οποία εκπέμπουν προς<br />
οποιαδήποτε κατεύθυνση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή μη πολωμένου φωτός από την συσκευή. Η μέση συνολική<br />
ένταση ακτινοβολίας για κάθε μήκος κύματος μέσα σε συγκεκριμένο περιβάλλον (γυαλί ή αέρας), μπορεί να υπολογιστεί<br />
λαμβάνοντας υπόψη τους συντελεστές μετάδοσης και ανάκλασης των διαφόρων στρωμάτων της διάταξης του Σχήματος 1<br />
και τα οποία βρίσκονται είτε πάνω από το στρώμα εκπομπής (Αλουμίνιο στο Σχήμα 1) είτε από κάτω (PEDOT-PSS, ITO και<br />
γυαλί). Εισάγοντας τη διασπορά του δείκτη διάθλασης του υλικού εκπομπής στο οπτικό μας μοντέλο αναμένουμε να<br />
84
υπολογίσουμε θεωρητικά την εξωτερική απόδοση της συσκευής (ειδικότερα το λόγο της εκπεμπόμενης ισχύος από τη<br />
συσκευή σε σχέση με εκείνη που θα εξέπεμπε το υλικό μας αν δεν υπήρχαν οι υπόλοιπες διαστρωματώσεις στη συσκευή).<br />
Για την βελτιστοποίηση της εξωτερικής απόδοσης της συσκευής μελετήθηκε η επίδραση του πάχους του<br />
στρώματος εκπομπής του στρώματος PEDOT-PSS. Στο Σχήμα 3 παρουσιάζονται αποτελέσματα του μοντέλου για το φάσμα<br />
εκπομπής συναρτήσει του μήκους κύματος. Το πάχος του PEDOT-PSS σε όλες τις μετρήσεις παραμένει σταθερό και ίσο με<br />
100nm ενώ το πάχος του στρώματος εκπομπής κυμαίνεται ανάμεσα στα 60nm και στα 100nm. Το σημείο επανασύνδεσης<br />
των φορέων μέσα στο στρώμα του PVK θεωρούμε ότι βρίσκεται στα 20nm από το αλουμίνιο και ότι ο δείκτης διάθλασης<br />
του αλουμινίου είναι ίσος με 1+6j [2]. Όπως παρατηρούμε η μορφή της καμπύλης απόδοσης (πιο συγκεκριμένα της<br />
κανονικοποιημένης οπτικής ισχύος) της συσκευής για όλα τα πάχη του στρώματος εκπομπής είναι παρόμοια. Για την<br />
επιλογή του κατάλληλου πάχους του PVK θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η απόδοση και η μορφή της καμπύλης στο εύρος<br />
μηκών κύματος που μας ενδιαφέρει. Συγκεκριμένα, η απόδοση θα πρέπει να είναι υψηλή ενώ η μορφή της καμπύλης θα<br />
πρέπει να είναι όσο το δυνατόν επίπεδη ώστε όλα τα μήκη κύματος που συμμετέχουν στην εκπομπή να ενισχύονται<br />
περισσότερο ομοιόμορφα. Η απόκριση που ανταποκρίνεται καλύτερα στις προϋποθέσεις που θέσαμε παραπάνω είναι για<br />
πάχος του στρώματος εκπομπής ίσο με 80nm. Στο Σχήμα 4 παρουσιάζεται το διάγραμμα ακτινοβολίας (οπτική ισχύς σε<br />
διάφορες γωνίες από 0 έως και 90 μοίρες) για διατάξεις OLED με πάχος PEDOT-PSS 100 nm και πάχος υμενίου εκπομπής<br />
80 nm, αλλά με διαφορετικό υλικό εκπομπής η καθεμία, ώστε να εκπέμπεται διαφορετικό χρώμα από τη διάταξη. Στο Σχήμα<br />
4 φαίνεται και η ισοτροπική καμπύλη, που θεωρείται η ιδανική.<br />
Microcavity Efficiency<br />
0.56<br />
0.54<br />
0.52<br />
0.50<br />
0.48<br />
60 nm<br />
70 nm<br />
80 nm<br />
100 nm<br />
0.46<br />
0.44<br />
0.42<br />
PEDOT=100nm<br />
0.40<br />
400 450 500 550 600 650 700<br />
Wavelenght (nm)<br />
0.20<br />
PEDOT=100nm_PVK=80nm<br />
0.16<br />
red<br />
0.12<br />
0.08<br />
0.04<br />
green<br />
blue<br />
isotropic<br />
0.00<br />
0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20<br />
Σχήμα 3 Κανονικοποιημένη απόδοση μιας OLED<br />
βασισμένης στο PVK για πάχος του PEDOT-PSS 100<br />
nm και πάχος του στρώματος εκπομπής PVK από 60<br />
έως 100 nm<br />
Σχήμα 4 Διάγραμμα ακτινοβολίας για διατάξεις OLED<br />
βασισμένων σε PVK, με δυνατότητα εκπομπής στα<br />
τρία βασικά χρώματα, με πάχος PEDOT-PSS 100 nm<br />
και πάχος υμενίου εκπομπής 80 nm.<br />
Αναφορές<br />
[1] J.Shinar ‘Organic Light-Emitting Devices’ Springer 2004.<br />
[2] K.A.Neyts ‘Simulation of light emission from thin-film microcavities’ JOSA A, 15, 4, (1998) pp 962-971.<br />
[3] M. Vasilopoulou, G. Pistolis, and P. Argitis, International Conference on Organic Electronics, Eindhoven,<br />
June 2006.<br />
[4] K.A.Neyts, P. De Visschere, D.K.Fork, G.B.Anderson ‘Semitransparent metal or distributed Bregg reflector<br />
for wide-viewing-angle organic light-emitting-diode microcavities’ JOSA B, 17, 1, (2000) pp 114-119.<br />
[5] H.Riel, S.Karg, T.Beiertein, W.Reiβ, K.Neyts ‘Tuning the emission characteristics of top-emitting organic<br />
light-emitting devices by means of a dielectric capping layer: An experimental and theoretical study’ J. Appl. Ph.<br />
94, 8, (2003), pp 5290-5296.<br />
[6] K.Neyts ‘Microcavity effects and the outcoupling of light in displays and lighting applications based on thin<br />
emitting films’ Applied Surface Science, 244, (2005), pp 517-523.<br />
Ευχαριστίες<br />
Η έρευνα πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος “Αρχιμήδης: χρηματοδότηση ερευνητικών<br />
προγραμμάτων στα Τ.Ε.Ι. Πειραιά” με χρηματοδότηση από την Ευρωπαϊκή Ένωση (75%) και υπουργείο Παιδείας και<br />
Θρησκευμάτων (25%).<br />
85
Σύστημα Ηλεκτροπτικού Χαρακτηρισμού Οργανικών Διόδων Εκπομπής Φωτός<br />
(OLEDs)<br />
Α. Μποτσιαλάς 1,2 , Ν. Σταθόπουλος 2 , Π. Αργείτης 1 και Μ. Βασιλοπούλου 1 *<br />
1 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. Δημόκριτος, Αγία Παρασκευή, Αθήνα, 153 10<br />
2 Τμήμα Ηλεκτρονικής, Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά, Αιγάλεω, 122 44<br />
(* mariva@imel.demokritos.gr)<br />
Οι οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός (OLEDs: Organic Light Emitting Diodes) είναι οπτoηλεκτρονικές διατάξεις<br />
τεχνολογίας αιχμής, πολλά υποσχόμενες σε μελλοντικές εφαρμογές αλλά και σε εφαρμογές που ήδη διατίθενται στο<br />
εμπόριο. Κύριες εφαρμογές αφορούν στην περιοχή των οθονών: κινητά τηλέφωνα, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, σε<br />
επίπεδες εύκαμπτες οθόνες υπολογιστών και τηλεοράσεων καθώς και σε πιο ειδικές εφαρμογές όπως φωτιστικά σώματα<br />
χώρου μεγάλης επιφάνειας, φωτισμός ασφαλείας σε αυτοκίνητα ή ακόμη και ενδύματα.<br />
Η λειτουργία τους βασίζεται σε οργανικά υλικά τα οποία έχουν ημιαγώγιμη συμπεριφορά, λόγω της εκτεταμένης<br />
συζυγίας απλών και διπλών δεσμών που παρουσιάζουν. Η κίνηση των ηλεκτρικών φορέων στο εσωτερικό αυτών των<br />
υλικών, υπό κάποιες προϋποθέσεις μπορεί να προκαλέσει επανασυνδέσεις φορέων που να οδηγούν σε εκπομπή φωτός. Στο<br />
Σχήμα 1 φαίνεται η δομή και το ενεργειακό διάγραμμα μιας μονοστρωματικής OLED. Πάνω σε υπόστρωμα γυαλιού έχει<br />
εναποτεθεί υμένιο διοξειδίου του Κασσιτέρου εμπλουτισμένου με τριοξείδιο του Ινδίου (ΙΤΟ) και το οποίο αποτελεί την<br />
άνοδο της διόδου. Ακολούθως επιστρώνεται μέσω μηχανικής περιστροφής από διάλυμα το υμένιο εκπομπής, το οποίο στην<br />
προκειμένη περίπτωση είναι πολυβινυλική καρβαζόλη (PVK). Τέλος, εναποτίθεται το ηλεκτρόδιο της καθόδου, που<br />
αποτελείται από Αλουμίνιο, μέσω εξάχνωσης. Στο ίδιο Σχήμα φαίνεται η επιθυμητή διευθέτηση των ενεργειακών επιπέδων<br />
μιας διάταξης OLED, ώστε να είναι δυνατή η έκχυση ηλεκτρονίων και οπών (από την κάθοδο και την άνοδο αντίστοιχα) στο<br />
υμένιο εκπομπής, ώστε μέσω των επανασυνδέσεων που θα ακολουθήσουν, να έχουμε εκπομπή φωτός. Η βελτιστοποίηση της<br />
παραπάνω απλής δομής (για παράδειγμα με επίστρωση υμενίου (PEDOT-PSS) μεταξύ του ΙΤΟ και του PVK, που υποβοηθά<br />
την έγχυση οπών από την άνοδο στο στρώμα εκπομπής) οδηγεί στην ανάπτυξη διατάξεων με καλύτερες επιδόσεις και<br />
χαρακτηριστικά.<br />
Vacuum<br />
Μέταλλο καθόδου<br />
(Al, Ca, Mg, Ag)<br />
E A<br />
Φ Al<br />
LUMO<br />
Αγώγιμο πολυμερές<br />
Φ ITO<br />
I P<br />
ΔΕe<br />
ΙΤΟ (Διαφανής άνοδος)<br />
Υπόστρωμα γυαλιού<br />
HOMO<br />
ΔΕ h<br />
ITO<br />
Αγώγιμο<br />
πολυμερές<br />
Al<br />
Σχήμα 1 Σχηματική δομή και ενεργειακό διάγραμμα μιας διάταξης μονοστρωματικής OLED.<br />
Οι OLEDs σαν οπτοηλεκτρονικές διατάξεις πρέπει να χαρακτηρίζονται ταυτόχρονα ως προς τα ηλεκτρικά μεγέθη<br />
που τις οδηγούν και τα φωτομετρικά μεγέθη που προκύπτουν από την λειτουργία τους. Μερικά μεγέθη που είναι κρίσιμα για<br />
τον χαρακτηρισμό των OLEDs είναι η χαρακτηριστική I-V-L, το φάσμα ακτινοβολίας, οι CIE χρωματικοί συντελεστές x,y<br />
και μια σειρά συντελεστών απόδοσης[1], με πιο σημαντικές την εξωτερική κβαντική απόδοση και την απόδοση ισχύος.<br />
Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη ενός συστήματος ηλεκτροπτικού χαρακτηρισμού, που λαμβάνει μετρήσεις για όλα τα<br />
παραπάνω μεγέθη. Η διάταξη είναι ελεγχόμενη από Η/Υ, για να είναι δυνατή η εκτέλεση σάρωσης σε όλο το εύρος<br />
λειτουργίας μιας OLED, ενώ για τον έλεγχό της αναπτύχθηκε κατάλληλο λογισμικό, σε περιβάλλον LabVIEW, το οποίο<br />
διαχειρίζεται και την διαλογή, επεξεργασία και απεικόνιση των αποτελεσμάτων στον χρήστη. Τα βασικά στοιχεία της<br />
διάταξης είναι μια πηγή τάσης με ένα αμπερόμετρο ακριβείας, για τον έλεγχο της τροφοδοσίας και ένα φασματοφωτόμετρο<br />
τεχνολογίας CCD για την μέτρηση των οπτικών χαρακτηριστικών λειτουργίας της OLED. Κατάλληλη οπτική ίνα<br />
χρησιμοποιείται για την συλλέξει και να οδηγήσει το φως της OLED (η οποία βρίσκεται σε σκοτεινό θάλαμο) στο<br />
φασματοφωτόμετρο. Στο Σχήμα 2 απεικονίζεται το σύστημα μέτρησης των διατάξεων OLED που περιγράφτηκαν παραπάνω.<br />
86
Σχήμα 2 Σύστημα ηλεκτροπτικού χαρακτηρισμού διατάξεων OLEDs.<br />
Μεγάλη σημασία έχει δοθεί στην μέθοδο με την οποία γίνεται η συλλογή του φωτός, αφού είναι καθοριστικός<br />
παράγοντας σε μια σειρά υπολογισμών[1] που ακολουθεί στην επεξεργασία των δεδομένων. Αποτελεί δε, την πιο<br />
ουσιαστική διαφορά του συστήματος αυτού με παρόμοια που χρησιμοποιούνται για τον ηλεκτροπτικό χαρακτηρισμό<br />
ανόργανων LED. Η χρήση της τεχνολογίας CCD στην ανάπτυξη φασματοφωτόμετρων τα τελευταία χρόνια έχει οδηγήσει<br />
στην ανάπτυξη νέων μεθόδων υπολογισμού της απόδοσης των OLEDs, οι οποίες θεωρούνται περισσότερο ακριβείς [2].<br />
Στο Σχήμα 3 φαίνονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων για μια κόκκινη OLED. Επίσης ελήφθησαν μετρήσεις<br />
της οπτικής ισχύος σε συνάρτηση με την τάση, ενώ προέκυψε η εξωτερική κβαντική απόδοση και οι χρωματικοί δείκτες<br />
(x=0.52, y=0.36). Μελλοντικές δυνατότητες που θα μπορούσαν να ενσωματωθούν στο σύστημα θα μπορούσαν να<br />
σχετίζονται με τη μελέτη της σταθερότητας της απόδοσης των OLED στον χρόνο, ή τη μελέτη της ταχύτητας απόκρισής<br />
τους.<br />
Σχήμα 3 Καμπύλη Ρεύματος-Τάσης (I-V) και φάσμα εκπομπής μιας κόκκινης OLED.<br />
Αναφορές.<br />
[1] Stephen R. Forest, Donal D. C. Bradley, Mark E. Thomson ‘Measuring the Efficiency of Organic Light-Emitting<br />
Devices’ Advanced Materials 2003,15,No.13, July 4.<br />
[2] Isao Tanaka, Shizuo Tokito ‘Precise Measurement of External Quantum Efficiency of Organic Light-Emitting Devices’<br />
Japanese Journal of Applied Physics Vol. 43, No. 11A, 2004, pp. 7733-7736.<br />
Ευχαριστίες<br />
Η έρευνα πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος “Αρχιμήδης: χρηματοδότηση ερευνητικών<br />
προγραμμάτων στα Τ.Ε.Ι. Πειραιά” με χρηματοδότηση από την Ευρωπαϊκή Ένωση (75%) και υπουργείο Παιδείας και<br />
Θρησκευμάτων (25%).<br />
87
1 η Συνεδρία Αφίσας<br />
«Συστήματα με Ισχυρές Συσχετίσεις»
Μελέτη των Μηχανισμών Αγωγιμότητας του LiCuVO 4 με Φασματοσκοπία Σύνθετης<br />
Αντίστασης.<br />
Α. Καζακόπουλος 1* , Ο. Καλογήρου 2<br />
1 Τμήμα Ηλεκτρονικής, ΤΕΙ Θεσσαλονίκης Τ.Θ. 141 Τ.Κ. 57400<br />
2 Τμήμα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τ.Κ. 54124<br />
* e-mail: kazak@el.teithe.gr<br />
Περίληψη<br />
Το υλικό LiCuVO 4 παρασκευάσθηκε με αντίδραση στερεάς κατάστασης στους 530 ºC για 7 ημέρες.<br />
Έγιναν μετρήσεις σύνθετης αντίστασης σε δισκία του υλικού σε θερμοκρασίες από 150 έως 600 ºC ανά βήματα<br />
των 25 °C. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα των μετρήσεων, σχεδιάστηκαν ισοδύναμα κυκλώματα, όπου κάθε<br />
στοιχείο αντιπροσωπεύει μια μοναδική διαδικασία αγωγιμότητας μέσα στο υλικό. Σχεδιάσθηκαν τα διαγράμματα<br />
Arrhenius των μηχανισμών αγωγιμότητας που εμφανίζονται στα ισοδύναμα κυκλώματα και υπολογίσθηκαν οι<br />
ενέργειες ενεργοποίησης των αντίστοιχων μηχανισμών. Η ενέργεια ενεργοποίησης του μηχανισμού αγωγιμότητας<br />
που σχετίζεται με την χωρητικότητα δείγματος-ηλεκτροδίου βρέθηκε 1,10 eV, η ενέργεια ενεργοποίησης του<br />
μηχανισμού αγωγιμότητας δια μέσου των ορίων των κόκκων βρέθηκε 0,89 eV σε θερμοκρασίες από 150 έως 450<br />
ºC και 1,89 eV σε θερμοκρασίες από 450 έως 600 ºC και η ενέργεια ενεργοποίησης στο εσωτερικό των κόκκων<br />
βρέθηκε 2,05 eV.<br />
Λέξεις κλειδιά: Μπαταρίες Λιθίου, Φασματοσκοπία σύνθετης αντίστασης, LiCuVO 4 , Ιοντική αγωγιμότητα.<br />
1. Εισαγωγή<br />
Από το 1990 έχει γίνει μεγάλη προσπάθεια για να βρεθούν υλικά τα οποία να μπορούν να<br />
χρησιμοποιηθούν σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου με σκοπό να αυξηθεί η ενεργειακή πυκνότητα και να<br />
μειωθεί το κόστος. Στην κατηγορία των υλικών LiMVO 4 , όπου Μ=Cu, Ni, Co, Zn, Cd, Mg και Be δόθηκε μεγάλη<br />
σημασία στο LiNiVO 4 και LiCuVO 4 τα οποία έχουν δομή ανάστροφου σπινελίου και στα οποία μπορεί να διαχυθεί<br />
το Li [1]. Η δομή του LiCuVO 4 είναι ορθορομβική και το υλικό αυτό είναι επίσης κατάλληλο για διάχυση ιόντων<br />
λιθίου [2,3]. Εντούτοις, η διάχυση λιθίου είναι αρκετά αργή διότι οι οδοί διάχυσης εμποδίζονται από την παρουσία<br />
ακίνητων ιόντων [4]. Εξαιτίας της ανάπτυξης και επικράτησης υλικών με μεγαλύτερη τάση διάχυσης όπως LiNiO 2 ,<br />
LiMn 2 O 4 και LiCoO 2 η έρευνα σε υλικά με χαμηλή τάση διάχυσης όπως το LICuVO 4 καθυστέρησε. Απ’ όσο<br />
γνωρίζουμε δεν υπάρχει μελέτη των μηχανισμών αγωγιμότητας του LiCuVO 4 . Ο σκοπός αυτής της δημοσίευσης<br />
είναι η μελέτη των μηχανισμών αγωγιμότητας στο LiCuVO 4 σε θερμοκρασίες από 150 έως 600 ºC<br />
χρησιμοποιώντας μετρήσεις σύνθετης αντίστασης σε συχνότητες από 42 Hz έως 1 ΜΗz για την διεξαγωγή της<br />
μελέτης της διάχυσης του Li και της κινητικότητας του στην ορθορομβική δομή.<br />
2. Πειραματικά<br />
Το LiCuVO 4 παρασκευάσθηκε με αντίδραση στερεάς κατάστασης [1]<br />
Li<br />
o<br />
530 C,7days<br />
2CO3<br />
+ CuO + V2O5<br />
⎯⎯ ⎯⎯→2<br />
2 LiCuVO + CO<br />
Το υλικό χαρακτηρίσθηκε χημικά με μικροανάλυση ηλεκτρονικής δέσμης (EDAX). Το μέσο μέγεθος των<br />
κόκκων μετρήθηκε με φωτογραφίες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Η δομή επιβεβαιώθηκε με<br />
περίθλαση σκόνης ακτινών X (XRD) χρησιμοποιώντας ακτινοβολία CuKα1. Οι μετρήσεις σύνθετης αντίστασης<br />
έγιναν σε δισκία με διάμετρο 16 mm με πάχος 2 mm τα οποία κατασκευάσθηκαν εφαρμόζοντας πίεση 5 ton/cm 2<br />
για 30 δευτερόλεπτα σε καλούπι με διάμετρο 16 mm. Τα ηλεκτρόδια ήταν από νικέλιο. Για τις μετρήσεις<br />
χρησιμοποιήθηκε ο αναλυτής σύνθετης αντίστασης HIOKI 3532-50 ο οποίος έχει εύρος συχνοτήτων από 42 Hz<br />
έως 1MHz. Έγιναν μετρήσεις για να προσδιορισθεί η περιοχή των τάσεων όπου το υλικό παρουσιάζει γραμμική<br />
συμπεριφορά. Αποφασίσθηκε να γίνουν μετρήσεις με εφαρμοζόμενη τάση 150 mV στην οποία το υλικό<br />
συμπεριφέρεται γραμμικά. Η σύνθετη αντίσταση του υλικού μετρήθηκε σε 100 τιμές συχνοτήτων λογαριθμικά<br />
κατανεμημένες στην περιοχή από 42 έως 10 6 Hz και σε θερμοκρασίες από 150 έως 600 ºC με βήματα των 25 ºC.<br />
Ο χρόνος σταθεροποίησης πριν από την λήψη των μετρήσεων ήταν 1 ώρα και η θερμοκρασιακή απόκλιση κατά<br />
την διάρκεια των μετρήσεων λιγότερη από 1ºC. Η θερμοκρασία ελεγχόταν από τον ελεγκτή θερμοκρασίας<br />
Eurotherm 818P. Έγιναν μετρήσεις θερμοβαρυτικής ανάλυσης (ΤG-DTA) με εξοπλισμό SETARAM SETSYS TG-<br />
DTA 1750, αμέσως μετά την παρασκευή του υλικού καθώς και μετά την προθέρμανση του στους 300 ºC.<br />
3. Αποτελέσματα και συζήτηση<br />
Στo διάγραμμα ακτινών Χ της παρασκευασθείσας σκόνης δεν βρέθηκαν επιπρόσθετες γραμμές οι<br />
οποίες θα μπορούσαν να αποδοθούν στην ύπαρξη προσμίξεων. Το υλικό δεικτοδοτήθηκε πλήρως στο<br />
ορθορομβικό κρυσταλλικό σύστημα, στην ομάδα συμμετρίας χώρου Imma. Οι εικόνες SEM έδειξαν ότι το μέγεθος<br />
των κόκκων είναι περίπου 10 μm. Όλες οι TG-DTA μετρήσεις δεν έδειξαν αλλαγή βάρους. Έγιναν μετρήσεις<br />
αγωγιμότητας σε συχνότητες 42 Hz -1MHz καθώς το δισκίο θερμάνθηκε στους 600 °C και στην συνέχεια ψύχθηκε<br />
στην θερμοκρασία περιβάλλοντος με σκοπό να μελετηθεί η επαναληψιμότητα των μετρήσεων και φαινόμενα<br />
υστέρησης. Οι μετρήσεις αυτές έγιναν με εφαρμογή τάσης 150 mV στο δισκίο. Τα φαινόμενα υστέρησης που<br />
παρατηρήθηκαν οφείλονται σε φαινόμενα τα οποία σχετίζονται με την αποκατάσταση της ηλεκτρικής<br />
4<br />
2<br />
88
ουδετερότητας καθώς τα ιόντα αναπηδούν ανάμεσα στις θέσεις του κρυσταλλικού πλέγματος. Η μικρή τιμή της<br />
ειδικής αγωγιμότητας ακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες δείχνει ότι το υλικό έχει πυκνή κρυσταλλική δομή, με<br />
στενούς διαύλους διέλευσης ιόντων, χωρίς καλά καθορισμένες οδούς αγωγιμότητας. Στους 600 °C η αγωγιμότητα<br />
είναι περίπου η ίδια, σε όλη την περιοχή συχνοτήτων από 42 Hz έως 1MHz. Αυτό εξηγείται γιατί σε υψηλές<br />
θερμοκρασίες η ηλεκτρική ουδετερότητα αποκαθίσταται αμέσως καθώς τα ιόντα αναπηδούν δια μέσου του<br />
πλέγματος. Κάτω από τους 500 °C το πραγματικό μέρος της ειδικής αντίστασης εξαρτάται ισχυρά από την<br />
συχνότητα και στις συχνότητες 50 και 100 Hz ο λογάριθμος της αγωγιμότητας είναι σχεδόν γραμμική συνάρτηση<br />
της θερμοκρασίας ενώ στις συχνότητες 1, 10, 100 KHz και 1 MHz στο διάγραμμα του λογαρίθμου της ειδικής<br />
αγωγιμότητας σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας υπάρχουν δύο σχεδόν γραμμικές περιοχές που δείχνουν την<br />
ύπαρξη τουλάχιστον δύο διαδικασιών αγωγιμότητας. Με την βοήθεια του προγράμματος EQUIVCRT.PAS [6]<br />
χρησιμοποιήθηκαν τα αποτελέσματα των μετρήσεων για να σχεδιασθούν ισοδύναμα κυκλώματα για τρεις<br />
θερμοκρασιακές περιοχές, Σχ. 1,2. Κάθε στοιχείο των ισοδυνάμων κυκλωμάτων με βάση την σταθερά χρόνου του<br />
αντιστοιχήθηκε σε μια διαδικασία αγωγιμότητας. Σχεδιάσθηκαν τα διαγράμματα Arrhenius που αντιστοιχούν στην<br />
κάθε διαδικασία αγωγιμότητας και από τις κλίσεις των αντίστοιχων ευθειών προσδιορίσθηκαν οι ενέργειες<br />
ενεργοποίησης των αντίστοιχων διαδικασιών.<br />
150 to 300 C<br />
r1<br />
Q1,n1 Cdl Q2, n2<br />
n=1 (×ùñçôéêüôçôá Cdl)<br />
Cdl: 0.9 E-11 to 3.1 E-11 F/cm n2=0.40 to 0.60<br />
r2<br />
325 to 350 C<br />
r1<br />
Q1,n1 Cdl<br />
r2<br />
üñéá ôùí êüêêùí<br />
grain boundary<br />
Q2, n2<br />
n1=0.87 to 0.85 n2=0.77 to 0.79<br />
äéá ìÝóïõ<br />
ôùí êüêêùí<br />
bulk<br />
Q3, n3<br />
n3= 0.41 to 0.33<br />
375 to 575 C<br />
r2<br />
üñéá ôùí êüêêùí<br />
grain boundary<br />
Q2,n2<br />
n2=0.84 to 0.86<br />
äéá ìÝóïõ<br />
ôùí êüêêùí<br />
bulk<br />
Q3, n3<br />
n3= 0.31 to 0.36<br />
Σχήμα 1. Ισοδύναμα κυκλώματα στις τρεις θερμοκρασιακές περιοχές<br />
- Φαντασικό μέρος (Ohm.cm)<br />
8.0M<br />
6.0M<br />
4.0M<br />
2.0M<br />
0.0<br />
0.0 5.0M 10.0M<br />
T=250 C o<br />
(Q 1<br />
r 1<br />
)(Q 2<br />
r 2<br />
)<br />
100.0k<br />
80.0k<br />
60.0k<br />
40.0k<br />
20.0k<br />
0.0<br />
Μετρήσεις<br />
Προσομοίωση<br />
T=350 C o<br />
(Q 1<br />
r 1<br />
)(Q 2<br />
r 2<br />
)Q 3<br />
0 100k 200k 300k<br />
8.0k<br />
6.0k<br />
4.0k<br />
2.0k<br />
T=450 o C<br />
(r 2<br />
Q 2<br />
)Q 3<br />
0.0<br />
14.0k 21.0k 28.0k<br />
Πραγματικό μέρος (Ohm.cm)<br />
Σχήμα 2. Αποτελέσματα μετρήσεων και προσομοίωση των αντίστοιχων ισοδύναμων κυκλωμάτων<br />
4. Συμπεράσματα<br />
Η μελέτη σύνθετης αντίστασης του υλικού LiCuVO 4 έδειξε ότι η αγωγιμότητα του υλικού αυξάνει με την<br />
θερμοκρασία, ένδειξη της ύπαρξης ιοντικής αγωγιμότητας. Η αγωγιμότητα αυξάνει με την συχνότητα αλλά πάνω<br />
από τους 500 °C είναι η ίδια σε όλη την περιοχή συχνοτήτων από 42 Hz έως 1 MHz. Από τα διαγράμματα<br />
Arrhenius των στοιχείων των ισοδυνάμων κυκλωμάτων που σχεδιάσθηκαν με βάση τα αποτελέσματα των<br />
μετρήσεων, υπολογίσθηκαν οι ενέργειες ενεργοποίησης που αντιστοιχούν στις διεργασίες αγωγιμότητας του<br />
υλικού. Η ενέργεια ενεργοποίησης που σχετίζεται με την χωρητικότητα δείγματος ηλεκτροδίου υπολογίσθηκε 1,10<br />
eV, η ενέργεια ενεργοποίησης που σχετίζεται με την διαδικασία αγωγιμότητας δια μέσου των ορίων κόκκων<br />
υπολογίσθηκε 0,89 eV σε θερμοκρασίες 150 έως 450 °C και 1,89 eV σε θερμοκρασίες 450 έως 600 °C. Η<br />
ενέργεια ενεργοποίησης αγωγιμότητας δια μέσου των κόκκων (bulk conductivity) υπολογίσθηκε 2,05 eV. Αυτό<br />
εξηγεί την πολύ χαμηλή αγωγιμότητα του υλικού σε χαμηλές θερμοκρασίες και την σημαντική αύξηση της σε<br />
υψηλές θερμοκρασίες.<br />
5. Αναφορές<br />
[1] George T. Fey and Donp-Liang Huang, Electrochim. Acta 45 (1999) 295<br />
[2] M. A. Lafontaine, M. Leblanc and G. Ferey, Acta Cryst. 45 (1989) 1205<br />
[3] A. V. Prokofiev, I.G. Vasilyeva, V.N. Ikorskii, V.V. Malakhov, I.P. Asanov and W. Assmus, J. Solid State<br />
Chemistry 177 (2004) 3131<br />
[4] R. Kanno, Y. Kawamoto, Solid State Ionics 40/41 (1990) 576<br />
[5] Solid State Electochemisty, ed. Peter G. Bruce, Cambridge University Press 1995, p. 22<br />
[6] Equivalent Circuit (EQUIVCRT.PAS) Bernard A. Boukamp, University of Twente.<br />
[7] Impedance Spectroscopy, ed. Evgenij Barsoukov, J. Ross Macdonald, Wiley 2005, p. 240<br />
[8] A. Kaiser, J.L. Bradley, P.R. Slater, J.T.S. Irvine, Solid State Ionics 135 (2000) 519<br />
[9] E. Lilley and J. E. Strutt, Phys. Stat. Sol. (a) 54 (1979) 639<br />
89
Ανάπτυξη και Μελέτη Διαμεταλλικών Ενώσεων Gd-Fe-Nb-Zr<br />
Χ. Σαραφίδης 1 , N. Scheloudko 2 , Χ. Σερλέτης 1 , Κ.Γ. Ευθυμιάδης 1 , Α. Κωτούλας 1 , Μ. Γκιόκα 3 και Ο. Καλογήρου 1, *<br />
1 Τμήμα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 54124 Θεσσαλονίκη<br />
2 Faculty of Physics, “St. Kl. Ohridski” University of Sofia, 1164-Sofia, Bulgaria<br />
Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 15310 Αγ. Παρασκευή, Αττική<br />
*orestis.kalogirou@physics.auth.gr<br />
ΠΕΡΙΛΗΨΗ<br />
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης διαμεταλλικών ενώσεων ονομαστικής στοιχειομετρίας<br />
Gd 2.5 Fe 27.5 Nb x Zr y [x+y = 2.0 και (x,y)= (1.5,0.5), (1.0,1.0), (0.5,1.5)]. Η θερμοκρασία Curie αυξάνεται ελαφρά με την<br />
αύξηση της περιεκτικότητας σε Nb. Οι ενώσεις εμφανίζουν μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία εύκολου επιπέδου, η οποία<br />
οφείλεται στο υποπλέγμα του μεταβατικού μετάλλου.<br />
ΕΙΣΑΓΩΓΗ<br />
Οι ενώσεις τύπου Nd 3 (Fe,Ti) 29 (3:29) κρυσταλλώνονται στην Ο.Σ.Χ. Α2/m [1] και από την ανακάλυψή τους το 1994<br />
έχουν μελετηθεί συστηματικά για διάφορες σπάνιες γαίες, υπό το πρίσμα της πιθανής χρήσης τους σε εφαρμογές ως μονίμων<br />
μαγνητών. Η πολυπλοκότητα της μονοκλινούς δομής, που συμπεριλαμβάνει 11 διαφορετικές ισοδύναμες θέσεις ατόμων Fe,<br />
και το γεγονός ότι η δομή τύπου 3:29 μπορεί να θεωρηθεί ως ενδιάμεση φάση μεταξύ των γνωστών δομών τύπου 1:12 και<br />
2:17R, προσφέρει ένα ευρύ πεδίο μελέτης των αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής στις διαμεταλλικές ενώσεις σπάνιας γαίας –<br />
μεταβατικού μετάλλου.<br />
Μία συνηθισμένη μέθοδος βελτίωσης των μαγνητικών ιδιοτήτων των διαμεταλλικών ενώσεων πλούσιων σε Fe είναι η<br />
μερική αντικατάσταση του Fe με άλλα άτομα. Στην περίπτωσή μας χρησιμοποιήθηκε Nb και Zr για να μελετηθεί η<br />
δυνατότητα σχηματισμού της δομής με τα συγκεκριμένα συστατικά, ενώ σε επόμενο στάδιο θα διερευνηθεί η<br />
κρυσταλλογραφική διευθέτηση των ατόμων αυτών στο πλέγμα. Είναι γενικά γνωστό ότι το Zr στις διαμεταλλικές ενώσεις<br />
μπορεί να υποκαταστήσει τόσο άτομα σπάνιας γαίας όσο και άτομα μεταβατικού μετάλλου.<br />
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ<br />
Οι ενώσεις Gd 2.5 Fe 27.5 Nb x Zr y [x+y = 2.0 και (x,y)= (1.5,0.5), (1.0,1.0), (0.5,1.5)] παρασκευάστηκαν με την μέθοδο της<br />
τήξης σε κάμινο τόξου (arc–melting) από τις αντίστοιχες στοιχειακές πρώτες ύλες καθαρότητας 99.9 % κ.β. ή καλλίτερη υπό<br />
ατμόσφαιρα Ar. Μετά την αρχική όπτηση τα υλικά τυλίχθηκαν σε φύλλα Ta και εγκλείστηκαν υπό κενό 10 -6 mbar σε<br />
αμπούλες χαλαζία. Ακολούθησε ανόπτηση διάρκειας 72 ωρών σε θερμοκρασίες 1100 °C. Για τον χαρακτηρισμό των υλικών<br />
χρησιμοποιήθηκε περίθλαση σκόνης ακτίνων Χ (ακτινοβολία Cu Κα). Η θερμοκρασία Curie προσδιορίστηκε με<br />
θερμομαγνητικές μετρήσεις σε μαγνητόμετρο δονούμενου δείγματος υπό πεδίο 0.1 Τα, ενώ η μαγνητοκρυσταλλική<br />
ανισοτροπία αναλύθηκε με διαγράμματα ακτίνων Χ μαγνητικά προσανατολισμένων δειγμάτων με διεύθυνση<br />
προσανατολισμού κάθετη στο επίπεδο της δειγματοδόχης.<br />
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ & ΣΥΖΗΤΗΣΗ<br />
Τα διαγράμματα περίθλασης ακτίνων Χ και οι θερμομαγνητικές καμπύλες έδειξαν ότι δεν υπάρχουν διαφορές μεταξύ<br />
των δειγμάτων πριν και μετά την ανόπτηση. Στο Σχ. 1 δίνονται οι καμπύλες μαγνήτισης συναρτήσει θερμοκρασίας για τα<br />
δείγματα πριν την ανόπτηση. Όπως φαίνεται στο Σχ. 1, και οι τρεις υπό μελέτη ενώσεις περιέχουν μία κύρια φάση<br />
διαμεταλλικής ένωσης και ένα μικρό ποσοστό α-Fe. Από τις θερμομαγνητικές καμπύλες του Σχ. 1, διαπιστώνουμε ότι η<br />
αύξηση του Nb (και η αντίστοιχη μείωση του Zr) αυξάνει ελαφρά την θερμοκρασία Curie.<br />
Μαγνητική Ροπή (αυθ. μονάδες)<br />
T c<br />
= 499 K<br />
Gd 2.5<br />
Fe 27.5<br />
Nb x<br />
Zr y<br />
x = 0.5, y = 1.5<br />
Μαγνητική Ροπή (αυθ. μονάδες)<br />
T c<br />
= 507 K<br />
Gd 2.5<br />
Fe 27.5<br />
Nb x<br />
Zr y<br />
x = 1.0, y = 1.0<br />
Μαγνητική Ροπή (αυθ. μονάδες)<br />
T c<br />
= 516 K<br />
Gd 2.5<br />
Fe 27.5<br />
Nb x<br />
Zr y<br />
x = 1.5, y = 0.5<br />
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100<br />
Απόλυτη Θερμοκρασία (Κ)<br />
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100<br />
Απόλυτη Θερμοκρασία (Κ)<br />
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100<br />
Θερμοκρασία (Κ)<br />
Σχ. 1 Θερμομαγνητικές καμπύλες των ενώσεων Gd 2.5 Fe 27.5 Nb x Zr y<br />
Τα διαγράμματα περίθλασης ακτίνων Χ των ενώσεων πριν την ανόπτηση δίνονται στο Σχ. 2. Είναι εύκολο να<br />
διαπιστώσουμε ότι τα τρία διαγράμματα είναι πανομοιότυπα, άρα η μικρή διαφορά στην στοιχειομετρία δεν δίνει σημαντικές<br />
διαφορές στην δομή των ενώσεων. Από τα διαγράμματα των θερμομαγνητικών μετρήσεων είναι εμφανές ότι έχουμε<br />
πρακτικά μονοφασικά υλικά, ειδικά στην περίπτωση των ενώσεων με x = 1.0 και x = 1.5. Η ανάλυση των διαγραμμάτων<br />
περίθλασης με χρήση της μεθόδου Rietveld έδειξε τον σχηματισμό της εξαγωνικής παραλλαγής της δομής τύπου 2:17 ενώ<br />
εντοπίστηκαν και ίχνη από άλλες παρόμοιες δομές όπως η μονοκλινής 3:29 και η ρομβοεδρική 2:17. Ενδεικτικά στην<br />
περίπτωση του δείγματος με x = 1.0 το ποσοστό της εξαγωνικής 2:17 ήταν 82 % κ.β.. Είναι γνωστό ότι το Gd μπορεί να<br />
σχηματίσει τόσο την ρομβοεδρική όσο και την εξαγωνική παραλλαγή της 2:17, η τελευταία λόγω της δομής της έχει την<br />
90
δυνατότητα απορρόφησης περίσσειας σπάνιας γαίας σε ενδόθετες θέσεις. Οι ενώσεις που μελετήθηκαν έχουν περίσσεια<br />
σπάνιας γαίνας σε σχέση με την στοιχειομετρία της 2:17.<br />
Σχετική Ένταση (%)<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
Gd 2.5<br />
Fe 27.5<br />
Nb x<br />
Zr y<br />
x = 0.5, y = 1.5<br />
x = 1.0, y = 1.0<br />
x = 1.5, y = 0.5<br />
0<br />
20 30 40 50 60 70 80<br />
90<br />
2θ (μοίρες)<br />
Σχ. 2 Διαγράμματα περίθλασης ακτίνων Χ των ενώσεων<br />
Gd 2.5 Fe 27.5 Nb x Zr y<br />
Σχετική Ένταση (%)<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
Gd 2.5<br />
Fe 27.5<br />
Nb x<br />
Zr y<br />
x = 1.0, y = 1.0<br />
0<br />
20 30 40 50 60 70 80 90<br />
2θ (μοίρες)<br />
Σχ. 3 Διάγραμμα περίθλασης ακτίνων Χ της ένωσης με [(x,y)=(1,1)]<br />
Για τον προσδιορισμό της μαγνητοκρυσταλλικής<br />
ανισοτροπίας λήφθηκαν διαγράμματα<br />
ακτίνων Χ σε μαγνητικά προσανατολισμένα<br />
δείγματα σκόνης με το επίπεδο προσανατολισμού<br />
παράλληλα στην δειγματοδόχη. Ο προσανατολισμός<br />
έγινε σε περιστρεφόμενο μαγνητικό<br />
πεδίο. Έτσι, οι ανακλάσεις που παρατηρούνται<br />
αντιστοιχούν στις διευθύνσεις δύσκολης<br />
μαγνήτισης του υλικού. Τα διαγράμματα ήταν<br />
πανομοιότυπα και για τις τρεις ενώσεις, στο Σχ. 3<br />
παρουσιάζεται ενδεικτικά το διάγραμμα για το<br />
δείγμα με x = y = 1.0. Η ισχυρή κορυφή που<br />
διακρίνεται στο σχήμα βρίσκεται στην περιοχή<br />
που οι παράγωγες ενώσεις της οικογένειας 1:5<br />
εμφανίζουν ανακλάσεις της μορφής (0 0 x),<br />
δηλαδή σε διεύθυνση κάθετη στο βασικό επίπεδο<br />
αναφοράς της μητρικής εξαγωνικής φάσης τύπου<br />
1:5. Προκύπτει λοιπόν ότι έχουμε ανισοτροπία<br />
εύκολου επιπέδου με δύσκολη διεύθυνση την<br />
κάθετη στο βασικό επίπεδο.<br />
Η μαγνήτιση κόρου των υλικών υπολογίστηκε<br />
από μετρήσεις μαγνήτισης συναρτήσει<br />
μαγνητικού πεδίου στη θερμοκρασία δωματίου<br />
και είναι 82.9, 75.2 και 82.6 Am 2 /kg για τα<br />
δείγματα με (x,y) = (0.5, 1.5), (1.0, 1.0) και (1.5,<br />
0.5) αντίστοιχα. Θεωρούμε ότι πρακτικά δεν<br />
μεταβάλλεται και η απόκλιση στο δείγμα με x =<br />
1.0 οφείλεται σε πειραματικές αβεβαιότητες. Στο<br />
Σχ. 4 δίνονται οι καμπύλες μαγνήτισης των<br />
μαγνητικά προσανατολισμένων δειγμάτων.<br />
Υπολογίστηκε το πεδίο ανισοτροπίας και βρέθηκε<br />
3.43, 3.92 και 3.95 T για (x,y) = (0.5, 1.5), (1.0,<br />
1.0) και (1.5, 0.5) αντίστοιχα.<br />
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ<br />
Από τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν<br />
στην παρούσα εργασία προκύπτει ότι είναι δυνατή<br />
η σύνθεση ενώσεων με ονομαστική<br />
στοιχειομετρία Gd 2.5 Fe 27.5 Nb x Zr y . Οι ενώσεις κρυσταλλώνονται στο εξαγωνικό σύστημα (τύπος Th 2 Ni 17 ) και εμφανίζουν<br />
ανισοτροπία εύκολου επιπέδου. Είναι η πρώτη φορά στην βιβλιογραφία που παρουσιάζεται ο σχηματισμός ενώσεων με αυτή<br />
την στοιχειομετρία.<br />
Μαγνήτιση (Am 2 /kg)<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
Gd 2.5<br />
Fe 27.5<br />
Nb x<br />
Zr y<br />
x = 0.5, y = 1.5<br />
10<br />
Easy Axis<br />
Hard Axis<br />
0<br />
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,0<br />
Μαγνητικό Πεδίο (T)<br />
Μαγνήτιση (Am 2 /kg)<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
Gd 2.5<br />
Fe 27.5<br />
Nb x<br />
Zr y<br />
x = 1.0, y = 1.0<br />
10<br />
Easy Axis<br />
Hard Axis<br />
0<br />
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,0<br />
Μαγνητικό Πεδίο (T)<br />
Σχ. 4 Ισόθερμες καμπύλες μαγνήτισης συναρτήσει πεδίου των ενώσεων Gd 2.5 Fe 27.5 Nb x Zr y .<br />
ΑΝΑΦΟΡΕΣ<br />
[1] O. Kalogirou, V. Psycharis, L. Saettas and D. Niarchos, J. Magn. Magn. Mater. 146 (1995) 335.<br />
Μαγνήτιση (Am 2 /kg)<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
Gd 2.5<br />
Fe 27.5<br />
Nb x<br />
Zr y<br />
x = 1.5, y = 0.5<br />
10<br />
Easy Axis<br />
Hard Axis<br />
0<br />
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,0<br />
Μαγνητικό Πεδίο (T)<br />
EYXAΡΙΣΤΙΕΣ<br />
Η εν λόγω έρευνα υποστηρίζεται από τη ΓΓΕΤ (πρόγραμμα επιστημονικής και τεχνολογικής συνεργασίας Ελλάδος<br />
– Βουλγαρίας αριθμ. έργου 089-γ)<br />
91
Structure and Magnetic Properties of Pr(Fe,Co,Ti,Cu,Zr) 9.66<br />
Melt-spun Nanostructured Alloys<br />
M. Gjoka 1 *, D. Niarchos 1 , C. Sarafidis 2 , O. Kalogirou 2 , M. Grigoras 3 , N. Lupu 3 and H. Chiriac 3<br />
1 Institute of Materials Science, N.C.S.R. “Demokritos” Agia Paraskevi 15310 Athens, Greece<br />
2 Dept. of Physics, Aristotle University of Thessaloniki, 54 124 Thessaloniki, Greece<br />
3 National Institute of R&D for Technical Physics, 47 Mangeron Blvd., 700050 Iasi, Romania<br />
* gjoka@ims.demokritos.gr<br />
Abstract<br />
Pr(Fe,Co,Ti,Cu,Zr) 9.66 alloys were prepared by the melt-spinning technique with a velocity of 40 and 30 ms −1 . Annealing of<br />
the melt-spun ribbons resulted in the formation of hexagonal TbCu 7 -type structure. The saturation magnetization of the<br />
TbCu 7 -type phase was found to be 152.0 Am 2 kg −1 at room temperature. The annealed ribbons have low coercivity values<br />
attributed to the presence of the soft α-Fe(Co) phase (under certain experimental conditions).<br />
1. Introduction<br />
Nanophase materials have attracted considerable interest in the last few years [1] because of their unusual scientific and<br />
technological properties. The breakthrough for the search on nanophase materials using the melt-spinning technique, by<br />
Hadjipanayis et al. and Croat et al., remain important up today for the production of nanophase magnets. One of the rare<br />
earth compounds for the new permanent magnet applications is the R 3 (Fe,M) 29 (R: rare earth and M: transition metal) phase.<br />
This R 3 (Fe,M) 29 phase is described as an alternate stacking of the R(Fe,M) 12 phase (tetragonal ThMn 12 -type structure) and the<br />
R 2 (Fe,M) 17 phase (rhombohedral Th 2 Zn 17 -type structure. There are some reports of melt-spinning on the Re 3 (FeT) 29 system<br />
(R = Ce, Pr, Nd and T = Ti, Cr) [2- 5 ]. Sm(Co bal Fe 0.19 Cu 0.1 Ti 0.05 ) 9.66 melt-spun powder magnets have been fabricated [6]. In<br />
this work we report the production and magnetic properties of the Pr[Fe x Co 0.284 Ti z Cu w1 Zr w2 ] 9.66 (x+z+w 1 +w 2 = 0.716) meltspun<br />
nanostructured alloys.<br />
2. Experimental<br />
Pr[Fe x Co 0.284 Ti z Cu w1 Zr w2 ] 9.66 (x+z+w 1 +w 2 = 0.716) alloys were prepared by arc melting in an argon atmosphere. Small<br />
quantities of the alloy ingots were placed in a quartz crucible with an orifice of 0.6 mm in diameter at the bottom. The alloy<br />
ingots were induction-melted in an argon atmosphere and then ejected through the orifice under argon pressure onto a<br />
chromium-plated copper wheel rotating at a surface velocity of 40 and 30 ms −1 . The resultant melt-spun ribbons were<br />
obtained as fragmented pieces. Typical dimensions of the ribbon fragments were 10 µm in thickness by 1 mm wide and 10-<br />
20 mm long. Heat treatments of the melt-spun ribbons were then carried out in an argon atmosphere at temperatures between<br />
700-850 0 C K for different times. The specimens were examined by X-ray powder diffraction (XRD) using CuKα radiation.<br />
The magnetization of the powders was examined at a heating rate of 5°C/min in vacuum using a vibrating sample<br />
magnetometer (VSM) at an applied field of 200 Oe. The hysteresis loops of the specimens were measured at room<br />
temperature by VSM under a maximum applied field of 2.0 Tesla.<br />
3. Results and discussion<br />
Intensity (arb. units)<br />
a)<br />
b)<br />
c)<br />
(101)<br />
(110)<br />
(111)<br />
(002)<br />
20 40<br />
2-theta (degree)<br />
(200)<br />
(201)<br />
Fig. 1 XRD of Pr(Fe,Co,Ti) 9.66 a)<br />
theoretical pattern of TbCu 7 phase, b)<br />
as-spun (v=40 ms- 1 ) and c) powdered,<br />
Tc 1<br />
Alloys with the composition R 3 (Fe,Co,Ti) 29 or R(Fe,Co,Ti) 9.66 can exist in<br />
two crystal structures depending on the preparation technique [2]. The XRD<br />
patterns of the asspun<br />
ribbons<br />
(v=40 ms -1 ), Fig. 1<br />
(b, c)), were<br />
a) ann. 800 0 C<br />
similar to those<br />
Tc 3<br />
reported in [2] for<br />
melt-spun samples<br />
with the 3:29<br />
nominal stoichiometry.<br />
In the<br />
b) as-cast<br />
Tc Tc<br />
2<br />
4<br />
latter, the authors<br />
describe this<br />
pattern as corresponding<br />
0 300 600<br />
Temperature ( 0 C)<br />
900<br />
to the<br />
hexagonal TbCu 7<br />
Fig. 2 MvsT of as-cast and annealed ribbons (v=40<br />
ms- 1 )<br />
structure.<br />
Qualitative<br />
analysis of XRD<br />
patterns, Fig 1(b,<br />
c) indicate that the samples are partially crystallized. The main phase on the<br />
as cast ribbons is that of hexagonal TbCu 7 -type structure for our range of<br />
Magnetisation (arbitray units)<br />
92
30<br />
0<br />
-30<br />
-900 -600 -300 0 300 600 900<br />
40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
-40<br />
-60<br />
-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0<br />
quenching speeds (40 and 30 ms -1 ). From the relative intensities of the reflection (200) of the as-cast and annealed samples it<br />
was concluded that they were textured. Thermomagnetic analysis curve for as-spun ribbons (40 ms -1 ) showed a broad<br />
transition, in the range 300–600 0 C which corresponds to amorphous state, and three other transitions Tc 2 = 706 0 (5), Tc 3<br />
=876 0 (5) and Tc 4 around T>1000 0 C, Fig 2. The last transition corresponds probably to α-Co . After annealing at 800 0 C for<br />
15 min Tc 2 disappears, the 1:7 phase is know crystallized with Tc = 570 0 C, the phase with Tc 3 could be the 1:12 phase<br />
favorable for annealing at relatively low temperature.<br />
From the EDAX analysis it was found that the as-spun samples had a mean composition Pr(Fe 0.65 Co 0.27 Ti 0.068 ) 8.44 for the<br />
ribbons produced with velocity of 30 m/s and Pr(Fe 0.67 Co 0.275 Ti 0.05 ) 9.43 (ribbons produced with 40 ms -1 ). The last composition<br />
Magnetisation(Am 2 /kg)<br />
150<br />
75<br />
0<br />
-75<br />
Pr(FeCoTi) 9.66<br />
An. 850 0 C<br />
v=40 m/s<br />
-150<br />
-20 -10 0 10 20<br />
Magnetic field (kOe)<br />
M(emu/g)<br />
H(Oe)<br />
-20 -10 0 10 20<br />
Fig. 3 Typical hysteresis loop of Pr(Fe 0.664 Co 0.284 Ti 0.05 ) 9.66 annealing at 850 0 C for 15 min (on the left) and annealing at 700 0<br />
C for 25 min(on the right).<br />
Magnetisation (Am 2 /kg)<br />
150<br />
75<br />
0<br />
-75<br />
-150<br />
M(Am 2 /kg)<br />
H(kOe)<br />
Magnetic field (kOe)<br />
is close to the nominal one, i.e. Pr(Fe,Co,Ti) 9.66 . The experimental data on Pr(Fe,Co,Ti,Cu,Zr) 9.66 annealed melt-spun ribbons<br />
indicate the coexistence of α-Fe(Co) soft magnetic phase and the hard phases. The annealed ribbons have low coercivity<br />
values attributed to the presence of the soft α-Fe(Co) phase (under certain experimental conditions) and non optimal grains<br />
size. Fig. 3 show the hysteresis loop of Pr(Fe 0.664 Co 0.284 Ti 0.05 ) 9.66 annealed at 850 0 C for 15 min. The saturation<br />
mangetisation is 116.6 Am 2 /kg and the coercivity is 250 Oe. The other samples of Pr(Fe 0.664 Co 0.284 Ti 0.05 ) 9.66 ribbons annealed<br />
at 700 0 C present smaller values of coercivity and the maximum value of saturation magnetization is 152.0 Am 2 /kg for the<br />
samples annealed at 700 0 C for 25 min, Fig 4. The nanocrystalline state can be achieved under special experimental<br />
conditions during melt-spinning.<br />
Fig. 4 The SEM micrograph of ribbons Pr(Fe 0.664 Co 0.284 Ti 0.05 ) 9.66 , annealed at 700 0 C-30 min, v=30 ms −1 in the left, in the<br />
middle Pr(Fe 0.664 Co 0.284 Ti 0.05 ) 9.66 , annealed at 700 0 C –5 min, v=40 ms −1 ) c) Pr(Fe 0.564 Co 0.284 Cu 0.1 ) 9.66 , annealed at 700 0 C-30<br />
min, v=40 ms −1<br />
Acknowledgements: This work was done in the frame of the Bilateral Cooperation Romania–Greece, 2006-2007 of the<br />
General Secretary for Research and Technology of Greece (GSRT),<br />
References<br />
[1] G.C. Hadjipanayis, , J. Magn. Magn. Mater. 200(1999) 373<br />
[2] J.M. Cadogan, H.S. Li, R.L. Davis, A. Margarian, S.J. Collocot, J.B. Dunlop and P.B. Gwan. J. Appl. Phys.<br />
75 10 (1994), p. 7114 [3] M. Gjoka O. Kalogirou , V. Psycharis, D. Niarchos, F. Leccabue, B.E. Watts, G.<br />
Bocelli, J. Alloys Comp. 290 (1999) 1.<br />
[4] M. Gjoka, O. Kalogirou, D. Niarchos, N. Sheloudko M. Mikhov, Balkan Phys. Lett., 4 th General Conference of the<br />
Balkan Physical Union Proceedings, (2000) 245.<br />
[5] Tetsuji Saito, Wen Quan Wang and Yasushi Kamagata J. Alloys Comp. 402(2005)242-245<br />
[6] M. Q. Huang, R. T. Fingers, Z. Turqut, R. Swaminathan, F. Johnson, M. E. McHenry, B. M. Ma,<br />
and V. R. Ramanan, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 38(2002) 2946<br />
93
Δομή και Μαγνητικές Ιδιότητες του περοβσκίτη<br />
La 0.7 Ba 0.3 CoO 3<br />
Γκάμαρη-Seale E. 1* , Sazonov Α. 2 , Στεφανόπουλος Κ.Λ. 3 και Simolensko V. 4<br />
1 IEY, ΕΚΕΦΕ “Δημόκριτος”, 153 10 Αγία Παρασκευή, Αττική<br />
2 Inst. of Solid State and Semiconductor Physics, NAS, Minsk, Belarus<br />
3 ΕΚΕΦΕ “Δημόκριτος”, Ινστ. Φυσικοχημείας, 153 10 Αγία Παρασκευή, Αττική<br />
4 BENSC, HMI, Glienicker Str. 100, D-14 109, Berlin<br />
*egamari@ims.demokritos.gr<br />
Εισαγωγή<br />
Οι περοβσκίτες κοβαλτίου του τύπου LnCoO 3 και Ln 1-x A x CoO3, όπου Ln= λανθανίδα και Α= αλκαλικό μέταλλο παρουσιάζουν<br />
εκτός της ισχυράς σύζευξης μεταξύ των βαθμών ελευθερίας πλέγματος, φορτίου σπιν και τροχιακού, όπως και οι μαγγανίτες,<br />
ακόμα ένα βαθμό ελευθερίας της «κατάστασης του σπιν» στη θέση του Co. Οι καταστάσεις του σπιν των ιόντων του Co μπορούν<br />
να ευρίσκονται σε κατάσταση χαμηλού σπιν (LS) ή ενδιάμεσου σπιν (IS) ή υψηλού σπιν (ΗS) στη τυπική οκταεδρική<br />
διαμόρφωση, χαρακτηριστική των περοβσκιτών, συνέπεια του συγκρίσιμου μεγέθους της ενέργειας ανταλλαγής (Ε exc ) του<br />
κανόνα του Hund και της ενέργειας του κρυσταλλικού πεδίου (E cf ), για το Co, και μπορούν να μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία<br />
[1]. Η κατάσταση LS του Co 3+ (t 4 2ge 2 g, S=0) είναι ενεργειακά προτιμητέα από τη κατάσταση ΗS (t 6 2ge 0 g, S=2) αλλά δύναται και<br />
αυτή να ενεργοποιηθεί αυξανομένης της θερμοκρασίας σε κατάσταση IS (t 5 2ge 1 g,, S=1) ή HS (t 3 2ge 2 g, S=5/2). Η κατάσταση όμως<br />
HS του Co 4+ είναι ενεργειακά χαμηλότερη σε σύγκριση με την ενεργειακή κατάσταση του LS και μπορεί να υπάρξει στις<br />
καταστάσεις HS (t 3 2ge 2 g, S=5/2) ή IS (t 5 2ge 1 g , S=3/2) ή LS (t 3 2ge 2 g, S=1/2). Η χαρακτηριστική αυτή ιδιότητα των ιόντων του Co<br />
δίνει ιδότυπες ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες που έχουν προκαλέσει τη προσοχή των ερευνητών. Σε ορισμένους κοβαλτίτες,<br />
ιδίως για μικρές τιμές του x, δεν παρατηρείται μακράς εμβέλειας μαγνητική τάξη αλλά ιδιότητες μαγνητικών γυαλιών (spin glass)<br />
ή μαγνητικών συσσωμάτων (cluster glass) [2-4].<br />
Από πλευράς εφαρμογών, επειδή τα υλικά αυτά ανήκουν στην οικογένεια των αγωγίμων κεραμικών, υπερέχουν άλλων υλικών,<br />
όπως των μετάλλων, σε ορισμένες μακροσκοπικές εφαρμογές, ειδικά σε απαιτήσεις αντιοξειδωτικής και αντιδιαβρωτικής και<br />
μηχανικής αντoχής. Ετσι αυτά τα υλικά έχουν εγείρει το ενδιαφέρον για μελέτη τόσο από καθαρά επιστημονικής πλευράς όσο και<br />
για πρακτικές εφαρμογές.<br />
Ενώ για τους κοβαλτίτες με Ln=La και Α=Sr υπάρχει μια πλούσια βιβλιογραφία τόσο για τη δομή τους και για τη μαγνητική<br />
τους συμπεριφορά όσο και για τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες, πολύ λίγα είναι γνωστά για Α=Ba.<br />
Στην εργασία αυτή μελετάται η μαγνητική δομή και συμπεριφορά του κοβαλτίτη La 0.7 Ba 0. 3CoO3 με μετρήσεις Dc μαγνήτισης<br />
και περίθλαση νετρονίων σε διάφορες θερμοκρασίες.<br />
Πειραματικά<br />
Πολυκρυσταλλικό δείγμα La 0.7 Ba 0.3 CoO 3 παρασκευάστηκε με τη συνήθη κεραμική μέθοδο στους 1200 ο C. Περίθλαση ακτίνων<br />
Χ στη θερμοκρασία δωματίου εδειξε ρομβοεδρική δομή, ομάδα συμμετρίας R-C, όπως και η μητρική ένωση LaCoO 3 [1]. Ένα<br />
πολύ μικρό ποσοστό πρόσμιξης CoO ευρέθη να εμπεριέχεται, το οποίο συμπεριελήφθη στην ανάλυση των πειραματικών<br />
δεδομένων.<br />
Η μαγνήτιση σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία έγιναν σε μικρό πεδίο 100 Oe με δύο τρόπους μέτρησης. Αρχικά το δείγμα<br />
ψύχεται σε μηδενικό πεδίο, μετά εφαρμόζεται το πεδίο και εν συνεχεία θερμαίνεται και μετράται η τιμή της μαγνήτισης μέχρι<br />
τους 300Κ (ZFC-mode). Στη συνέχεια η μαγνήτιση μετράται ενώ το δείγμα ψύχεται στο ίδιο μαγνητικό πεδίο (FC-mode).<br />
Περιθλασιογράμματα νετρονίων μεταξύ 300-2Κ ελήφθησαν στο περιθλασίμετρο Ε9 του Ινστιτούτου HMI στο Βερολίνο με<br />
μήκος κύματος 1.7985 Å. Η διακριτική ικανότητα του οργάνου ήταν αρκετά υψηλή. Η προσαρμογή των δεδομένων έγινε με τη<br />
μέθοδο Rietveld, χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα Fullprof.<br />
Αποτελέσματα<br />
Η μακροσκοπική σχέση της μαγνήτισης με τη θερμοκρασία, σε μικρό σχετικά πεδίο, δίνεται στο Σχήμα 1. Και στους δύο<br />
τρόπους μέτρησης η μαγνήτιση αυξάνει κάτω των 190Κ, δείχνοντας τάση σιδηρομαγνητικής τάξης. Η ZFC παρουσιάζει ένα<br />
πεπλατυσμένο μέγιστο στους ≅185Κ και μειώνεται ελλαττουμένης της θερμοκρασίας, ενώ η FC αυξάνεται. Τέτοιες μορφές<br />
μαγνήτισης έχουν βρεθεί σε πολλούς κοβαλτίτες [2,3] και αποδίδοντο στη δημιουργία μαγνητικών συσσωμάτων. Εχει αποδειχτεί<br />
όμως [4] ότι μια τέτοια συμπεριφορά επιδεικνύουν και υλικά με μακράς εμβέλειας μαγνητικής τάξης και με ανισοτροπία<br />
μεγαλύτερη του εφαρμοζόμενου πεδίου.<br />
H προσαρμογή των περιθλασιογραμμάτων νετρονίων έδειξε ότι το υλικό έχει ρομβοεδρική δομή, ομάδα συμμετρίας R-C σε<br />
όλες τις θερμοκρασίες. Κάτω των 180Κ παρατηρείται αύξηση των εντάσεων των ανακλάσεων στις χαμηλές γωνίες, γεγονός που<br />
υποδεικνύει την ύπαρξη σιδηρομαγνητικής τάξης μακράς εμβέλειας. Επομένως το Co φέρει μαγνητική ροπή εφόσον είναι και το<br />
μόνο παραμαγνητικόν ιόν. Η προσαρμογή έδωσε τη τιμή της μαγνητικής ροπής μ Β =1.75/Co στις χαμηλές θερμοκρασίες. Η<br />
είσοδος του Βα επάγει τη παρουσία και των δύο ιόντων Co 3+ και Co 4+ (ηλεκτρική ουδετερότητα), τα οποία αλληλεπιδρούν δια<br />
μέσου του οξυγόνου Co 3+ -Ο-Co 4 , με τη γνωστή αλληλεπίδραση διπλής ανταλλαγής (double exchange interaction, DE), η οποία<br />
δίνει τη σιδηρομαγνητική τάξη. Με τη προϋπόθεση ότι δεν υπάρχει έλλειψη ή περίσσεια οξυγόνου η χημική ένωση<br />
94
λαμβάνει τον τύπο La 0.7 Ba 0.3 Co 3 0.7Co 4 0..3O 3 . Οι πειραματικές<br />
0.35<br />
τιμές της ευρεθείσας μαγνητικής ροπής είναι συμβατές με τις<br />
ακόλουθες καταστάσεις του Co. To Co 3+ 0.30<br />
H=100Oe<br />
ευρίσκεται στην με<br />
1,<br />
ενδιάμεσο σπιν (t 2g e g , S=1) και το Co 4+ 0.25<br />
σε χαμηλό σπιν LS<br />
FC<br />
0.20<br />
(t 5 2g , S=2) (Lande factor g=2). Η προσαρμογή των<br />
0.15<br />
περιθλασιογραμμάτων νετρονίων έγινε συμπεριλαμβανομένης<br />
0.10<br />
και της πυρηνικής και της μαγνητικής κυψελίδας του CoO. Στο<br />
0.05<br />
ZFC<br />
Σχήμα. 2 δίνεται η προσαρμογή των περιθλασιογραμμάτων<br />
0.00<br />
-0.05<br />
νετρονίων στους 2Κ. 0 50 100 150 200 250<br />
magnetization<br />
T(K)<br />
Σχήμα 1. Η μεταβολή υης μαγνήτισης με τη θερμοκρασία.<br />
Σχήμα 2. Περιθλασιογράμματα νετρονίων στους 2Κ και η προσαρμογή των δεδομένων .Οι κάθετες γραμμές<br />
υποδεικνύουν τις θέσεις Bragg για όλες τις φάσεις. R B nuc=3.5, B Rm=4.5.<br />
Αναφορές<br />
[1] Heikes R. R., Miller R. C., Mazelsky R., Physica 30 (1964) 1600.- Blide V. G., Rajoria D. S., Rao G. R., Rao C. N., Phys.<br />
Rev. B 6 (1972) 1021.- Thornton G., Tofield B. C., Williams D. E., Solid State Comm. 44 (1982) 1213.<br />
[2] Caciuffo R.,. Rinaldi D, Barucca G., Mira J., Rivas J., Senaris-Rodriguez M. A., Radaelli P. G., Fiorani D., Goodenough<br />
J. B., Phys. Rev. B 59 (1999) 1068.<br />
[3] Wu J., Leighton C., Phys. Rev. B 67 (2003) 174408.<br />
[4] Anil Kumar P. S., Joy P. A., Date S. K., J. Phys: Cond. Matter 10 (1998) L487.<br />
H Εργασία αυτή υποστηρίχθηκε από τη European Commission under the 6 th Framework Programme through the Key Action Strengthening<br />
the European Research Area, Research Infrastructure, contact R113-Ct-2003-505925 (NM13) και από τη Belarusian Fund for Fundamental<br />
Research (Project F06R-134).<br />
95
Μετρήσεις Ειδικής Θερμότητας σε Μονοκρυστάλλους La 1-x Ca x MnO 3<br />
Πανόπουλος Νικόλαος * , Παπαβασιλείου Γεώργιος, Πίσσας Mιχάλης<br />
Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», Αγ. Παρασκευή Αττικής 15310<br />
*panon@ims.demokritos.gr<br />
ΠΕΡΙΛΗΨΗ<br />
Οι μετρήσεις ειδικής θερμότητας παρέχουν σημαντικές πληροφορίες που σχετίζονται με το ενεργειακό φάσμα των<br />
διεγερμένων καταστάσεων καθώς και την ύπαρξη μαγνητικών και δομικών αλλαγών φάσης. Η ύπαρξη μαγνητικών ή<br />
δομικών μεταβάσεων φάσης αποκαλύπτεται στις μετρήσεις ειδικής θερμότητας με τη μορφή ασυνεχειών ή κορυφών,<br />
ανάλογα με την τάξη της μετάβασης. Σ’ αυτή την εργασία θα παρουσιαστούν μετρήσεις ειδικής θερμότητας από 2 Κ μέχρι<br />
300 Κ σε μονοκρυστάλλους La 1-x Ca x MnO 3 με ονομαστική στοιχειομετρία x=0.2, 0.25, 0.3. O χαρακτηρισμός των δειγμάτων<br />
έγινε με τη βοήθεια μαγνητικών μετρήσεων, ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) και ανάλυσης EDAX. Οι<br />
μαγνητικές μετρήσεις αποκάλυψαν ότι όλα τα δείγματα εμφάνισαν σιδηρομαγνητική συμπεριφορά. Οι μετρήσεις ειδικής<br />
θερμότητας εμφάνισαν χαρακτηριστικές κορυφές στις θερμοκρασίες Curie των μαγνητικών μετρήσεων, γεγονός που<br />
υποδηλώνει ότι έχουμε να κάνουμε με σιδηρομαγνητικές μεταβάσεις φάσης. Η μεταβολή της εντροπίας ΔS λόγω της<br />
σιδηρομαγνητικής τάξης εκτιμήθηκε με αφαίρεση . από τη συνολική ειδική θερμότητα της ειδικής θερμότητας των<br />
ταλαντώσεων του πλέγματος.<br />
Οι μετρήσεις ειδικής θερμότητας υπό σταθερή πίεση (c p ) έγιναν με το σύστημα μέτρησης φυσικών ιδιοτήτων PPMS<br />
model 6000 της εταιρίας Quantum design, ενώ η χημική ανάλυση με τη βοήθεια SEM. Τα αποτελέσματα της χημικής<br />
ανάλυσης παρουσιάζονται στον πίνακα 1. Στο σχήμα 1 φαίνεται η μορφολογία της επιφάνειας του κρυστάλλου x=0.3.<br />
Ions Wt. % Calc. %<br />
La 64.24 65.00<br />
Ca 7.02 8.04<br />
Mn 28.75 36.73<br />
Πίνακας 1. Χημική ανάλυση του μονοκρυστάλλου<br />
La 0.7 Ca 0.3 MnO 3 . Η τελευταία στήλη περιέχει τιμές<br />
υπολογισμένες με βάση το μοριακό τύπο.<br />
Σχήμα 1. Mικρογραφία SEM του μονοκρυστάλλου<br />
La 0.7 Ca 0.3 MnO 3 . Διακρίνεται η επιφανειακή μορφολογία.<br />
Σχήμα 2. Ειδική θερμότητα σε μηδενικό μαγνητικό πεδίο<br />
των μονοκρυστάλλων La 1-x Ca x MnO 3 (για x=0.3, 0.25,<br />
και 0.2).<br />
Στο σχήμα 2 φαίνονται οι μετρήσεις ειδικής θερμότητας C p σε μηδενικό μαγνητικό πεδίο των κρυστάλλων La 1-x Ca x MnO 3<br />
για x=0.3, 0.25, 0.2. Η μεταβολή της C p με τη θερμοκρασία για 2
Raman Study of β-Sr 0.33 V 2 O 5 Micro-Crystals under Variable Temperature and<br />
Pressure<br />
A.G. Kontos 1 , D. Lampakis 1 ,Y.S. Raptis* 1 , E. Liarokapis 1 , Z. V. Popović 2 , M. Isobe 3 , and Y. Ueda 3<br />
1 Physics Department, National Technical University of Athens, 157 80 Athens, Greece<br />
2 Center for Solid State Physics and New Materials, Institute of Physics, 11080 Belgrade, Serbia<br />
3 Institute for Solid State Physics, University of Tokyo, Kashiwa , Chiba 277- 8581, Japan<br />
*yraptis@central.ntua.gr<br />
The vanadium bronzes, β(β′)-A 1+(2+) xV 2 O 5 (x = 1/3; 2/3; A= Li, Na, Ag, Ca, Sr, Pb, Cu etc.) exhibit a variety of phenomena<br />
that originate from strong electron correlations. For example, various charge and spin orderings, and even superconductivity<br />
(β-Na 0.33 V 2 O 5 [1]) are found in this class of materials. The different phases of β-A 0:33 V 2 O 5 family, exhibit an one dimensional<br />
metallic behavior at room temperature and undergo a metal to insulator (MI) phase transition at T MI , associated with a charge<br />
ordering. Systems with monovalent cations (A + ) show a long-range magnetic order at T < T MI . In systems with divalent<br />
cations (A 2+ ), no sign of long-range magnetic order is observed down to 2 K [2]. β-Sr 0.33 V 2 O 5 undergoes MI phase transition<br />
at T MI ≈165 K, associated with a charge ordering. The phase transition has been confirmed by magnetic susceptibility, [2],<br />
NMR, [3] and Raman scattering [4]. Electrical resistivity of this oxide, was measured under high hydrostatic pressure by<br />
Yamauchi et al. [5]. A metallic behavior is observed only along the b-axis (chain direction), while the resistivity behavior is<br />
semiconductive along the a- and c- axis. The resistivity along the c- and a-axis is higher about two orders than along the b-<br />
axis. By pressure increase up to 90 kbar no sign of superconductivity was observed in all β-A 2+ 0.33V 2 O 5 .[5]. High pressure<br />
shows a strong influence on the MI phase transition temperature, which strongly decreases with increasing pressure. It is<br />
estimated [5] that the critical pressure, where the charge order phase completely collapses in β-Sr 0.33 V 2 O 5 , is about 15 kbar.<br />
Single crystals of β-Sr 0.33 V 2 O 5 were grown by a flux method using SrV 2 O 6 as a flux. SrV 2 O 6 was prepared by a solid state<br />
reaction of SrCO 3 and V 2 O 5 in air at 600 0 C. Details of the sample preparation were published in Ref. [2]. The Raman<br />
scattering measurements have been carried out at backscattering geometry using a Jobin-Yvon T64000 triple spectrometer<br />
with a liquid nitrogen cooled charge-coupled-device detector. The 514.5 nm laser line of an Ar + -ion laser was used as an<br />
excitation source with a power density of 0.3 mWμm -2 upon the sample. Low temperature measurements were carried out in<br />
an Oxfords Instrument continuous flow crystotat. Pressure was applied via a Merrill-Bassett DAC, using Si as the pressure<br />
calibration unit and ethanol-methanol pressure medium.<br />
1 bar<br />
79 K (cc)<br />
300 K<br />
Intensity (arb. units)<br />
(bb)<br />
(cb)<br />
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100<br />
Raman shift (cm -1 )<br />
Fig. 1 Room temperature and liquid nitrogen temperature polarized Raman spectra of β-Sr 0.33 V 2 O 5 at ambient pressure.<br />
Recent, room temperature x-ray measurements [6] in β-Sr 0.33 V 2 O 5, revealed the presence of a superstructure with a lattice<br />
modulation vector q = (0, 1/2, 0). This indicates the doubling of the unit cell along the b-axis. The diffraction pattern of this<br />
phase has been indexed using the P21/a space group. The corresponding factor analysis predicts 132 Raman active modes.<br />
The polarized Raman spectra of β-Sr 0.33 V 2 O 5 , measured from the bc plane at room temperature and liquid-nitrogen<br />
temperature are given in figure 1. At a first glance, we found that the number of observed modes at room temperature is much<br />
less than those predicted. Namely, only 27 modes are observed at room temperature (20 of A g and 7 of B g symmetry).<br />
97
Further, almost all of the observed modes have a large width. This strong broadening is due to a strong electron–phonon<br />
coupling and/or near degeneracy of many modes with nearly the same energies.<br />
Below the charge ordering transition the unit cell triples, keeping the same symmetry (P21/a) [6]. In this case, the number of<br />
active phonons is 198 for each irreducible representation. At liquid-nitrogen temperature almost all modes split as a<br />
consequence of charge ordering followed by the tripling of the unit cell. Several modes also appear from the broad structure<br />
ranging from 550 up to 700 cm −1 . The localization of the electrons leads to a decrease in the coupling of these phonons to<br />
electronic excitations, and they become more pronounced below the transition temperature (165 K). At the lowest<br />
temperature used in our experiments (79 K), these modes are the most intense ones, though they are much broader than the<br />
rest of them.<br />
In Fig. 2 we present polarized Raman spectra of β-Sr 0.33 V 2 O 5 measured upon a pressure of 55 Kbar at two different<br />
temperatures, 79 and 180 K. In ref. [7] room temperature polarized Raman spectra of β-Sr 0.33 V 2 O 5 micro crystals were<br />
obtained at different pressure up to about 57 kbar. Generally, the various peaks broaden with pressure increase and show<br />
almost linear frequency vs. pressure dependence. Substantial differences were recorded for (cc) polarization where a broad<br />
structure, peaked at about 640 cm -1 at ambient temperature and pressure, transforms into relatively narrow peak at about 600<br />
cm -1 by pressure increase. For crossed polarization new modes between 500 and 600 cm -1 , were observed for the highest<br />
applied pressure. We believe that these modes were not observed at ambient conditions due to their low intensity. The (bb)<br />
polarized (Ag symmetry modes) Raman spectra of β-Sr 0.33 V 2 O 5 did not show dramatic changes in the Raman spectra of β-<br />
Sr 0.33 V 2 O 5 , in accordance with electrical resistivity measurements of β-Sr 0.33 V 2 O 5 along the b-axis at high pressure [5], where<br />
no phase change was found up to 85 kbar. The above characteristics can also be observed in the spectra of fig. 2.<br />
(cc)<br />
55 K<br />
79 K<br />
180 K<br />
Intensity (arb. units)<br />
(bb)<br />
(cb)<br />
100 200 300 400 500 600<br />
Raman shift (cm -1 )<br />
Fig. 2. Raman spectra of β-Sr 0.33 V 2 O 5 at 55 kbar measured at temperature above (180 K) and below (79 K) the metal-toinsulator<br />
phase transition temperature of β-Sr 0.33 V 2 O 5 at ambient pressure (165 K).<br />
Comparison of the spectra at 55 kbar, measured above (180 K) and below (79 K) the metal-to-insulator phase transition<br />
temperature of β-Sr 0.33 V 2 O 5 at ambient pressure (165 K), shows minor differences, except of mode narrowing due to lowering<br />
of the temperature. This finding is in accordance with Yumagashi et al. results, that the charge order in β-Sr 0.33 V 2 O 5<br />
collapses at relatively low pressure (15 kbar). In our case, due to relatively high hydrostatic pressure (55 kbar), the charge<br />
ordered phase at 79 K has been collapsed and drastic changes of Raman spectra could not be expected by lowering the<br />
temperature.<br />
References<br />
[1] Yamauchi T., Ueda Y. and Mori N., Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 057002.<br />
[2] Isobe M. and Ueda Y., Mol. Cryst. and Liq. Cryst., 341 (2000) 271.<br />
[3] Ueda Y., Yamada H., Isobe M., and Yamauchi T., J. Alloys and Compounds, 317-318 (2001) 109.<br />
[4] Popović Z. P., Kontos A.G., Raptis Y.S., Isobe M. and Ueda Y., J. Phys. Cond. Matter, 18 (2006) 7779.<br />
[5] Yamauchi T., Isobe M., and Ueda Y., Solid State Sciences, 7 (2005) 874.<br />
[6] Sallier C, Boucher F and Junod E 2003 Solid State Sci. 5 (2003) 591.<br />
[7] Kontos A.G., Lampakis D., Raptis Y.S., Liarokapis E., Popović Z.P., Isobe M. and Ueda Y., phys. stat. sol. (b), 244<br />
(2006) 362.<br />
This work is supported by the bilateral Greek–Serbian collaboration ‘Joint Research and Technology Programmes, 2003–<br />
2007’.<br />
98
Μαγνητικές Iδιότητες Nανοσωλήνων Άνθρακα Εµπλουτισµένων µε Βόριο<br />
Β. Λυκοδήµος 1* , Σ. Γλένης 1 and C. L. Lin 2<br />
1 Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Πανεπιστήµιο Αθηνών, Πανεπιστηµιούπολη,<br />
157 84 Ζωγράφου, Αθήνα<br />
2 Department of Physics, Temple University, Philadelphia, Pennsylvania 19122, USA<br />
*likodimo@gel.demokritos.gr<br />
Ο εµπλουτισµός των νανοσωλήνων του άνθρακα (CNs) µε ετεροάτοµα βορίου (Β) και αζώτου (Ν) που µπορούν να<br />
ενσωµατωθούν άµεσα στο εξαγωνικό κρυσταλλικό πλέγµα του γραφίτη, έχει αναδειχθεί ως ένας ιδιαίτερα υποσχόµενος<br />
τρόπος για την προσαρµογή των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων µε στόχο να αυξηθεί η λειτουργικότητα και η<br />
προοπτική των εφαρµογών τους σε διάφορες αναδεικνυόµενες τεχνολογίες [1]. Ειδικότερα, ο κβαντικός περιορισµός στη<br />
µονοδιάστατη γεωµετρία των νανοσωλήνων έχει προβλεφθεί ότι δηµιουργεί εντοπισµένες καταστάσεις στους<br />
εµπλουτισµένους CNs µε άτοµα B και Ν, σε αναλογία µε τις στάθµες αποδεκτών και δοτών στους ηµιαγωγούς, οδηγώντας<br />
στον αυθόρµητο σχηµατισµό ετεροδοµών στη κλίµακα τoυ νανοµέτρου [2]. Επιπλέον, η παρουσία ισχυρά εντοπισµένων<br />
ενεργειακών καταστάσεων σε δοµές BNC έχει προβλεφθεί ότι µπορεί να οδηγήσει σε σιδηροµαγνητική κατάσταση, ενώ<br />
πρόσφατα η παρουσία ατοµικών καταστάσεων εντοπισµένων στα τεθλασµένα (zig-zag) όρια που ενώνουν τα τµήµατα C και<br />
BN σε νανοσωλήνες C/BN έχει προβλεφθεί ότι ευνοεί την εµφάνιση µαγνητισµού σε αναλογία µε τους µεταλλικούς<br />
σιδηροµαγνήτες [3]. Στην παρούσα εργασία, πραγµατοποιήσαµε µια συστηµατική πειραµατική µελέτη των µαγνητικών και<br />
ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των εµπλουτισµένων µε βόριο νανοσωλήνων του άνθρακα πολλαπλών τοιχωµάτων (Β-MWNTs),<br />
χρησιµοποιώντας µετρήσεις στατικής µαγνήτισης και ηλεκτρονικού συντονισµού σπιν (ESR).<br />
Το σχήµα 1 δείχνει τις ισόθερµες καµπύλες µαγνήτισης M(H) Τ των Β-MWNTs σε διάφορες θερµοκρασίες, όπου<br />
παρατηρείται ένα ευκρινές σιδηροµαγνητικό (FM) σήµα σε αντίθεση µε την ισχυρά διαµαγνητική απόκριση των µη<br />
εµπλουτισµένων MWNTs [4]. Σε υψηλά µαγνητικά πεδία, παρατηρείται επίσης µια αρνητική κλίση της M(H) Τ , ενδεικτική<br />
ενός γραµµικού διαµαγνητικού όρου. Για την εκτίµηση της συνεισφοράς αυτής, οι ισόθερµες µαγνητικές καµπύλες<br />
αναλύθηκαν χρησιµοποιώντας τη σχέση Μ(Η, Τ)= Μ FM + Μ dia = M 0 L(µH/kT) + χ dia H, όπου L(µΗ/kΤ) είναι η συνάρτηση<br />
Langevin, µ η µέση ροπή ανά σιδηροµαγνητικό σωµατίδιο και Μ 0 η αντίστοιχη µαγνήτιση κορεσµού, ενώ χ dia είναι η<br />
διαµαγνητική επιδεκτικότητα. Με τον τρόπο αυτό µπορεί να επιτευχθεί ικανοποιητική περιγραφή των πειραµατικών<br />
δεδοµένων για διαφορετικές τιµές του µ σε διάφορες θερµοκρασίες και τη µαγνήτιση κορεσµού Μ 0 να κυµαίνεται µεταξύ<br />
των τιµών 0.10-0.08 emu/g στην περιοχή θερµοκρασιών 2-200 Κ. Το µέγεθος της διαµαγνητικής επιδεκτικότητας χ dia<br />
βρέθηκε ότι µεταβάλλεται ασθενώς µεταξύ των τιµών -7.0 και -7.5 x 10 -7 emu/g στην περιοχή θερµοκρασιών 2-200 Κ,<br />
µεταβολή που είναι πολύ µικρότερη από εκείνη των καθαρών MWNTs. Το αποτέλεσµα αυτό συµφωνεί µε τη δράση του Β<br />
ως αποδέκτη, το οποίο στα πλαίσια του ενεργειακού µοντέλου ζωνών του γραφίτη, οδηγεί στη µετατόπιση της στάθµης<br />
Fermi προς τη ζώνη σθένους και τη µείωση της τροχιακής διαµαγνητικής επιδεκτικότητας. Για να εκτιµήσουµε την<br />
τελευταία συνεισφορά, χρησιµοποιούµε ένα απλό µοντέλο για τη µέση µαγνητική απόκριση µιας συλλογής νανοσωλήνων<br />
προσανατολισµένων σε τυχαίες κατευθύνσεις, οι οποίες λαµβάνουν υπ’ όψιν την κυλινδρική µορφή των CNs. Σε υψηλά<br />
µαγνητικά πεδία, όπου η κβαντισµένη τροχιά των ηλεκτρονίων που περιορίζεται από το µαγνητικό µήκος l H =(ħc/eH) 1/2 , είναι<br />
µικρότερη από την περίµετρο των νανοσωλήνων, η διαµαγνητική επιδεκτικότητα χ dia εκφράζει κυρίως το γεωµετρικό µέσο<br />
όρο χ av =(2χ ⊥ +χ || )/3 των κυλινδρικά ελισσόµενων επιπέδων γραφίτη, όπου χ ⊥ και χ || είναι οι ανισοτροπικές συνιστώσες της<br />
επιδεκτικότητας για µαγνητικό πεδίο που εφαρµόζεται κάθετα και παράλληλα στον άξονα του νανοσωλήνα, αντίστοιχα. Σε<br />
αυτή την περίπτωση, η χ || προσεγγίζει την ατοµική<br />
M (emu/g)<br />
0.08<br />
0.04<br />
0.00<br />
-0.04<br />
-0.08<br />
-0.12<br />
-0.16<br />
-0.20<br />
-0.24<br />
B-doped MWNT<br />
Pure-MWNT<br />
200 K<br />
100 K<br />
60 K<br />
2 K<br />
χ dia<br />
~ -7.5x10 -7 emu/g Oe<br />
0 10 20 30 40 50<br />
H (kOe)<br />
2 K<br />
100 K<br />
200 K<br />
Σχήµα 1. Η ισόθερµος µεταβολή της µαγνήτισης Μ των Β-<br />
MWNTs ως συνάρτηση του µαγνητικού πεδίου σε διάφορες<br />
θερµοκρασίες, σε σύγκριση µε τα αντίστοιχα δεδοµένα<br />
καθαρών MWNTs.<br />
επιδεκτικότητα του άνθρακα χ || =χ a ≈-0.3×10 -6 emu/g, ενώ η<br />
χ ⊥ δίνεται από το µέσο όρο χ ⊥ = (χ c +χ a )/2, όπου χ c η<br />
συνιστώσα της επιδεκτικότητας σε πεδίο κάθετο στα<br />
επίπεδα του γραφίτη, η οποία εκφράζει τη µεγάλη τροχιακή<br />
διαµαγνητική συνεισφορά στην επιδεκτικότητα. Η<br />
διαµαγνητική επιδεκτικότητα αντιστοιχεί τότε στην<br />
έκφραση χ dia =(χ c +2χ a )/3 και η τροχιακή συνεισφορά<br />
χ or ≡χ c −χ a εξάγεται από τα πειραµατικά δεδοµένα ως<br />
χ or =3(χ av −χ a ). Η τροχιακή επιδεκτικότητα βρέθηκε έτσι να<br />
µεταβάλλεται µεταξύ -1.4×10 -7 και -1.2×10 -7 emu/g στην<br />
περιοχή θερµοκρασιών 2-200 Κ. Εφαρµόζοντας το<br />
δισδιάστατο µοντέλο ζωνών του γραφίτη για την τροχιακή<br />
επιδεκτικότητα βρίσκουµε ακολούθως τη θερµοκρασία<br />
εκφυλισµού των εξωτερικών φορέων T 0 = E F0 /k B ≈ 2600 Κ<br />
ή E F0 ≈ 0.22 eV [5].<br />
Το φάσµα ESR των B-MWNTs αποτελείται από µια<br />
λεπτή ασύµµετρη γραµµή συντονισµού, η οποία είναι<br />
χαρακτηριστική αγώγιµων δειγµάτων όταν το πάχος του<br />
δείγµατος είναι συγκρίσιµο του επιδερµικού βάθους. Στην<br />
περίπτωση αυτή, το επιδερµικό φαινόµενο προκαλεί<br />
διαφοράς φάσης µεταξύ της ηλεκτρικής και της µαγνητικής<br />
συνιστώσας του πεδίου µικροκυµάτων, οδηγώντας στην<br />
παρουσία διασποράς στα φάσµατα απορρόφησης και στην<br />
99
g-factor<br />
2.019<br />
2.016<br />
2.013<br />
2.010<br />
2.007<br />
2.004<br />
2.003<br />
2.002<br />
2.001<br />
χ s<br />
(10 -8 emu/g)<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
Pure MWNT<br />
B-doped MWNT<br />
B-doped MWNT<br />
2D graphite<br />
χ 0<br />
+χ 1D<br />
+χ Curie<br />
Pure MWNT<br />
χ 1D<br />
0<br />
0 50 100 150 200 250 300<br />
Temperature (K)<br />
χ 0<br />
χ Curie<br />
Σχήµα 2. Η θερµοκρασιακή εξάρτηση του<br />
παράγοντα g και της επιδεκτικότητας χ s στους Β-<br />
MWNTs, σε σύγκριση µε τα αντίστοιχα<br />
δεδοµένα καθαρών MWNTs.<br />
ασυµµετρία του σχήµατος της γραµµής συντονισµού. Η τιµή του<br />
µέσου παράγοντα g είναι 2.0027(4), η οποία είναι πολύ κοντά στην<br />
τιµή του ελεύθερου ηλεκτρονίου g e =2.0023 και το εύρος της γραµµής<br />
συντονισµού είναι ∆H pp =5.5(7) G στους 298 Κ. Οι τιµές των δύο<br />
αυτών παραµέτρων είναι πολύ µικρότερες από τις αντίστοιχες των<br />
καθαρών ΜWNTs, ενδεικτικές της µειωµένης ανισοτροπίας του<br />
τανυστή g, η οποία συµφωνεί µε τη µείωση της τροχιακής<br />
επιδεκτικότητας.<br />
Με τη µείωση της θερµοκρασίας παρατηρείται µία µικρή γραµµική<br />
µείωση του παράγοντα g, σε αντίθεση µε την εµφανή µεταβολή του<br />
g(T) των καθαρών ΜWNTs, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.<br />
Υποθέτοντας ότι το µήκος διάχυσης των σπιν είναι µεγαλύτερο από τη<br />
διάµετρο των νανοσωλήνων, το φάσµα ESR προκύπτει από τη<br />
στένωση της γραµµής συντονισµού των φορέων αγωγιµότητας µε<br />
µέσο παράγοντα g=(2g ⊥ +g || )/3, όπου g ⊥ και g || είναι οι κύριες τιµές του<br />
παράγοντα g σε µαγνητικό πεδίο κάθετο και παράλληλο στον άξονα<br />
του CN, αντίστοιχα. Βασιζόµενοι στο ίδιο γεωµετρικό µοντέλο των<br />
κυλινδρικά ελισσόµενων γραφιτικών νανοσωλήνων όπως για τη<br />
διαµαγνητική επιδεκτικότητα, και εφαρµόζοντας το δισδιάστατο<br />
µοντέλο ενεργειακών ζωνών του γραφίτη προσδιορίζουµε τη<br />
θερµοκρασία εκφυλισµού εξωτερικών φορέων T 0 =2550(50) K [5]. Η<br />
τιµή του T 0 συµφωνεί µε την τιµή που προέκυψε από την ανάλυση της<br />
διαµαγνητικής επιδεκτικότητας, υποδεικνύοντας µια µετατόπιση της<br />
στάθµης Fermi κατά ≈ 0.2 eV για τους B-MWNTs.<br />
Το σχήµα 2 δείχνει τη θερµοκρασιακή εξάρτηση της<br />
επιδεκτικότητας σπιν χ s , η οποία προσδιορίσθηκε από διπλή<br />
ολοκλήρωση της παραγώγου της απορρόφησης συντονισµού.<br />
Παρατηρείται σηµαντική αύξηση της χ s συγκρινόµενη µε τους<br />
καθαρούς ΜWNTs που αντιστοιχεί προσεγγιστικά στον<br />
πενταπλασιασµό της επιδεκτικότητας στους 298 Κ. Η µεταβολή αυτή<br />
δείχνει µια ανάλογη αύξηση της πυκνότητας καταστάσεων στην<br />
ενέργεια Fermi N(E F ). Ωστόσο, σε θερµοκρασίες Τ
Eπίδραση των Παραμέτρων Σύνθεσης σε Δομικές Ιδιότητες Νανοσωματιδίων Μn-Pt<br />
Σ. Μoυρδικούδης 1,2* , A. Shavel 1 , K. Simeonidis 2 , M. Angelakeris 2 , O. Kalogirou 2 και L. Liz-Marzan 1<br />
1 Departamento de Quimica Fisica, Universidade de Vigo, 36310, Spain<br />
2 Τμήμα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 54124, Eλλάς<br />
*smourd@physics.auth.gr<br />
ΠΕΡΙΛΗΨΗ<br />
Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων της σύνθεσης νανοσωματιδίων Mn-Pt<br />
σε παράγοντες όπως το σχήμα, το μέγεθος και η σύστασή τους. Έγινε χρήση της μεθόδου ‘υγρής χημείας’, όπου κατάλληλες<br />
πρόδρομες μεταλλικές ενώσεις του μαγγανίου και του λευκοχρύσου αποικοδομούνται θερμικά με αποτέλεσμα το<br />
σχηματισμό νανοσωματίδιων. Το είδος και η αναλογία των πρόδρομων και των επιφανειοδραστικών ενώσεων που<br />
χρησιμοποιήθηκαν καθώς και η χημική συμπεριφορά των διαλυτών ήταν οι κύριες παράμετροι που μελετήθηκαν. Το<br />
μέγεθος των λαμβανόμενων νανοσωματιδίων ρυθμίστηκε σε τιμές από 2-9 nm, ενώ το σχήμα τους μπορεί να είναι είτε<br />
σφαιρικό είτε πολυγωνικό (κυβικό, τριγωνικό), σε κάθε περίπτωση ανάλογα με τις αρχικές συνθήκες κατά τη σύνθεση.<br />
Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι παρά τη χρήση αδρανών συνθηκών καθόλη τη διάρκεια της αντίδρασης, το τελικό προϊόν<br />
παρουσιάζει οξείδωση, που εξαρτάται κυρίως από τη μοριακή αναλογία του Mn, το οποίο είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στον<br />
ατμοσφαιρικό αέρα, όπου και διατηρούνται οι κολλοειδείς διασπορές των παραγόμενων νανοσωματιδίων.<br />
ΕΙΣΑΓΩΓΗ<br />
Κατά την τελευταία δεκαετία διμεταλλικά κράματα νανοσωματιδίων του τύπου Μ-Pt (όπου Μ = μεταβατικό μέταλλο,<br />
όπως Fe ή Co) παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, καθώς η υψηλή μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία που παρουσιάζουν τα<br />
υλικά αυτά μετά από ανόπτηση είναι απαραίτητη για εφαρμογές ως μέσα μαγνητικής εγγραφής [1].<br />
Στην εργασία μας παρουσιάζουμε την κολλοειδή σύνθεση νανοσωματιδίων Μn-Pt. To κράμα αυτό εμφανίζει ιδιαίτερο<br />
ενδιαφέρον καθώς οι μαγνητικές του ιδιότητες εξαρτώνται από τη στοιχειομετρία του. Πιο συγκεκριμένα, το ισατομικό<br />
κράμα παρουσιάζει αντισιδηρομαγνητική συμπεριφορά αντίθετα από το κράμα MnPt 3 που εμφανίζει σιδηρομαγνητική. Το<br />
τελευταίο παρουσιάζει ισχυρή μαγνητοοπτική απόκριση και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως μαγνητοοπτικό μέσο<br />
αποθήκευσης πληροφοριών. Oι μαγνητικές ιδιότητες αποδίδονται στην αλληλεπίδραση ανταλλαγής ανάμεσα στα Μn-Mn<br />
σπιν και εξαρτώνται από τις αποστάσεις μεταξύ των ατόμων του μαγγανίου και την κρυσταλλική συμμετρία του μορίου.<br />
Οι νανοκρύσταλλοι που λαμβάνουμε από τις διάφορες συνθετικές διαδικασίες έχουν ‘άτακτη’ εδροκεντρωμένη δομή<br />
(fcc), όπου τα μόρια του μαγγανίου και του λευκόχρυσου κατέχουν τυχαίες θέσεις στο πλέγμα, και οι μαγνητικές ιδιότητες<br />
σε αυτή την περίπτωση είναι πρακτικά αμελητέες. Ωστόσο, το κράμα MnPt 3 μπορεί να μετατραπεί μετά από ανόπτηση σε<br />
σιδηρομαγνητικό υλικό, που για το αντίστοιχο ‘bulk’ κράμα η θερμοκρασία Curie ανέρχεται στους 380 K. Σε αρκετές<br />
περιπτώσεις διαπιστώνεται η μερική οξείδωση του αρχικού Mn, ακόμη και λίγες ημέρες μετά τη σύνθεση, ενώ η ανόπτηση<br />
συχνά οδηγεί σε σχηματισμό συσσωματωμάτων, με συνέπεια την αδυναμία επανασχηματισμού κολλοειδούς διασποράς του<br />
προϊόντος.<br />
ΣΥΝΘΕΣΗ<br />
Η σύνθεση των νανοσωματιδίων Mn-Pt έγινε με μεθόδους ‘υγρής’ χημείας, όπου με θερμική αποικοδόμηση ή αναγωγή<br />
πρόδρομων ενώσεων του Mn και του Pt λαμβάνονται τα προς μελέτη δείγματα νανοσωματιδίων σε κολλοειδή διαλύματα.<br />
(α) Νανοσωματίδια Mn-Pt μεγέθους 2 nm: Σε τρίλαιμη σφαιρική φιάλη που περιέχει 9 ml οκτυλαιθέρα, 126 mg Mn(acac) 2,<br />
197 mg Pt(acac) 2 και 160 mg 1,2-δεκαεξανοδιόλης εφαρμόζεται απαέρωση με χρήση αντλίας κενού και έπειτα ροή Ar.<br />
Στους 100 ο C προστίθενται 158 μL ελαϊκού οξέος και 164 μL ελαϊκής αμίνης με σύριγγα, διαλυμένα σε 1 ml οκτυλαιθέρα.<br />
Το μίγμα θερμαίνεται με ρυθμό 5 C.min -1 στο σημείο αναροής (273 o C) και παραμένει στη θερμοκρασία αυτή για 30 min,<br />
πριν ψυχθεί. To ίζημα κατακρημνίζεται με φυγοκέντρηση με αιθανόλη κι έπειτα γίνονται ακόμη δυο πλύσεις με μίγμα<br />
εξανίου και αιθανόλης. Το προκύπτον στερεό διατηρείται σε εξάνιο, ή σε απιονισμένο νερό με τη βοήθεια υδροξειδίου<br />
τριμεθυλαμίνης [2].<br />
Σχήμα 1: Eικόνες ΤΕΜ για νανοσωματίδια Μn-Pt παρασκευασμένα με τις τρεις διαφορετικές διαδικασίες<br />
σύνθεσης (εικόνες α, β, γ αντίστοιχα)<br />
(β) Νανοσωματίδια Mn-Pt μεγέθους 3.5 nm: Κατάλληλες ποσότητες των αλάτων του Mn και του Pt αναμιγνύονται με 15 ml<br />
τριοκτυλαμίνης. Χωρίς προσθήκη άλλων ενώσεων το μίγμα απαερώνεται και θερμαίνεται υπό Αr αρχικά στους 200 ο C με<br />
101
ρυθμό 4 C.min -1 , έπειτα στους 270 ο C με ρυθμό 9 C.min -1 και τέλος με πολύ αργό ρυθμό στους 332 o C όπου και παραμένει<br />
για 15 min πριν τις διαδικασίες φυγοκέντρησης και πλύσεων. Το τελικό ίζημα ομοίως διασπείρεται σε εξάνιο ή νερό.<br />
(γ) Νανοσωματίδια Μn-Pt μεγέθους 9 nm: Στην περίπτωση αυτή τα αρχικά αντιδραστήρια είναι φαινυλαιθέρας,<br />
δεκαεξυλαμίνη, Pt(acac) 2 , δεκαεξανοδιόλη και αδαμαντανοκαρβοξυλικό οξύ. Στους 100 ο C προστίθεται με σύριγγα<br />
διαφορετική πρόδρομη ένωση μαγγανίου [Mn 2 (CO) 10 ] και μετά από θέρμανση στο σημείο αναροής γίνονται πλύσεις κατά τα<br />
γνωστά, με τη διαφορά ότι τώρα γίνεται χρήση ισοπροπανόλης αντί για αιθανόλη.<br />
ΔΟΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ<br />
Aρχικά λήφθησαν εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (TEM) με σκοπό να εξακριβωθεί το μέγεθος και το<br />
σχήμα των σωματιδίων. Για την προετοιμασία των δειγμάτων ορισμένες σταγόνες αραιού διαλύματος (μίγμα εξανίουτετραϋδροφουρανίου)<br />
αποτέθηκαν σε χάλκινα διάτρητα υποστρώματα των 300 mesh. Στο Σχήμα 1α παρατηρεί κανείς το<br />
σχηματισμό σφαιρικών νανοσωματιδίων με μέσο μέγεθος 2 nm και πολύ ικανοποιητική μονοδιασπορά (2,2%), σε συμφωνία<br />
με τη βιβλιογραφία. Η (β) σύνθεση οδήγησε στην παραγωγή σωματιδίων μεγέθους ~3.5 nm (σ=5 %), ενώ το σχήμα ήταν και<br />
πάλι κατά κύριο λόγο σφαιρικό, όπως φαίνεται στο σχήμα 1β. Η χρήση της τριοκτυλαμίνης ως μόνου αντιδραστηρίου εκτός<br />
των προδρόμων ενώσεων προφανώς οδήγησε στο διαχωρισμό των σταδίων πυρηνοποίησης και ανάπτυξης των σωματιδίων.<br />
Παραπλήσιο μέγεθος σωματιδίων έχει αναφερθεί κατά παρόμοια χρήση τριοκτυλαμίνης για το σύστημα FePt [3].<br />
Επιπρόσθετα το σχήμα 1γ δείχνει ότι η χρήση δεκαεξυλαμίνης και αδαμαντανοκαρβοξυλικού οξέος ως επιφανειοδραστικά<br />
οδήγησε στη λήψη πολυγωνικών (κυβικών, τριγωνικών κλπ) νανοσωματιδίων, με μέσο μέγεθος 9 nm και ελαφρώς<br />
ελαττωμένη αλλά ικανοποιητική μονοδιασπορά (σ=6,4%).<br />
(α)<br />
(β)<br />
Σχήμα 2: (α) Φάσμα ΧPS για νανοσωματίδια Μn-Pt παρασκευασμένα σε τριοκτυλαμίνη, (β) Μεγέθυνση στην περιοχή<br />
654-634 eV<br />
Tα δείγματα χαρακτηρίστηκαν ακόμη με τη μέθοδο ΧΡS (φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων-Χ). Η τεχνική αυτή<br />
βασίζεται στην ενεργειακή ανάλυση των ηλεκτρονίων που εξάγονται κυρίως από εσωτερικές ηλεκτρονιακές στάθμες των<br />
ατόμων του στερεού, όταν αυτό εκτίθεται σε ακτίνες-Χ συγκεκριμένης ενέργειας. Η ακριβής κινητική ενέργεια των κορυφών<br />
στο φάσμα των εξερχόμενων ηλεκτρονίων είναι χαρακτηριστική του είδους των ατόμων [ποιοτική ανάλυση] αλλά και του<br />
χημικού περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκονται τα άτομα αυτά [χημικές μετατοπίσεις]. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε κάθε<br />
χαρακτηριστική ενέργεια είναι ανάλογος της συγκέντρωσης των συγκεκριμένων ατόμων στην περιοχή ανάλυσης [ποσοτική<br />
ανάλυση]. Στο σχήμα 2α φαίνεται το φάσμα ΧPS για νανοσωματίδια που παρήχθησαν με τη (β) μέθοδο. Η παρουσία Ν και<br />
C αποδίδεται στην προσκόλληση των επιφανειοδραστικών ενώσεων, το Si είναι υπόστρωμα για τη μέτρηση ενώ η αναλογία<br />
Μn/Pt είναι ελαφρά υψηλότερη από την προσδοκώμενη για σιδηρομαγνητικη συμπεριφορά (1/3). Ωστόσο, σημαντικό μέρος<br />
του Mn oξειδώνεται παρά τη χρήση αδρανών συνθηκών, όπως φαίνεται στη μεγέθυνση του φάσματος για τις κορυφές του<br />
Mn, στο σχήμα 2β. Kατά συνέπεια, θεωρείται πιθανή η συνύπαρξη ΜnPt 3 και οξειδίων του μαγγανίου. Αρκετά χαμηλότερη<br />
αναλογία Μn/Pt αλλά και ελαφρά μικρότερος βαθμός οξείδωσης παρατηρήθηκε για το δείγμα της (γ) μεθόδου.<br />
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ<br />
Στην παρούσα εργασία παρουσιάστηκε η επίδραση των παραμέτρων της μεθόδου σύνθεσης στα πρωτογενή δομικά<br />
χαρακτηριστικά νανοσωματιδίων Μn-Pt. Ο έλεγχος του σχήματος, του μεγέθους καθώς και της μονοδιασποράς των<br />
σωματιδίων σε συνάρτηση με τα αρχικά αντιδραστήρια διαπιστώθηκε από μετρήσεις ΤΕΜ, ενώ η μέθοδος ΧPS κατέδειξε<br />
ικανοποιητική αναλογία μεταξύ Μn και Pt στο τελικό προϊόν, ωστόσο παρατηρήθηκε αυξημένη τάση του Mn στην<br />
οξείδωση. Μελλοντικές μαγνητικές μετρήσεις θα δώσουν περαιτέρω πληροφορίες για τις ιδιότητες των διαφόρων τύπων<br />
νανοσωματιδίων.<br />
ΑΝΑΦΟΡΕΣ<br />
[1] Sun S. H., Murray C. B., Weller D., Folks L., Moser A., Science, 287 (2000) 1989.<br />
[2] Lee D. C., Ghezelbash A., Stowell C. A., Korgel B. A., J. Phys. Chem. B, 110 (2006) 20906.<br />
[3] Sui Y. C., Zhao Y., Daniil M., Li X. Z., Sellmyer D. J., J. Appl. Phys., 99 (2006) 08G704.<br />
EYXAΡΙΣΤΙΕΣ<br />
Η εν λόγω έρευνα υποστηρίζεται από τη ΓΓΕΤ (ΠΕΝΕΔ 2004 – Κωδικός έργου 03ΕΔ667).<br />
102
Synthesis, Structural Characterization and Magnetic Properties of ZnFe 2 O 4 and Indoped<br />
ZnFe 2 O 4 nanoparticles<br />
M. Maletin 1,2 , E. G. Moshopoulou 1 , A. G. Kontos 3,4 , E. Devlin 1 , V. V. Srdic 2<br />
1 Institute of Materials Science, NCSR «Demokritos», 15310 Agia Paraskevi, Greece<br />
2 Department of Materials Engineering, Faculty of Technology, University of Novi Sad, Bul. Cara Lazara 1, 21000 Novi Sad,<br />
Serbia<br />
3 Physics Department, National Technical University of Athens, 15780 Athens, Greece<br />
4 Institute of Physical Chemistry, NCSR «Demokritos», 15310 Agia Paraskevi, Greece<br />
The spinel ZnFe 2 O 4 and doped derivatives intrigued solid state scientists for more than a century, since they exhibit a<br />
complex relationship between preparation method, form (single-, poly- or nano- crystalline), doping, crystal and magnetic<br />
structure and magnetic properties. Especially nanocrystalline ZnFe 2 O 4 and doped derivatives are attractive materials not only<br />
from the fundamental point of understanding such a complex relationship but also for applications in such diverse fields as<br />
energy, medicine and environment. Our contribution to this area of magnetism is to investigate the just-mentioned<br />
relationship for nanoparticles of ZnFe 2 O 4 and In-doped ZnFe 2 O 4 with ultimate goal to design and produce new<br />
electroceramics with novel or enhanced properties for specialized applications.<br />
By using a co-precipitation method we produced single-phase ZnFe 2 O 4 and Zn 1-x In x Fe 2 O 4 (with nominal<br />
composition x = 0.15) nanoparticles. They have size of about 4 nm deduced by conventional powder X-ray diffraction and<br />
high resolution transmission electron microscopy. To our knowledge, this is among the smallest size’s single phase ZnFe 2 O 4<br />
nanoparticles ever produced. For higher In-content, namely 0.2≤x≤0.6 (nominal composition), the spinel phase is present but<br />
also a second highly crystalline phase, In(OH) 3 , is clearly observed by conventional powder X-ray diffraction. Ongoing<br />
Mössbauer experiments reveal that there is disorder among the cations in the spinel structure for both undoped and In-doped<br />
ZnFe 2 O 4 nanoparticles. Raman scattering measurements revealed that In-doping induces significant positive frequency shifts<br />
of about 15 cm−1 for both A1g modes, demonstrating that In is indeed incorporated into the structure. The frequency shifts<br />
observed are justified by the strong coupling of the oxygen atoms with In.<br />
Magnetic measurements obtained by a SQUID magnetometer, revealed that In-doped ZnFe 2 O 4 nanoparticles are<br />
paramagnetic at room temperature. At 5 K, the characteristic hysteresis loop has been obtained. The magnetization of the Indoped<br />
ZnFe 2 O 4 nanoparticles decreases and their coercivity increases compared with undoped ones.<br />
The above study reveals a complex structure-property relationship in spinel nanoparticles and advances our basic<br />
understanding on the magnetism of nanoscale spinel systems. It also demonstrates that these materials are flexible and<br />
adaptive to changes of the doping concentration and therefore they hold promises to be susceptible to processing and thus to<br />
be useful for a wide variety of applications.<br />
103
ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΠΑΙΔΕΥΣΗΣ ΣΕ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΜΕ<br />
ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΠΥΡΗΝΑ/ΦΛΟΙΟΥ<br />
Μαριάννα Βασιλακάκη * , Καλλιόπη Τροχίδου<br />
Ινστιτoύτο Επιστήμης των Υλικών ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος»<br />
153 10 Αγία Παρασκευή Αττική<br />
*marianna05@ims.demokritos.gr<br />
Τα τελευταία χρόνια μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει η μελέτη των μαγνητικών νανοσωματιδίων τόσο από την πλευρά της<br />
βασικής φυσικής, λόγω των πεπερασμένων διαστάσεων τους που τα διαφοροποιούν από τα συμπαγή (bulk) υλικά, όσο και<br />
εξαιτίας της ευρείας χρήσης τους κυρίως σαν μέσα μαγνητικής εγγραφής και πιο πρόσφατα σε ιατρικές εφαρμογές. Η<br />
μείωση των διαστάσεων των νανοσωματιδίων είναι απαραίτητη για την αύξηση της αποθηκευτικής ικανότητας σαν μέσων<br />
μαγνητικής εγγραφής. Όμως με την μείωση αυτή τα νανοσωματίδια χάνουν τη μαγνητική τους σταθερότητα πάνω από μία<br />
θερμοκρασία την θερμοκρασία φραγμού (Τ Β ), εξαιτίας του ότι η ενέργεια ανισοτροπίας τους, που είναι υπεύθυνη για τον<br />
προσανατολισμό των μαγνητικών ροπών σε συγκεκριμένες διευθύνσεις, γίνεται μικρότερη από τη θερμική ενέργειά τους, και<br />
συμπεριφέρονται ως υπερπαραμαγνητικά.<br />
Η απαίτηση για μείωση των διαστάσεων με ταυτόχρονη αύξηση της ενέργειας ανισοτροπίας οδήγησε στη μελέτη των<br />
νανοσωματιδίων με σύνθετη δομή πυρήνα/φλοιού με διαφορετική μαγνητική τάξη [1,2]. Αυτά παρουσιάζουν μία<br />
επιπρόσθετη μορφή ανισοτροπίας, η οποία προέρχεται από την μαγνητική αλληλεπίδραση ανταλλαγής στην ενδοεπιφάνεια<br />
μεταξύ του πυρήνα και του φλοιού προκαλώντας την αύξηση των τιμών του συνεκτικού πεδίου και του πεδίου ανταλλαγής.<br />
Ένα ενδιαφέρον φαινόμενο που συνοδεύει την ανισοτροπία ανταλλαγής είναι το φαινόμενο παίδευσης (training effect)<br />
[3,4]. Το φαινόμενο αυτό παρουσιάζεται στη διαδικασία σχηματισμού διαδοχικών βρόχων υστέρησης κρατώντας σταθερές<br />
όλες τις άλλες παραμέτρους του συστήματος ύστερα από μία διαδικασία ψύξης και συνίσταται στην μείωση των τιμών του<br />
συνεκτικού πεδίου, του πεδίου ανταλλαγής και της παραμένουσας μαγνήτισης με την αύξηση του αριθμού των βρόχων<br />
υστέρησης. Η μελέτη του φαινομένου παίδευσης δείχνει ότι υπάρχουν διαφορές στο μηχανισμό του φαινομένου στα<br />
διστρωματικά υλικά [3] και στα σύνθετα νανοσωματίδια [4].<br />
Στην παρούσα εργασία μελετήσαμε τους μηχανισμούς δημιουργίας του φαινομένου παίδευσης σε σύνθετα<br />
νανοσωματίδια με μορφολογία σιδηρομαγνητικού (FM) πυρήνα και αντισιδηρομαγνητικού (AFM) ή σιδηριμαγνητικού (FI)<br />
φλοιού και τους παράγοντες που το επηρεάζουν με τη χρήση της μεθόδου Metropolis Monte Carlo. Θεωρήσαμε σφαιρικά<br />
νανοσωματίδια όπου τα σπιν τους αλληλεπιδρούν με αλληλεπιδράσεις τύπου Heisenberg. Οι προσομοιώσεις μας έδειξαν ότι<br />
το φαινόμενο παίδευσης προέρχεται από τον ανασχηματισμό των σπιν στην διεπιφάνεια και στον φλοιό κατά την<br />
επαναληπτική διαδικασία σχηματισμού των βρόχων υστέρησης. Πιο συγκεκριμένα είδαμε ότι στα σύνθετα νανοσωματίδια<br />
με AFM φλοιό το φαινόμενο παίδευσης είναι εντονότερο σε σχέση με αυτών με FI φλοιό εξαιτίας της συμμετοχής των<br />
αντισιδηρομαγνητικών στρωμάτων του φλοιού στο φαινόμενο, ενώ στη σιδηριμαγνητική περίπτωση μόνο τα σπιν της<br />
διεπιφάνειας συμμετέχουν.<br />
a)<br />
Training effect of H<br />
ex<br />
(%)<br />
100<br />
95<br />
90<br />
85<br />
80<br />
75<br />
70<br />
65<br />
60<br />
55<br />
50<br />
45<br />
AFsh6<br />
AFsh10<br />
AFsh15<br />
1 2 3 4 5 6<br />
Loop number<br />
Training effect of H<br />
c<br />
(%)<br />
100<br />
95<br />
90<br />
85<br />
80<br />
75<br />
70<br />
65<br />
60<br />
1 2 3 4 5 6<br />
Loop number<br />
b)<br />
Training effect of H<br />
ex<br />
(%)<br />
100<br />
95<br />
90<br />
85<br />
80<br />
75<br />
1 2 3 4 5 6<br />
Loop number<br />
FIsh6<br />
FIsh10<br />
FIsh15<br />
Training effect of H c<br />
(%)<br />
100<br />
98<br />
96<br />
94<br />
92<br />
1 2 3 4 5 6<br />
Loop number<br />
Σχήμα 1 Το ποσοστό μείωσης της αρχικής τιμής του πεδίου ανταλλαγής Η ex και του συνεκτικού πεδίου Η c ως<br />
συνάρτηση του αριθμού των επαναλαμβανόμενων βρόχων υστέρησης για νανοσωματίδια με FMπυρήνα=7 και AF ή FI<br />
φλοιό=6,10,15 πλεγματικών σταθερών σε θερμοκρασία Τ=0.01 J FM /k B .<br />
104
Μελετήσαμε την εξάρτηση του φαινομένου παίδευσης από το μέγεθος του φλοιού και είδαμε ότι στα σύνθετα<br />
νανοσωματίδια με αντισιδηρομαγνητικό φλοιό το φαινόμενο παίδευσης “Σχήμα 1a” στο συνεκτικό πεδίο, στο πεδίο<br />
ανταλλαγής και στην παραμένουσα μαγνήτιση γίνεται εντονότερο με την αύξηση του μεγέθους του φλοιού ενώ αντίστροφα<br />
στη σιδηριμαγνητική περίπτωση μειώνεται “Σχήμα 1b” .<br />
Στη συνέχεια μελετήσαμε την επίδραση του είδους της ανισοτροπίας στην αντισιδηρομαγνητική και στην<br />
σιδηριμαγνητική διεπιφάνεια και είδαμε ότι η εισαγωγή μονοαξονικής z ανισοτροπίας στη διεπιφάνεια αυξάνει το φαινόμενο<br />
παίδευσης “Σχήμα 2”.<br />
Training effect of H ex<br />
(%)<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
1 2 3 4 5 6<br />
Loop number<br />
Training effect of H c<br />
(%)<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
1 2 3 4 5 6<br />
Loop number<br />
Σχήμα 2 Το ποσοστό μείωσης της αρχικής τιμής του πεδίου ανταλλαγής Η ex και του συνεκτικού πεδίου Η c κατά τη διάρκεια<br />
της παίδευσης ως συνάρτηση του αριθμού των επαναλαμβανόμενων βρόχων υστέρησης (Loop number) για ένα<br />
νανοσωματίδιο με πυρήνα 5 και φλοιό 4 πλεγματικές σταθερές για την περίπτωση όπου έχουμε αντισιδηρομαγνητικό (■) ή<br />
σιδηριμαγνητικό φλοιό (●) με τυχαία ανισοτροπία, σιδηριμαγνητικό φλοιό με τυχαία ανισοτροπία στον φλοιό και στο<br />
σιδηριμαγνητικό στρώμα της διεπιφάνειας (FM/FI) (▢) και αντισιδηρομαγνητικό φλοιό με τυχαία ανισοτροπία στον φλοιό<br />
και στο αντισιδηρομαγνητικό στρώμα της διεπιφάνειας (FM/ΑF) (□) σε θερμοκρασία Τ=0.01 J FM /k B.<br />
Τέλος, έγινε μελέτη της επίδρασης του μεγέθους και του είδους της ανισοτροπίας του φλοιού στο φαινόμενο<br />
πάιδευσης. Βρήκαμε ότι η εισαγωγή ισχυρής ανισοτροπίας στον φλοιό με παράλληλη αύξηση του λόγου των μεγεθών<br />
ανισοτροπίας του φλοιού “Σχήμα 3” ως προς της διεπιφάνειας ενισχύει το φαινόμενο παίδευσης όπως επίσης και η εισαγωγή<br />
ενός υαλώδους φλοιού.<br />
100<br />
100<br />
Training effect of H ex<br />
(%)<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
K IF(FM)<br />
=0.5 K IF(AF)<br />
=0.5<br />
K IF(FM)<br />
=0.5 K IF(AF)<br />
=1.5<br />
K IF(FM)<br />
=1.5 K IF(AF)<br />
=1.5<br />
Training effect of H c<br />
(%)<br />
95<br />
90<br />
85<br />
80<br />
75<br />
50<br />
1 2 3 4 5 6<br />
Loop number<br />
70<br />
1 2 3 4 5 6<br />
Loop number<br />
Σχήμα 3 Το ποσοστό μείωσης της αρχικής τιμής του πεδίου ανταλλαγής Η ex και του συνεκτικού πεδίου Η c κατά τη<br />
διάρκεια της παίδευσης ως συνάρτηση του αριθμού των επαναλαμβανόμενων βρόχων υστέρησης για νανοσωματίδια<br />
FMcore/FIshell με τιμές μονοαξονικής z ανισοτροπίας στην διεπιφάνεια και στον φλοιό για τρείς διαφορετικές<br />
περιπτώσεις : K IF(FM) =K IF(AF) =0.5 J FM , K IF(FM) =0.5 J FM και K IF(AF) =1.5 J FM , K IF(FM) =K IF(AF) =1.5 J FM , σε θερμοκρασία<br />
Τ=0.01 J FM /k B . B<br />
Τα αποτελέσματα της αριθμητικής μας μελέτης θα συγκριθούν με πρόσφατα πειραματικά δεδομένα του φαινόμενου<br />
παίδευσης στα σύνθετα μαγνητικά νανοσωματίδια.<br />
[1] Eftaxias E. and Trohidou K., Phys. Rev. B 71, (2005) 134406<br />
[2] Nogues J., Sort J., Langlais V., Skumryev V., Surinach S., Munoz J.S. and Baro M.D., Physics Reports 422 (2005) 65<br />
[3] Ηochstrat Α., Binek Ch., Kleemann W., Phys.Rev B 66, (2002) 092409.<br />
[4] Trohidou N.K.,Vasilakaki M., Del Bianco L., Fiorani D., Testa M.A., J.M.M.M 316 (2007) e82-e85.<br />
105
Νέοι Εξαφερίτες Ba µε Υποκατάσταση Dy για Εφαρµογές Μονίµων Μαγνητών<br />
Λιτσαρδάκης Γ. 1,* , Μανωλάκης Ι. 1 , Στεργίου Α. 2 , Σερλέτης Χ. 2 και Ευθυµιάδης Κ.Γ. 2<br />
1 Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ, Α.Π.Θ.<br />
2<br />
Τµήµα Φυσικής, Α.Π.Θ.<br />
*Lits@eng.auth.gr<br />
ΠΕΡΙΛΗΨΗ<br />
Μια νέα σειρά εξαφεριτών βαρίου µε υποκατάσταση δυσπροσίου και χηµικό τύπο (Ba 1-x Dy x )O⋅5.25Fe 2 O 3 (x=0−0.30),<br />
παρασκευάστηκε µε τη µέθοδο της συγκαταβύθισης από νιτρικά άλατα και ανόπτηση σε θερµοκρασίες 900-1200 ο C. Σε όλα<br />
τα διαγράµµατα κόνεως XRD των δειγµάτων διαπιστώνεται ότι αυτά εµφανίζουν τη δοµή εξαφερίτη τύπου Μ και είναι<br />
µονοφασικά µέχρι και το x=0.15. Για µεγαλύτερα ποσοστά υποκατάστασης του Ba από Dy παρατηρείται ως µόνη<br />
δευτερεύουσα φάση το α-Fe 2 O 3 σε ίχνη (~ 1-10 %). Ο σχηµατισµός του (α-Fe 2 O 3 ) ευνοείται και µε την αύξηση της<br />
θερµοκρασίας ανόπτησης . Η απουσία άλλων φάσεων υποδεικνύει την ενσωµάτωση του Dy στη δοµή του εξαφερίτη σε όλο<br />
το εύρος της υποκατάστασης. Η ειδική µαγνήτιση κορεσµού σ sat µειώνεται ελαφρά µε την υποκατάσταση και κυµαίνεται<br />
µεταξύ 65-62 Am 2 /kg µέχρι x=0.25. Η µικρή µείωση της µαγνήτισης αποδίδεται στην παρουσία του α-Fe 2 O 3 . Το συνεκτικό<br />
πεδίο αυξάνεται σηµαντικά, από 365 kA/m για x=0 σε 440 kA/m για x=0.15-0.25.<br />
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ<br />
Οι εξαγωνικοί φερίτες τύπου Μ, µε χηµικό τύπο [Ba/Sr]Fe 12 O 19 , χρησιµοποιούνται ως υλικά µονίµων µαγνητών επί<br />
δεκαετίες. Οι µαγνητικές τους επιδόσεις είναι µέτριες, αλλά έχουν ευθεία καµπύλη αποµαγνήτισης, γεγονός που επιτρέπει<br />
την κατασκευή µαγνητών µε κάθε είδους σχήµα. Το βασικό τους πλεονέκτηµα είναι το χαµηλό κόστος των πρώτων υλών<br />
(οξείδια) και της µεθόδου παρασκευής (κονιοµεταλλουργία). Με σκοπό τη βελτίωση των µαγνητικών ιδιοτήτων, έχουν<br />
επιχειρηθεί διάφορες υποκαταστάσεις των κατιόντων, χωρίς µεγάλη επιτυχία, επειδή συνήθως το συνεκτικό πεδίο και η<br />
µαγνήτιση µεταβάλλονται αντίστροφα. Πρόσφατα, µε υποκατάσταση από La και La-Co, επιτεύχθηκε σηµαντική αύξηση στο<br />
συνεκτικό πεδίο, χωρίς ταυτόχρονη πτώση της µαγνήτισης η οποία αποδόθηκε σε αύξηση του πεδίου ανισοτροπίας [1-2]. Σε<br />
εξαφερίτες µε άλλες σπάνιες γαίες ως υποκαταστάτες του Ba ή του Sr, πιο συγκεκριµένα µε Sm [3], Nd [4] ή Pr [5],<br />
παρατηρήθηκε αύξηση στο συνεκτικό πεδίο που συσχετίστηκε κυρίως µε µεταβολές στη µικροδοµή των υλικών, καθώς<br />
σχηµατίζονται δευτερεύουσες φάσεις από τα ιόντα της σπάνιας γαίας τα οποία δεν ενσωµατώνονται πλήρως στο<br />
κρυσταλλικό πλέγµα του εξαφερίτη.<br />
Σε προηγούµενες µελέτες µας παρασκευάσαµε για πρώτη φορά εξαφερίτες Ba και Sr µε ταυτόχρονη υποκατάσταση Gd-<br />
Co, [Ba/Sr] 1-x Gd x Fe 12-x Co x O 19 [6-8] χρησιµοποιώντας την κλασική κεραµική µέθοδο. ∆ιαπιστώσαµε ότι η υποκατάσταση<br />
γαδολινίου αυξάνει το συνεκτικό πεδίο για το Ba (282 kA/m-3.54 kOe), , ενώ η µαγνήτιση παρουσιάζει µια συνεχή πτώση µε<br />
την αύξηση του ποσοστού υποκατάστασης καθώς σχηµατίζονται δευτερεύουσες φάσεις γαδολινίου, κοβαλτίου και σιδήρου.<br />
Κατόπιν παρασκευάσαµε νέες σειρές εξαφεριτών µε υποκατάσταση µόνο Gd και περίσσεια Sr ή Ba, συγκεκριµένα (Sr 1-<br />
xGd x )O⋅5.25 Fe 2 O 3 [9] και (Ba 1-x Gd x )O⋅5.25 Fe 2 O 3 [10], επίσης µε την κλασική κεραµική µέθοδο. Ο αριθµός και το ποσοστό<br />
ανεπιθύµητων φάσεων περιορίστηκαν δραστικά και η µαγνήτιση δεν µειώνεται µέχρι x=0.20, ενώ για πρώτη φορά<br />
παρασκευάστηκαν µονοφασικά δείγµατα µε x=0,05-0,10. Η εξέταση της µικροδοµής έδειξε ότι το Gd εµποδίζει την<br />
ανάπτυξη των κόκκων, γεγονός που ερµηνεύει την σηµαντική αύξηση του συνεκτικού πεδίου (µε Ba 322 kA/m, µε Sr 305<br />
kA/m). Η παρασκευή της σύστασης αυτής, (Ba 1-x Gd x )O⋅5.25 Fe 2 O 3 , µε τη µέθοδο της συγκαταβύθισης [11], έδωσε<br />
σηµαντικά αποτελέσµατα : εξαφερίτες Ba-Gd, µε πολύ αυξηµένο συνεκτικό πεδίο (457 kA/m), µονοφασικούς µέχρι x=0,20<br />
και χωρίς άλλες φάσεις γαδολινίου. Στην παρούσα εργασία εξετάζουµε την υποκατάσταση του Ba µε Dy - που δεν έχει<br />
επιχειρηθεί ξανά - και παρουσιάζουµε τα αποτελέσµατα της µελέτης της δοµής και των µαγνητικών ιδιοτήτων.<br />
2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ∆ΙΑ∆ΙΚΑΣΙΑ<br />
Παρασκευάστηκε η σειρά των εξαφεριτών µε ονοµαστικό χηµικό τύπο (Ba 1-x Dy x )O ⋅ 5.25 Fe 2 O 3 , όπου x = 0, 0.05, 0.10,<br />
0.15, 0.20, 0.25 και 0.30, µε τη χηµική µέθοδο συγκαταβύθισης κατιόντων από υδατικά διαλύµατα των αντίστοιχων νιτρικών<br />
αλάτων Ba, Dy και Fe. Πρόκειται για µέθοδο που παράγει οµοιογενή υλικά, λόγω της καλύτερης διάχυσης των αντιδρώντων,<br />
και µε µικρό µέγεθος κόκκων,
012<br />
104<br />
110<br />
116<br />
x=0,30<br />
x=0,25<br />
x=0,15<br />
x=0,05<br />
x=0<br />
20 30 40 50 60 70<br />
2theta (CuKa)<br />
Σχήµα 1. ∆ιαγράµµατα περίθλασης των δειγµάτων (Ba 1-x Dy x )O⋅5.25Fe 2 O 3 (x=0−0.30) που ανοπτήθηκαν στους 1000 o C .<br />
Με σηµειώνονται οι θέσεις των κορυφών του αιµατίτη (α-Fe 2 O 3 ).<br />
ειδική µαγνήτιση σ [Am 2 /kg]<br />
80<br />
60<br />
x=0,25<br />
40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
-40<br />
-60<br />
-80<br />
-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0<br />
πεδίο µοH [T]<br />
σ @ 1,8 Τ<br />
90<br />
500<br />
450<br />
80<br />
400<br />
350<br />
70<br />
300<br />
250<br />
60<br />
200<br />
150<br />
50<br />
100<br />
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 x<br />
Hc (kA/m)<br />
σs Gd σs Dy Hc Gd Hc Dy<br />
Σχήµα 2. Βρόχος υστέρησης για x=0,25 και Τ αν =1000 o C<br />
Σχήµα 3. Ειδική µαγνήτιση () στα 1,8 Τ και συνεκτικό πεδίο<br />
(•) για x=0-0,3 και Τ αν =1000 o C. Με λευκό φόντο δίνονται<br />
για σύγκριση οι τιµές των αντίστοιχων δειγµάτων µε Gd<br />
πεδίο Η c = 441 kA/m (5,6 kOe). Στο Σχήµα 3 καταγράφεται η µεταβολή της ειδικής µαγνήτισης κορεσµού σ sat και του<br />
συνεκτικού πεδίου µε το ποσοστό υποκατάστασης x, για Τ αν =1000 o C. Η µαγνήτιση µειώνεται ελαφρά µε την υποκατάσταση<br />
και κυµαίνεται µεταξύ 65-62 Am 2 /kg µέχρι x=0.25. Η ειδική παραµένουσα µαγνήτιση σ r ακολουθεί την ίδια µεταβολή,<br />
καθώς ισούται περίπου µε το 50% της σ sat . Η µικρή µείωση της µαγνήτισης συνδέεται µε την παρουσία του α-Fe 2 O 3 . Το<br />
συνεκτικό πεδίο αυξάνεται σηµαντικά, από 365 kA/m για x=0 σε 440 kA/m για x=0.15-0.25. Η πτώση που παρατηρείται για<br />
x=0,30 δεν αξιολογείται καθώς το συγκεκριµένο δείγµα υπέστη ατελή ανόπτηση, ∆ιαπιστώνουµε ότι τα ευρήµατα, τόσο για<br />
τη σύσταση όσο και για τις µαγνητικές ιδιότητες είναι εντελώς ανάλογα µε αυτά της αντίστοιχης σειράς του (Ba 1-<br />
xGd x )O⋅5.25 Fe 2 O 3 [11]. Για την ερµηνεία των αποτελεσµάτων, πέραν της επίδρασης της σπάνιας γαίας στην ανάπτυξη των<br />
κόκκων που έχει διαπιστωθεί, εξετάζεται η κατανοµή των κατιόντων στα υποπλέγµατα του εξαφερίτη και η ενδογενής<br />
επίδραση στο πεδίο ανισοτροπίας.<br />
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ<br />
1. Ogata, Y. et al, IEEE Trans. on Magn. 35 (1999) No 5 3334-3336<br />
2. Kools, F. et al, J. Magn. Magn. Mater. 242-245 (2002) 1270-1276<br />
3. Lechevallier, L. et al, J. Magn. Magn. Mater. 269 (2004) 192<br />
4. Yamamoto H., Isono M. and Kobayashi, T., J. Magn. Magn. Mater. 295 (2005) 51-56<br />
5. Wang, J.F, Ponton, C.B. and Harris, I.R , J. All. Comp. 403 (2005) Issues 1-2, 104-109<br />
6. Λιτσαρδάκης Γ. et al, XX Συνέδριο ΦΣΚ&EY, Ιωάννινα 2004<br />
7. Λιτσαρδάκης Γ. et al, XXI Συνέδριο ΦΣΚ&EY, Λευκωσία 2005<br />
8. G. Litsardakis, I. Manolakis and K. Efthimiadis, J.All.Comp. 427 (2007) 194-198<br />
9. G. Litsardakis, et al., J. Magn. Magn. Mater. 310 (2007) e884-e886, doi:10.1016/j.jmmm.2007.02.046<br />
10. G. Litsardakis, et al., J. Magn. Magn. Mater. (2006), doi:10.1016/j.jmmm.2006.10.1107<br />
11. Λιτσαρδάκης Γ. et al, XXII Συνέδριο ΦΣΚ&EY, Πάτρα 2006<br />
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ<br />
Η εργασία πραγµατοποιήθηκε στα πλαίσια του ΕΠΕΑΕΚ-Πυθαγόρας ΙΙ - Υποέργο: Νέοι µαγνητικοί εξαφερίτες µε<br />
υποκατάσταση σπάνιας γαίας.<br />
107
Crystal Structure of a new Supramolecular Copper(I) complex (μ-isothiocyanato)-(2-<br />
pyridinecarboxaldehydebenzoylhydrazonato)Copper(I)<br />
Paschalidis Damianos G. 1 , Batistakis Chrysostomos 2 , Gan Yu 3 , Cardin Christine J. 3 , Kavounis A. Constantinos 2*<br />
1 Aristoteles University of Thessaloniki, Chemistry Department 54124 Thessaloniki Greece<br />
2 Aristoteles University of Thessaloniki School of Science, Physics Department 54 124 Thessaloniki Greece<br />
3 School of Chemistry University of Reading Whiteknights Reading RG6 6AD England<br />
Abstract<br />
In the present work we report the crystal structure of the new supramolecular compound (μ-isothiocyanato)-(2-<br />
pyridinecarboxaldehydebenzoylhydrazonato)Copper(I). Crystals of the complex are monoclinic, space group P 2 1 /n and cell<br />
constants a = 8.8370(10) Å, b = 15.625(2) Å, c = 10.3660(10) Å, β = 103.362(12) o and Z = 4. The copper atom is fivecoordinated<br />
in distorted tetragonal pyramidal arrangement. Thiocyanato and isothiocyanato ligands are bridging to the Cu(II)<br />
atoms forming an infinite one dimension chain.<br />
Introduction<br />
The research in supramolecular complexes has been rapidly expanding [1]. One aspect is their fascinating structural<br />
diversity. Another aspect is their potential applications as functional materials in catalysis and magnetism. As part of our<br />
work on hydrazone complexes we report here the crystal structure of a new copper –hydrazone supramolecular complex.<br />
Experimental<br />
Single crystals of copper complex were prepared by placing a 0.5M solution of copper (I) chloride and 1 M<br />
ammoniunm thiocyanate in one arm of a narrow U-tube and an ethanolic 0.5M solution of picolinaldehyde benzoylhydrazone<br />
and 0.5 M tetrabutylammonium hydroxide in the other arm. Suitable crystals with well formed faces appeared after few<br />
hours.<br />
Results and discussion<br />
The presence of a NCS-Cu bridge that connects the crystallographic asymmetric unit to its adjacent forming a<br />
continuous chain through the whole crystal. This is caused by the bidentate ligand NCS which is N-bonded to the metal ion<br />
Cu. The copper atom is five-coordinated in distorted tetragonal pyramidal arrangement. As shown by the clinographic<br />
projection of Fig. 1, the Cu environment involves three nitrogen atoms and an oxygen atom at the base and a sulfur atom in<br />
apical position. Four of the atoms of the base of the pyramid namely the O, Cu, N2 and N3 form a very good least squares<br />
plane from which the N4 deviates by 0.5988(0.0030) Ǻ and the S atom is in the apex at a distance of 2.8465(0.0012) Ǻ . If<br />
we consider the plane formed by the four atoms N2, N3, N4 and O then the Cu atom deviates from their plane by<br />
0.2075(0.0008) Ǻ towards the apex. The two five membered rings involving Cu [Cu, O, C7, N1,N2 and Cu,N3, C9, C8, N2]<br />
form a dihedral angle of 2.44 degrees and the latter of these form a dihedral angle with the pyridine ring to which is attached<br />
of 1.10 degrees. The six-membered ring formed by the atoms C1, C2, C3, C4, C5 and C6 forms a dihedral angle of 3.31<br />
degrees with the three rings plane of the rest molecule. The whole hydrazone molecule forms a least squares plane with an<br />
rms deviation of fitted atoms of 0.0398 Ǻ , from which the N4 atom deviates by 0.6969(0.0024) Ǻ and the S atom is<br />
2.8000(0.0012) Ǻ away.<br />
Table 1. Crystallographic Data<br />
Formula<br />
C 14 H 10 Cu N 4 O S<br />
Fw 345.86<br />
Crystal system<br />
monoclinic<br />
space group P 2 1 /n<br />
a (Å) 8.8370(10)<br />
b (Å) 15.625(2)<br />
c (Å) 10.3660(10)<br />
α (deg) 90.00<br />
β (deg) 103.362(12)<br />
γ (deg) 90.00<br />
V (Å 3 ) 1392.6(3)<br />
Z 4<br />
T (°C) 20<br />
λ (Å) 0.70930<br />
ρ calcd (g cm -3 ) 1.650<br />
R1 0.0291<br />
wR2 0.0745<br />
number of reflns collected 8755<br />
number of inepednent reflns 3048<br />
number of observed reflns<br />
2392 [I>2σ(I)]<br />
θ<br />
2.40
Table 2. Selected Bond Lengths (Å) and Angles (º)<br />
Bond Distances<br />
Cu N2 1.9219(17)<br />
Cu N4 1.9414(19)<br />
Cu O 1.9756(14)<br />
Cu N3 2.0112(17)<br />
S C14 1.643(2)<br />
N1 C7 1.334(2)<br />
N1 N2 1.366(2)<br />
N2 C8 1.282(3)<br />
N3 C13 1.328(3)<br />
N3 C9 1.365(3)<br />
N4 C14 1.161(3)<br />
O C7 1.283(2)<br />
C1 C6 1.395(3)<br />
C1 C2 1.396(3)<br />
C1 C7 1.486(3)<br />
C2 C3 1.384(3)<br />
C3 C4 1.394(3)<br />
C4 C5 1.379(3)<br />
C5 C6 1.381(3)<br />
C8 C9 1.463(3)<br />
C9 C10 1.379(3)<br />
C10 C11 1.390(3)<br />
C11 C12 1.385(3)<br />
C12 C13 1.384(3)<br />
C14 N4 1.161(3)<br />
Bond Angles<br />
N2 Cu N4 160.77(7)<br />
N2 Cu O 79.51(6)<br />
N4 Cu O 98.24(7)<br />
N2 Cu N3 80.70(7)<br />
N4 Cu N3 99.81(7)<br />
O Cu N3 160.12(6)<br />
C7 N1 N2 107.45(16)<br />
C8 N2 N1 123.55(17)<br />
C8 N2 Cu 118.46(14)<br />
N1 N2 Cu 117.91(12)<br />
C13 N3 C9 118.89(18)<br />
C13 N3 Cu 128.68(15)<br />
C9 N3 Cu 112.43(13)<br />
C14 N4 Cu 158.64(17)<br />
C7 O Cu 110.08(12)<br />
O C7 N1 125.00(18)<br />
O C7 C1 119.21(17)<br />
N1 C7 C1 115.79(18)<br />
N2 C8 C9 114.52(19)<br />
N3 C9 C10 121.82(19)<br />
N3 C9 C8 113.82(18)<br />
C10 C9 C8 124.4(2)<br />
C9 C10 C11 118.6(2)<br />
N3 C13 C12 122.5(2)<br />
N4 C14 S 178.00(19)<br />
Figure 1. Clinographic projection of the complex compound<br />
References<br />
[1] Ratten R. S., Robson R. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 37 (1998) 1460.<br />
[2] Mangia, A., Nardelli, M., Pelizzi, C. & Pelizzi, G. Acta Cryst. B30 (1974) 17<br />
[3] Mangia A., Nardelli M., & Pelizzi G. Acta Cryst. B30 (1974) 487<br />
[4] Affan M.,Shamsuddin M., Sukeri M., Yusof M. and Yamin B. Acta Cryst. E60 (2004) m126<br />
109
Magnetic Phase Transition in Synthetic Cobalt-Olivine<br />
A.P. Sazonov 1* , M. Meven 2 , V. Hutanu 1 , G. Heger 1 , M. Merz 1 , V.V. Sikolenko 3<br />
1 Institute of Cristallography, RWTH Aachen, D-52056 Aachen, Germany<br />
2 ZWE FRM-II, TU Munich, D-85747 Garching, Germany<br />
3 BENSC, HMI, D-14109 Berlin, Germany<br />
*E-mail: andrew.sazonov@frm2.tum.de<br />
Olivine-type silicates, M 2 SiO 4 (M – divalent cation), are a major and important component of the upper Earth’s mantle.<br />
Therefore, the properties of these materials are of considerable interest in physics, geology and crystal chemistry. Olivine<br />
compounds are used as an important composition in some refractory materials, additives in cement concrete, acid-resistant<br />
containers, ceramic pigments, etc. Well known examples of natural olivine-type silicates are fayalite (Fe 2 SiO 4 , with<br />
paramagnetic Fe 2+ ions) and forsterite (Mg 2 SiO 4 , with diamagnetic Mg 2+ ions). There are also a few natural members with<br />
another transition (Mn, Ni) or alkaline-earth (Ca) metal ions and their mixtures, e.g. tephroite (Mn 2 SiO 4 ), kirschsteinite<br />
(CaFeSiO 4 ), etc.<br />
A remarkable feature of the orthorhombic olivine-type structure (space group Pnma, no. 62 [1]) consists in two<br />
crystallographically non-equivalent M positions. Moreover, these systems are interesting due to the peculiarities of their<br />
magnetic structures. The magnetic properties of olivine compounds are quite complex and depend on type of M cation.<br />
Synthetic Co 2 SiO 4 also crystallizes in the olivine-type structure. An antiferromagnetic phase transition occurs in this<br />
compound. However, the magnetic properties of Co 2 SiO 4 were not yet well understood. Therefore, in order to determine the<br />
nature of magnetism in this system we have performed both X-ray and neutron diffraction studies as well as magnetization<br />
measurements of cobalt-olivine.<br />
A large Co 2 SiO 4 single crystal (length ~ 1.5 cm, diameter ~ 0.5 cm) was grown by the zone melting method using a mirror<br />
furnace (Inst. of Cryst., RWTH, Aachen). The phase purity was checked using the high resolution X-ray powder diffraction<br />
(MILIDI, Inst. of Cryst., RWTH, Aachen) in the temperature range from 19 to 300 K with Cu Kα radiation. The unpolarized<br />
neutron diffraction measurements were done using the single crystal diffractometer HEiDi [2] at the hot source of the FRM-II<br />
(TU Munich, Germany). Data were collected at 2 K, 55 K and 300 K with wavelength of 0.55 Å up to about sinΘ/λ ≈ 1.1 Å -1 .<br />
We have measured 3021 reflections all together with 1223 unique reflections (891 reflections with I > 3σ(I)) at 2 K.<br />
Likewise, 2232 reflections all together with 1390 unique reflections (1026 reflections with I > 3σ(I)) were collected at 55 K.<br />
At room temperature we have measured 2357 reflections with 1465 unique reflections (1092 reflections with I > 3σ(I)).<br />
Temperature stability was better than 0.1 K. The neutron diffraction data were analyzed with the Rietveld method using the<br />
FullProf program [3]. The dc magnetization measurements were performed using a Quantum Design MPMS-5 SQUID<br />
magnetometer (HMI, Berlin). The temperature dependencies of the magnetization M(T) were measured on warming from 4 to<br />
300 K in a field of 5 T.<br />
As was already pointed out, Co 2 SiO 4 have an olivine-type orthorhombic crystal structure with the space group Pnma in<br />
which four formula units are contained in the unit cell (figure 1). The silicon atoms are coordinated with the four oxygen<br />
atoms to form SiO 4 tetrahedra. The cobalt atoms are surrounded by the six oxygen atoms and form CoO 6 octahedra. There are<br />
two crystallographically non-equivalent Co sites, where Co I (4a) ions are sites of inversion symmetry (the smaller and more<br />
distorted sites), and Co II (4c) ions are in the plane of mirror symmetry (the lager and less distorted sites).<br />
Preliminary studies of the sample at/below room temperature were carried out using X-ray diffraction, and the crystal<br />
structure is confirmed to be orthorhombic. The results indicate that the general trend of the thermal expansion appears to be<br />
normal; the unit cell parameters and the cell volume were found to gradually increase with temperature (figure 2).<br />
a (A)<br />
10.31<br />
10.30<br />
10.29<br />
10.28<br />
b (A)<br />
6.00<br />
5.99<br />
c (A)<br />
4.785<br />
4.780<br />
Figure 1. A schematic representation of Co 2 SiO 4<br />
crystal structure<br />
V (A 3 )<br />
4.775<br />
296<br />
295<br />
294<br />
0 50 100 150 200 250 300<br />
T (K)<br />
Figure 2. Temperature dependency of the lattice<br />
parameters and cell volume of Co 2 SiO 4<br />
According to experimental data, an antiferromagnetic phase transition occurs in this compound at T N ≈ 50 K (figures 3 and<br />
4 and ref. [4]). On the other hand, no significant anomalies were observed in the cell parameters at temperatures near T N . The<br />
investigation of any subtle changes should be performed with smaller temperature steps, but this is outside the scope of the<br />
present work.<br />
110
14<br />
H = 5 T<br />
100<br />
12<br />
80<br />
M (emu/g)<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
c<br />
a<br />
b<br />
0 50 100 150 200 250 300<br />
T (K)<br />
Figure 3. Temperature dependency of the magnetization of<br />
Co 2 SiO 4 along different crystallographic axes.<br />
ΔI/ΔI max<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
(001)<br />
(003)<br />
(502)<br />
0 10 20 30 40 50 60<br />
T (K)<br />
Figure 4. Temperature dependency of several<br />
magnetic reflections of Co 2 SiO 4<br />
According to the neutron diffraction data the magnetic contributions into intensities of Bragg reflections almost disappear<br />
above sinΘ/λ ≈ 0.75 Å -1 . On the other hand side, the nuclear contributions are still strong above 0.75 Å -1 . Thus, we have<br />
precisely refined the crystal structure separately first in order to refine the magnetic structure at the ground state very<br />
accurately afterwards.<br />
Neutron diffraction data at 2 K suggest the magnetic cell is equal to the crystallographic cell (k=0); magnetic structure<br />
corresponds to the Shubnikov magnetic space group Pnma. Cobalt magnetic moments on M II are parallel to the b-axis<br />
whereas on M I they are canted below T N (see figure 5). The magnetic moments equal to about 3.9 and 3.3µ B /Co ion for Co 2+<br />
in M I and M II , respectively (table 1). These values significantly exceed the spin-only moment of 3µ B /Co 2+ ion in high-spin<br />
state (t 2g 5 e g 2 , S = 3/2). Most probably the orbital contribution is significant and different for the two Co species. However, an<br />
additional X-ray magnetic circular dichroism experiments are necessary to separate the spin and orbital contributions to the<br />
total magnetic moment.<br />
It is also worth to note that our calculated values of the magnetic moment of Co I are in a good agreement with ref. [5], but<br />
the M(Co II ) value is smaller. Furthermore, we have found that the thermal behaviors of several magnetic reflections differ<br />
(figure 4). This might be a hint to a different thermal evolution of the different Co-sublattices and should be studied more<br />
precisely. The preliminary results of our refinement of the crystal and magnetic structures of Co 2 SiO 4 at 2 K are reported in<br />
the table 1.<br />
Table 1. Results of refinement of crystal and magnetic<br />
structures for Co 2 SiO 4 in space group Pnma at 2 K.<br />
Unit cell parameters: a = 10.2897(50) Å, b =<br />
5.9886(30) Å, c = 4.7793(24) Å.<br />
Figure 5. A schematic representation of Co 2 SiO 4<br />
magnetic structure<br />
atom x y z U iso<br />
Co(1) 0 0 0 0.0012(2)<br />
Co(2) 0.27604(6) 0.25 0.99131(15) 0.0010(2)<br />
Si 0.09488(4) 0.25 0.42822(8) 0.0011(1)<br />
O1 0.09190(3) 0.25 0.76733(6) 0.0022(1)<br />
O2 0.44849(3) 0.25 0.21571(7) 0.0022(1)<br />
O3 0.16427(2) 0.03325(5) 0.28123(4) 0.0024(1)<br />
M X (µ B ) M Y (µ B ) M Z (µ B ) M (µ B )<br />
Co(1) 1.258(31) 3.587(22) 0.706(87) 3.866(30)<br />
Co(2) - 3.262(23) - 3.262(23)<br />
[1] Hahn T., International Tables for Crystallography. London: Kluwer (1995).<br />
[2] http://www.frm2.tum.de/heidi<br />
[3] Rodriguez-Carvajal J. L., Physica B 55 (1992) 192.<br />
[4] Ballet O., Fuess H. et al, J. Phys: Condens. Matter 1 (1989) 4955.<br />
[5] Lottermoser W. and Fuess H., Phys. Stat. Sol. A 109 (1988) 589.<br />
111
Συσχέτιση πλαστικής παραμόρφωσης και μαγνήτισης σε φερρομαγνητικούς<br />
χάλυβες<br />
Κ. Κοσμάς 1 , P. Svec 2 και Ε. Χριστοφόρου 1,*<br />
1 Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας, Ε. Μ. Πολυτεχνείο, Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου, Αθήνα 15780<br />
2 Slovac Academy of Sciences, Bratislava, Slovakia<br />
Περίληψη<br />
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μια μέθοδος με την οποία είναι δυνατή η μέτρηση<br />
της πλαστικής παραμόρφωσης σε φερρομαγνητικούς χάλυβες. Η μέθοδος στηρίζεται στην<br />
μονοτονική συσχέτιση των ελασσόνων βρόχων μαγνήτισης και της πλαστικής<br />
παραμόρφωσης, καθώς επίσης και της συσχέτισής της με τις διαταραχές σε<br />
φερρομαγνητικά υλικά. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η πρόβλεψη της δημιουργίας<br />
ρωγμών και ατελειών στους εν λόγω χάλυβες.<br />
Οι υπάρχουσες μαγνητικές τεχνικές που είναι σε θέση να μετρήσουν ρωγμές και ατέλειες<br />
σε μαγητικά υλικά είναι η τεχνική ανίχνευσης μαγνητικών ατελειών [1] και οι τεχνικές<br />
δινορρευμάτων [2]. Το βασικό πρόβλημα και των δύο τεχνικών είναι η αδυναμία μέτρησης<br />
ατελειών στο βάθος του υλικού. Επίσης είναι γεγονός ότι υπάρχει μια δυσκολία στον μη<br />
καταστροφικό προσδιορισμό της πλαστικής παραμόρφωσης των μαγνητικών υλικών.<br />
Έτσι, ένας στόχος της ερευνητικής μας ομάδας είναι και η ανάπτυξη μιας τεχνικής για τον<br />
προσδιορισμό της πλαστικής παραμόρφωσης, της πυκνότητας και του είδους των<br />
διαταραχών σε όλο το βάθος του υπο δοκιμή μαγνητικού υλικού. Η μέθοδος αυτή μπορεί<br />
να χρησιμοποιηθεί τόσο στα δομικά μαγνητικά υλικά, τους φερρομαγνητικούς χάλυβες,<br />
όσο και στα λειτουργικά μαγνητικά υλικά, τα υμένια, τις ταινίες και τις ίνες.<br />
Οι πλέον σημαντικές προσπάθειες για την συσχέτιση δομής και μαγνητικών ιδιοτήτων σε<br />
φερρομαγνητικά υλικά έχουν γίνει από τους Kronmuller [3], Takahashi [4] και Jiles [5].<br />
Σύμφωνα με αυτές τις προσπάθειες, οι «συντελεστές ατελειών» που εισάγονται στους<br />
μικρο-μαγνητικούς φορμαλισμούς δεν έχουν πρακτικά φυσικό νόημα δεδομένου ότι δεν<br />
παραμένουν σταθερές σε διαφορετικές μηχανικές καταπονήσεις και μαγνητικές διεγέρσεις.<br />
Χωρίζοντας τις διαταραχές σε ένα φερρομαγνητικό υλικό σε τρείς διαφορετικές<br />
κατηγορίες, ήτοι τις απομονωμένες διαταραχές, τις διασταυρούμενες διαταραχές και τα<br />
υπο-όρια κόκκων, διαπιστώσαμε ότι με βάση τα μοντέλα μικρομαγνητισμού [3], τα πεδία<br />
ανάστροφης μαγνήτισης πυρήνωσης μεγαλώνουν προχωρώντας από τις απομονωμένες<br />
διαταραχές, στις διασταυρούμενες και τέλος στα υπο-όρια κόκκων. Έτσι, αναλύοντας τους<br />
«συντελεστές ατελειών» σε ένα άθροισμα τριών συντελεστών πολλαπλασιασμένων με τρία<br />
διαφορετικά πεδία ανάστροφης μαγνήτισης πυρήνωσης, είναι δυνατόν να εξηγήσουμε την<br />
διαφοροποίηση της μαγνήτισης συναρτήσει της πλαστικής παραμόρφωσης, να μετρήσουμε<br />
επαγωγικά την πλαστική παραμόρφωση και τέλος να συσχετίσουμε την ανάστροφης<br />
μαγνήτισης πυρήνωσης με τα τρία διαφορετικά είδη διαταραχών.<br />
Στην εργασία δίνουμε ένα παράδειγμα με τον χάλυβα τύπου ARMCO. Τα δοκίμια<br />
ανοπτήθηκαν στους 900 o C για 24 ώρες. Στην συνέχεια τα δείγματα υπέστησαν ψυχρή<br />
έλαση από 10% έως και 62,5%. Ακόμη τα δείγματα υπέστησαν πλαστική παραμόρφωση<br />
από 2% έως 18%. Κάνοντας χρήση ελασσόνων βρόχων μαγνήτισης από 20A/m έως και<br />
800A/m, διαπιστώθηκε μονοτονική εξάρτηση της ελάσσονος μαγνητικής επιδεκτικότητας<br />
από την πλαστική παραμόρφωση όπως δείχνεται στο Σχήμα 1. Η εν λόγω εργασία<br />
επεκτείνεται και στην συσχέτιση μικροδομής και μαγνητικών ιδιοτήτων, με την συσχέτιση<br />
της πυκνότητας και του είδους των διαταραχών (Σχήμα 2) και της ελάσσονος μαγνητικής<br />
επιδεκτικότητας.<br />
* E-mail: eh@metal.ntua.gr Fax: (+30)-210-772 2119<br />
112
Σχήμα 1. Εξάρτηση της ελάσσονος μαγνητικής διαπερατότητας και της μηχανικής τάσης από την επιμήκυνση του<br />
δοκιμίου<br />
Σχήμα 2. Τυπική μικρογραφία που δείχνει διαφορετικά είδη διαταραχών.<br />
[1] Gwan Soo Park and Eun Sik Park “Improvement of the Sensor System in Magnetic Flux Leakage-Type<br />
Nondestructive Testing (NDT)”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 38, No 2, March2002.<br />
[2] Daniel J. Sadler, Chong H. Ahn, “On-chip eddy current sensor for proximity sensing and crack<br />
detection”, Sensors and Actuators, A 91 (2001), 340-345<br />
[3] H. Kronmuller, Theory of nucleation fields in inhomogeneous ferromagnets, Phys Status Solidi B 144<br />
(1): 385-396 NOV 1987<br />
[4] S. Takahashi, S. Kobayashi, Y. Kamada, H. Kikuchi, L. Zhang, K. Ara, Physica B – Condensed Matter<br />
, 372 pp 190-193, 2006<br />
[5] DC Jiles and DL Atherton, Theory of ferromagnetic hysteresis, Journal of Magnetism and Magnetic<br />
Materials, 61, (1986), pp 48-60<br />
113
Μετασχηματισμοί φάσης σε άμορφες μεταλλικές ταινίες finemet<br />
ενισχυμένες με Co<br />
Θ. Παπαϊωάννου 1 , P. Svec 2 , D. Janickovic 2 , Ε. Χριστοφόρου 1,*<br />
1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Αθήνα 15780, Ελλάδα<br />
2 Ακαδημία Επιστημών Σλοβακίας, Μπρατισλάβα, Σλοβακία<br />
Περίληψη<br />
Οι μετασχηματισμοί φάσεων σε άμορφες μεταλλικές ταινίες (Fe 1-x Co x ) 73.5 Cu 1 Nb 3 Si 13.5 B 9<br />
(x= 0, 0.5, 1) που παρήχθησαν με την τεχνική της ταχείας ψύξεως, μελετήθηκαν μετρώντας<br />
την εξάρτηση της αντίστασης από την θερμοκρασία και τον χρόνο καθώς επίσης και την<br />
εξάρτηση της μαγνήτισης από την θερμοκρασία. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις<br />
διαφορικής θερμιδομετρίας (DSC) σε ρυθμούς θέρμανσης 10 Κ/min και 40 Κ/min. Ταινίες<br />
που υπέστησαν θερμική κατεργασία ερευνήθηκαν με XRD, συσχετίζοντας την αρχική<br />
άμορφη κατάσταση και την τελική κρυσταλλική δομή. Η νανοδομή των κόκκων<br />
παρατηρήθηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ).<br />
Οι μετρήσεις αντίστασης – θερμοκρασίας R(T) σε ρυθμούς θέρμανσης 2.5, 5, 10, 20, 40<br />
Κ/min (Εικόνα 1) και οι μετρήσεις αντίστασης – χρόνου R(t) για συγκεκριμένες<br />
θερμοκρασίες αποδίδουν τους μετασχηματισμούς φάσης. Κατά την ψύξη, οι τιμές της<br />
αντίστασης είναι ανάλογες της θερμοκρασίας σε όλο το εύρος της περιοχής από τους 1000<br />
Κ έως τους 300 Κ, δείχνοντας ότι η διαδικασία κρυστάλλωσης ολοκληρώθηκε κατά τη<br />
θέρμανση. Το διάγραμμα DSC (Εικόνα 2) για την ίδια ταινία, επαληθεύει τους<br />
μετασχηματισμούς που παρατηρήθηκαν από τη μέτρηση R(T).<br />
Οι μετρήσεις XRD στις άμορφες ταινίες δείχνουν την παρουσία μεγάλου ποσοστού της<br />
άμορφης φάσης για τις τρεις συστάσεις. Οι ταινίες θερμάνθηκαν στους 773, 823, 873 και<br />
923 K για 30min σε θάλαμο κενού (περίπου 10 -4 torr) και η απόκριση των ακτίνων Χ<br />
δείχνει τον σχηματισμό της κρυσταλλικής φάσης. Η Εικόνα 3 δίνει τον μετασχηματισμό<br />
της άμορφης σε κρυσταλλική φάση για την ταινία (Fe 1 Co 1 ) 73.5 Cu 1 Nb 3 Si 13.5 B 9 . Τα<br />
αποτελέσματα από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ) (Εικόνα 4)<br />
δίνουν τη νανοκρυσταλλική φύση του μετασχηματισμού κρυστάλλωσης (το δοθέν δείγμα<br />
υπέστη θερμική κατεργασία στους 823 Κ για 30 min).<br />
Εικ. 1. Καμπύλες R(T) για διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης στην άμορφη ταινία σύστασης Co 73.5 Cu 1 Nb 3 Si 13.5 B 9 .<br />
* Corresponding author: E-mail: eh@metal.ntua.gr Fax: (+30)-210-772 2119<br />
114
Εικ. 2. Καμπύλη DSC για την ταινία Co 73.5 Cu 1 Nb 3 Si 13.5 B 9 με ρυθμό 10 K/min σε ατμόσφαιρα Αργού<br />
Εικ. 3. Μετρήσεις XRD, οι ταινίες παράλληλες στις ακτίνες.<br />
Εικ. 4. Μικρογραφία ΤΕΜ μετά από θερμική κατεργασία.<br />
115
Μελέτη της Επίδρασης της Παρατεταμένης Θέρμανσης στη Μικροδομή του<br />
(Ni 0,30 Zn 0,63 Cu 0,07 )Fe 1,93 O 4 με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης<br />
Σακελλάρη Δ. 1* , Τσακαλούδη Β. 2 , Ζασπάλης Β. 2 και Πολυχρονιάδης Ε.Κ. 1<br />
1 Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τμήμα Φυσικής, Αριστοτέλειο Παν/μιο Θεσσαλονίκης<br />
2 Εργαστήριο Ανόργανων Υλικών, Ινστιτούτο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών, Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής<br />
Ανάπτυξης, Θεσσαλονίκη<br />
*dsakel@auth.gr<br />
Περίληψη Οι φερρίτες NiCuZn παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια καθώς βρίσκουν πολλές εφαρμογές<br />
στην ηλεκτρονική τεχνολογία. Οι μακροσκοπικές τους ιδιότητες επηρεάζονται άμεσα από τη μικροδομή τους κι επομένως κι<br />
από τις συνθήκες ανάπτυξής τους. Στη παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης της επίδρασης της<br />
παρατεταμένης θέρμανσης στη μικροδομή των φερριτών στοιχειομετρίας Ni 0,30 Zn 0,63 Cu 0,07 Fe 1,93 O 4 με τη βοήθεια της<br />
Hλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διέλευσης. Η παρατηρούμενη δεύτερη μικροκρυσταλλική φάση καθώς και οι εξαρμόσεις και οι<br />
ενδοκρυσταλλικές διεπιφάνειες που εντοπίζονται στο εσωτερικό των κρυσταλλικών κόκκων πριν τη θέρμανση δε φαίνονται να<br />
επηρεάζονται από την ανόπτηση του υλικού. Αντίθετα ο διαχωρισμός φάσεων, που παρατηρήθηκε είτε με τη μορφή περιοδικής<br />
μεταβολής στοιχειομετρίας είτε με τη μορφή συσσωματωμάτων, φαίνεται να εξαλείφεται στα δείγματα που έχουν υποστεί<br />
ανόπτηση κάτι που πιθανώς να συνδέεται με την εκτόνωση των τάσεων στο εσωτερικό του υλικού.<br />
Εισαγωγή<br />
Οι φερρίτες NiZn χάρις στην υψηλή ειδική αντίσταση και τις μικρές απώλειες που παρουσιάζουν βρίσκουν πολλές<br />
εφαρμογές σε ηλεκτρονικές συσκευές υψηλών συχνοτήτων[1]. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον υπάρχει για τη μερική αντικατάσταση<br />
Ni με Cu καθώς αυτό μειώνει την απαιτούμενη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης αλλά και το κόστος των πρώτων υλών[2].<br />
Καθώς όμως η μικροδομή των φερριτών επηρεάζει τις μακροσκοπικές τους ιδιότητες [3] παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον η<br />
εξέλιξη της μικροδομής συναρτήσει των συνθηκών ανάπτυξης. Σε προηγούμενη εργασία είχε γίνει μελέτη της μικροδομής<br />
δειγμάτων φερρριτών με στοιχειομετρία Ni 0,30 Zn 0,63 Cu 0,07 Fe 1,93 O 4 . Στην παρούσα εργασία και σε συνέχεια της προηγούμενης<br />
γίνεται η μελέτη της επίδρασης της παρατεταμένης θέρμανσης στη μικροδομή τους.<br />
Πειραματική διαδικασία<br />
Η σειρά των φερριτών που μελετήθηκαν με στοιχειομετρία Ni 0,30 Zn 0,63 Cu 0,07 Fe 1,93 O 4 παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της<br />
αντίδρασης στερεάς φάσης τα βασικά στάδια της οποίας είναι: υγρή ανάμιξη, προθέρμανση, κονιοποίηση, προσθήκη<br />
πλαστικοποιητή, μορφοποίηση και πυροσυσσωμάτωση. Πιο αναλυτικά η πυροσυσσωμάτωση πραγματοποιήθηκε σε<br />
θερμοκρασίες 1025-1125 o C με βήμα 25 o C για 3h. Στη συνέχεια τα δείγματα αυτά αναθερμάνθηκαν σε θερμοκρασία 50 o C<br />
κάτω από τις προαναφερθείσες θερμοκρασίες πυροσυσσωμάτωσης για 30min. Η μελέτη της μικροδομής των δειγμάτων,<br />
πριν και μετά την ανόπτηση, έγινε με Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διέλευσης (ΤΕΜ) του τύπου JEOL 100CX με τάση<br />
λειτουργίας 100kV. Τα δείγματα προετοιμάστηκαν με μια διαδικασία λέπτυνσης η οποία περιελάμβανε καταρχήν μηχανική<br />
λείανση και στη συνέχεια λείανση με δέσμη ιόντων.<br />
Αποτελέσματα και συζήτηση<br />
Όλα τα δείγματα φερρριτών NiCuZn που μελετήθηκαν παρουσιάζουν πολυκρυσταλλική, πορώδη μορφή. Η δομή τους<br />
ταυτοποιείται με αυτή του κυβικού σπινελίου με ομάδα συμμετρίας χώρου Fd3m. Παράλληλα όμως μέσα στους πόρους του<br />
υλικού διακρίνεται και μια δεύτερη μικροκρυσταλλική φάση (Σχήμα 1). Η δεύτερη αυτή φάση ταυτοποιείται με αυτή του<br />
τετραγωνικού CuFe 2 O 4 (PDF # card 72-1174) [4]. Καθώς η δεύτερη αυτή φάση είναι ορατή σε δείγματα πριν και μετά την<br />
αναθέρμανση, η ανόπτυση δε φαίνεται να έχει κάποια επίδραση στη μικροκρυσταλλική αυτή φάση.<br />
Σχημα 1: Εικόνα φωτεινού πεδίου<br />
με τη μικροκρυσταλλική φάση<br />
εντοπισμένη σε πόρο του υλικού<br />
(Α) με την αντίστοιχη εικόνα<br />
περίθλασης (Β) από δείγμα με<br />
θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης<br />
1100°C με αναθέρμανση.<br />
Επιπλέον στα δείγματα που μελετήθηκαν παρατηρήθηκαν δομικές ατέλειες όπως: εξαρμόσεις μέσα στους κόκκους των<br />
δειγμάτων, ενδοκρυσταλλικές διεπιφάνειες (subgrain boundaries) καθώς και περιοχές διαχωρισμού φάσεων είτε με τη μορφή<br />
της περιοδικής μεταβολής στοιχειομετρίας (compositional modulation) είτε με τη μορφή συσσωματωμάτων (clustering<br />
segregation).<br />
Στα δείγματα που μελετήθηκαν πριν την αναθέρμανση παρατηρήθηκαν εξαρμόσεις σε ορισμένα από αυτά και σε κάποιες<br />
περιοχές στο εσωτερικό των κόκκων χωρίς όμως να υπάρχει μια συστηματική εμφάνισή τους. Όμως σε όλα τα δείγματα που<br />
έχουν υποστεί ανόπτηση οι κόκκοι ήταν καθαροί από εξαρμόσεις. Έτσι κατά την ανόπτηση πιθανώς να δόθηκε αρκετή<br />
116
ενέργεια στο υλικό ώστε οι εξαρμόσεις να κινηθούν προς τα όρια των κόκκων είτε να συγκεντρωθούν και να σχηματίσουν<br />
ενδοκρυσταλλικές επιφάνειες αφήνοντας το εσωτερικό των κόκκων καθαρό από εξαρμόσεις.<br />
Σχήμα 2: Εικόνα φωτεινού πεδίου όπου<br />
φαίνεται μια ενδοκρυσταλλική διεπιφάνεια<br />
από δείγμα των 1125°C πριν την ανόπτηση<br />
Οι ενδοκρυσταλλικές διεπιφάνειες που παρατηρήθηκαν εντοπίζονται τόσο στα δείγματα πριν όσο και στα δείγματα μετά<br />
την ανόπτηση. Μια τυπική τους εικόνα δίνεται στο σχήμα.2. Έτσι η έως τώρα μελέτη δεν έδειξε κάποια άμεση επίδραση της<br />
ανόπτηση στην εμφάνισή τους.<br />
Σχήμα 3: Εικόνα φωτεινού πεδίου όπου<br />
εμφανίζεται ο διαχωρισμός φάσεων υπό τη<br />
μορφή περιοδικής μεταβολής της<br />
στοιχειομετρίας από δείγμα των 1100°C πριν<br />
την ανόπτηση<br />
Σχήμα 4: Εικόνα φωτεινού πεδίου όπου<br />
εμφανίζεται ο διαχωρισμός φάσεων υπό τη<br />
μορφή συσσωματωμάτων από δείγμα των<br />
1100°C πριν την ανόπτηση<br />
Τέλος ο διαχωρισμός φάσεων που παρατηρήθηκε εντοπίστηκε είτε με τη μορφή της περιοδικής μεταβολής<br />
στοιχειομετρίας είτε με τη μορφή της δημιουργίας συσσωματωμάτων (σχήμα 3,4 αντίστοιχα). Η εμφάνιση του διαχωρισμού<br />
των φάσεων με δύο διαφορετικές μορφολογίες πιθανώς να οφείλεται στις υπάρχουσες τάσεις που αναπτύσσονται κατά την<br />
ανάπτυξη του υλικού, καθώς μπορούν να είναι άλλοτε ομοιόμορφες και άλλοτε να εμφανίζονται σε συγκεκριμένες<br />
διευθύνσεις δίνοντας τις δύο μορφές εμφάνισης του διαχωρισμού φάσεων. Ας σημειωθεί ότι αυτού του τύπου οι ατέλειες<br />
ενώ εντοπίστηκαν στα δείγματα που δεν έχουν υποστεί αναθέρμανση δεν παρατηρήθηκαν στα δείγματα που έχουν υποστεί<br />
ανόπτηση. Φαίνεται δηλαδή ότι η παρατεταμένη θέρμανση των δειγμάτων που βοηθά στο να απομακρυνθούν οι τάσεις από<br />
το υλικό εξαλείφει και την πιθανή αιτία της δημιουργίας του διαχωρισμού των φάσεων (strain induced phase separation)<br />
οπότε και συνδυάζεται με την αυξημένη δυνατότητα διάχυσης λόγω της παρατεταμένης θέρμανσης.<br />
Συμπεράσματα<br />
Στη παρούσα εργασία έγινε μελέτη με ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης πολυκρυσταλλικών φερριτών στοιχειομετρίας<br />
Ni 0,30 Zn 0,63 Cu 0,07 Fe 1,93 O 4 με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης της παρατεταμένης θέρμανσης στη μικροδομή τους. Η<br />
παρατηρούμενη δεύτερη μικροκρυσταλλική φάση που εντοπίστηκε στο εσωτερικό των πόρων του υλικού καθώς και η εμφάνιση<br />
των ενδοκρυσταλλικών διεπιφανειών δε φαίνεται να επηρεάζεται από την ανόπτηση. Όμως οι εξαρμόσεις στο εσωτερικό των<br />
κόκκων καθώς και ο διαχωρισμός φάσεων (περιοδική μεταβολή στοιχειομετρίας ή συσσωματώματα) φαίνεται να επηρεάζονται<br />
από το χρόνο της θέρμανσης του υλικού καθώς με αυτό τον τρόπο γίνεται εκτόνωση των τάσεων.<br />
Αναφορές<br />
[1] Xinhua He, Guosheng Song, Jianhong Zhu, Mater. Lett. 59 (2005) 1941-1944<br />
[2] I.Z. Rahman, T.T. Ahmed, J. Magn. Magn. Mater. 290-291 (2005) 1576-1579<br />
[3] M.H. Khedr, A.A. Omar, M.I. Nasr, E.K. Sedeek, J. Anal. Appl. Pyrolysis 76 (2006) 203-208<br />
[4] PCPDFWIN, Version 2.02<br />
Ευχαριστίες<br />
H παρούσα μελέτη υποστηρίζεται από τη Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας<br />
ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΤΗΤΑ).<br />
– ΠΕΝΕΔ 2003 (Ε.Π.<br />
117
Resonant Spin Transfer Torque in Double Barrier Magnetic Tunnel Junctions<br />
Ioannis Theodonis 1* , Alan Kalitsov 2 , Nicholas Kioussis 3<br />
1 Department of Physics, National Technical University Athens, Zografou Campus 15780, Greece<br />
2 Theoretische Physik, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Strasse 40, 34132 Kassel, Germany<br />
3 Department of Physics, California State University Northridge, CA 91330-8268, USA<br />
* ytheod@mail.ntua.gr<br />
Current-induced magnetization switching (CIMS) [1] in single-barrier magnetic tunnel junctions (MTJ) has attracted much<br />
scientific interest due to its potential applications in future spintronics (magnetoelectronics) devices [2], such as magnetic<br />
random access memories (MRAM) [3] and high frequency oscillators [4]. The central idea in CIMS is of a spin transfer<br />
torque that is exerted on the magnetization of a<br />
nanometer-scale free ferromagnet (FM) by a spinpolarized<br />
current originating from a preceding noncollinear<br />
FM [1]. A limiting factor in single-barrier<br />
MTJ is the rather high value of critical current<br />
required to induce the magnetization switching, due to<br />
the low efficiency of the spin transfer torque. On the<br />
other hand in double barrier magnetic tunnel junctions<br />
(DBMTJ) both theoretical [5,6] and experimental<br />
[7,8] studies of spin-dependent transport in collinear<br />
configurations, have shown that resonant tunneling<br />
Figure 1: Schematic of the DBMTJ (FM/I/FM/I/FM) consisting of controls and can enhance the tunneling<br />
a FM central wire of N C atomic sites (AS), connected to left and magnetoresistance (TMR) [9]. In this work, we<br />
right FM leads through the tunneling barriers I. The spin-transfer propose the use of resonant effect to drastically<br />
(parallel) T i,|| and the field-like(perpendicular) T i,┴ , components of enhance the spin torque efficiency [10]. The<br />
the spin torque lie in the x and y directions respectively.<br />
calculations are based on the tight-binding method<br />
and the non-equilibrium Keldysh formalism.<br />
The DBMTJ systems consist of a central FM nano-wire (FMC) sandwiched between two thin non-magnetic tunnel barriers<br />
(I), themselves sandwiched between two semi-infinite ferromagnetic leads (FML,FMR), as shown in Figure 1. The<br />
magnetization of the central FM, M C , is along the z axis of the coordinate while the magnetization of the FM leads M L(R) lies<br />
in the x−z plane, i.e. it is rotated by angle θ around the wire axis y. In this geometry, the central free FM layer forms a spin–<br />
polarized quantum well. The majority-(full triangles) and minority-(open triangles) quantum well states (QWS) energies E σ n,<br />
relative to the Fermi energy, as a function of the thickness N C in atomic sites (AS), of the central FM wire are shown in<br />
Figure 2 for QWS between -0.5 eV and 0.5 eV. The numbers next to each series of data points, indicate the quantum number,<br />
n σ = 1 σ ,2 σ ...,N σ C, of the spin-polarized QWS.<br />
Figure 2: Spin-polarized QWS energy positions, E σ n as a function of the number of atomic sites, N C , in the central FM region<br />
for zero bias and θ=0. The bottom of the majority and minority conduction bands of the leads are denoted by dotted lines. At<br />
finite bias V, the chemical potentials of the L,R leads are shifted by eV=µ R -µ L around the Fermi energy E F =0.<br />
118
Under applied bias V, only the QWS with energies E σ n that lie within the bias window from -eV/2 to +eV/2, denoted by<br />
the shaded area in Figure 2. contribute to the resonant tunneling. This can be seen clearly in Figure 3a and Figure 3b, where<br />
we display the low-temperature (T=5K) bias dependence of the spin-polarized currents, I ↑ (up triangles) and I ↓ (down<br />
triangles), for N C =4AS and N C =7AS, respectively, and for θ=π/2. The spin-polarized currents switch on at V σ on=2|E σ n-E F |,<br />
when the n σ QWS enters the bias energy window. For N C =7AS, the switch on for both spin-polarized currents occur at about<br />
the same bias, V ↑ on≈ V ↓ on due to the fact that |E 1 ↓ -E F | ≈ |E 3 ↑ -E F | as one can see in Figure 2. Both currents decrease with<br />
increasing bias because the density of states of the minority band in the leads decreases. In Figure 3c and Figure 3d we<br />
display the low-temperature (T = 5K) bias behavior of the parallel, T i,|| , (squares) and perpendicular T i,┴ (circles) components<br />
of the local spin torque on the first site in the central FM, for θ=π/2 and for N C =4AS and N C =7AS, respectively. The local<br />
spin-transfer component, T i,|| exhibits a switch on bias behavior at V σ on, similar to that of the spin polarized currents in Figure<br />
3a. On the other hand, T i,┴ which is non-zero for zero bias, displays a non-monotonic bias dependence, changing sign<br />
Figure 3: Low-temperature (T=5K) bias dependence of the majority (up triangles) and minority (down triangles) currents in<br />
the central FM for (a) N C =4AS and (b) N C =7AS, respectively, and for $\theta=\pi/2$. Bias dependence of T i,|| , (squares) and<br />
perpendicular T i,┴ (circles) on the first site in the central FM, for (c) N C =4AS and (d) N C =7AS. The bias V σ on denote the<br />
switch-on bias.<br />
between V ↑ on and V ↓ on similar to that of the exchange field in quantum dots connected to FM leads [11]. It is important to<br />
note in Figure 3d the scale which shows that both T i,|| and T i,┴ are strongly enhanced for N C =7AS, even though the<br />
corresponding spin-polarized currents are smaller than those for N C =4AS. This clearly demonstrates that the underlying<br />
mechanism that controls the enhancement of the efficiency of the local spin-transfer torque is the close proximity of the<br />
majority and minority QWS energies of different quantum number within the bias energy window. This in turn enhances the<br />
spin mixing σ↔σ’ in the central FM, when electrons tunnel resonantly through the spin polarized QWS. The enhancement of<br />
the local spin-transfer torque is independent of the parity of the QWS wavefunctions. This spin-transfer torque enhancement<br />
may have important technological applications since the CIMS may be facilitated under such conditions in DBMTJ.<br />
References<br />
[1] Slonczewski J.C., J. Magn. Magn. Mater. 159 (1996) L1; Berger L., Phys. Rev. B 54 (1996) 9353<br />
[2] Zutic I., Fabian J., Das Sarma S., Rev. Mod. Phys. 76 (2004) 323.<br />
[3] Parkin S.S.P et al.., J. Appl. Phys. 85 (1999) 5828.<br />
[4] Krivorotov I.N., Emely N.C., Sankey J.C., Kisilev S.I., Ralph D.C., Buhrman R.A., Science 307 (2005) 228.<br />
[5] Zhang X., Li B.-Z., Sun G., Pu F.-C., Phys. Rev. B 56 (1997) 5484.<br />
[6] Lu Z.-Y., Zhang X.-G., Pantelides S.T., Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 207210.<br />
[7] Zeng Z.-M., Han X.-F., Zhan W.-S., Wang Y., Zhang Z. , Zhang S., Phys. Rev. B 72 (2005) 054419.<br />
[8] Nozaki T., Tezuka N., Inomata K., Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 027208.<br />
[9] Moodera J.S. et al., Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 3029.<br />
[10] Theodonis I., Kalitsov A., Kioussis N., arXiv:cond-mat/0703789v1.<br />
[11] Braun M., Konig J., Martinek J., Phys. Rev. B 70 (2004) 195345.<br />
119
3 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Συστήματα με Ισχυρές Συσχετίσεις»
Room Temperature Doped Ferromagnetic Oxides:<br />
- A current Scenario Towards Magnetic p-n Junctions<br />
K.V.Rao<br />
Dept of Materials Science-Tmfy, Royal Institute of Technology,<br />
Stockholm, Sweden<br />
A goal of spintronics is to develop a semiconductor that can manipulate the magnetism of an electron. Adding the<br />
spin degree of freedom to electronics will provide significant versatility and functionality to future electronic<br />
products. Although many possible electronic components, like for example the magnetic switch (Ohno et al) have<br />
been demonstrated, practical usefulness of the doped GaMnAs is limited by their Curie temperatures which currently<br />
lie below 300K. From this point of view, recently, ZnO based materials have been of growing interest following the<br />
first report [Sharma, P et al., Nature Mater.2, 673 (2003) with over 330 citations it is now the most cited paper from<br />
Nature Materials at present) of room temperature ferromagnetism in Mn doped ZnO thin films. With a band gap in<br />
the ultraviolet at 3.4 eV, ZnO based materials open up a variety of potential applications, especially for spinoptoelectronics,<br />
some of which already exist but currently independent of the spin considerations. Mn 2 + ion has the<br />
largest magnetic moment, 5 μ B, but often the moments measured experimentally have been rather small although the<br />
Tc’s have been above room temperature. Because the properties of ZnO are extremely sensitive to processing<br />
conditions, and the additional fact that Mn has many allotropes of oxides that are magnetic, it was shown by Sharma<br />
et al that the key to obtain above room temperature ferromagnetism is the deposition and processing at temperatures<br />
below 400 o C in a controlled atmosphere. These results have now been extensively reproduced often with<br />
considerably larger magnetic moments per Mn atom. Gamelin and his coworkers found that although the ‘as<br />
obtained’ nanocrystals produced by the colloidal approach were paramagnetic at room temperature, the films<br />
obtained by spincoating on to fused silica with a 2 min aerobic anneal at 500 o C became ferromagnetic with Tc above<br />
RT. In a subsequent experiment (JACS 127, 5292 (2005); PRL 94, 147209 (2005) they also showed that on<br />
Nitrogen-capping the colloidal particles during the processing of the thin films, gave a strong evidence for<br />
ferromagnetism with Mn in 2+ state, while on O-capping it was paramagnetic at room temperature. This result<br />
supports the prediction expected from a theoretical approach that the ferromagnetic order is carrier induced, and is<br />
via the holes in the p-state of ZnO. However, there are many recent experiments which evidence that, although<br />
carrier mediated, ferromagnetic order above RT is also obtained on n-type doping [Narayan et al APL 88, 242503<br />
(2006)]. Another strong evidence for ferromagnetism in Mn doped ZnO is the significant magnetic circular<br />
dischroism at the ZnO band edge observed at room temperature. Along with such a result on doping ZnO with other<br />
TM elements it implies that ferromagnetism is an intrinsic property of the bulk ZnO lattice.(Neal et al PRL 96,<br />
197208 (2006). Neal et al also observed that the MCD data at the ZnO band edge shows room temperature hysteretic<br />
behaviour.<br />
Recently, room temperature ferromagnetism in Mn doped ZnO has also been reported in nanorods, and<br />
freestanding single crystal nanowires, [e.g. APL 88, 263101 (2006)]. All the above facts and many more recent<br />
studies only confirm that we have robust ferromagnetism in Mn doped ZnO at room temperature and can be<br />
exploited for spintronic applications because of its high intrinsic Mn moment. Another challenging support and<br />
promise for device application comes from a recent observation that on Al co-doping Mn doped ZnO, Xu, X.H. et al<br />
[New J. Phys 8, 135 (2006)] obtained in their samples the full moment of Mn and in addition co-doping of Al<br />
resulted in n-type ZnO matrix. This is a significant observation, because we can now think of designing<br />
ferromagnetic n-p junctions at room temperature! Needless to stay that such an electronic element would not be<br />
possible with doped GaMnAs materials.<br />
It is always of interest to look for new and less complex materials suitable for applications in spintronics. In this<br />
context I will also present some highlights of our extensive studies of Room Temperature Ferromagnetism in<br />
semiconductors like ZnO, GaP, GaN In2O3.. doped with non-magnetic elements like Cu, V, Ti, Cr to mention a few<br />
among many others. Theoretical calculations based on the density functional theory (DFT) suggest that the most<br />
stable compounds of Tm(V, Cr Fe, and Ti) doped In 2 O 3 are all ferromagnetic at room temperature and specially in<br />
the case of V doping it gives rise to a rather strong ferromagnetic coupling, and the moment at the V site for example<br />
can be as large 2μ B The magnetic interactions are believed to be mediated by the hybridization between d-states of<br />
V and p-bands of oxygen. In Stockholm we have fabricated Cu doped ZnO films into patterned MRAM type<br />
structures with the patterned elements of size ranging from microns to nanometer scale by using ink-jet printing<br />
120
technology, and e-beam lithography. We find that the ferromagnetic property is retained in these elements at all<br />
length scales. Further experiments towards device development are in progress.<br />
* Research supported by the Swedish funding Agency VINNOVA, and NM Spintronics in Stockholm.<br />
121
Bias Dependence of Spin Transfer Torque in Magnetic Tunnel Junctions<br />
Ioannis Theodonis 1* , Nicholas Kioussis 2 , Alan Kalitsov 3 , Mairbek Chshiev 4 , W.H. Butler 4<br />
1 Department of Physics, National Technical University Athens, Zografou Campus 15780, Greece<br />
2 Department of Physics, California State University Northridge, CA 91330-8268, USA<br />
3 Theoretische Physik, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Strasse 40, 34132 Kassel, Germany<br />
4 MINT Center, University of Alabama, P. O. Box 870209, Tuscaloosa, Alabama, USA<br />
* ytheod@mail.ntua.gr<br />
Spintronics or magnetoelectronics involve the exploitation of the quantum mechanical spin degree of freedom to provide<br />
new functionalities beyond conventional electronics [1]. Excellent magnetoelectronic components are the magnetic tunnel<br />
junctions (MTJ) due to the tunneling magnetoresistance (TMR) effect. The MTJ consists of two ferromagnetic layers<br />
separated by a non magnetic insulating layer (Figure 1) and the TMR effect is the change in the resistance of a MTJ when the<br />
ferromagnetic layers switch their relative polarization alignments from a parallel (P) to an anti-parallel (AP) configuration [2].<br />
MTJ are used in magnetic random access memory (MRAM) devices where information is stored by switching their magnetic<br />
state to the desired configuration.<br />
Recently, the spin-polarized-current-induced magnetization switching in magnetic tunnel junctions, has attracted great<br />
scientific interest, due to its potential application in future spin transfer torque MRAMs [3,4]. As current flows through a<br />
ferromagnetic layer of a MTJ, it becomes spin-polarized and hence it carries angular momentum. The current remains spinpolarized<br />
in the neighboring thin non magnetic insulating layer, so that the angular momentum carried by the current can<br />
interact with the non-collinear magnetization of the subsequent ferromagnetic layer. Consequently, the spin-polarized current<br />
exerts a spin transfer torque [5,6] on the magnetizations of the ferromagnetic layers in the MTJ. For large enough currents,<br />
this torque leads to precession [7] and reversal of the magnetization [8].<br />
T<br />
T<br />
M 2<br />
I<br />
I L<br />
I<br />
R ( )<br />
R ( )<br />
I<br />
I R<br />
I<br />
z<br />
x<br />
y<br />
Left FM<br />
M 1<br />
Insulating<br />
spacer<br />
N<br />
+ -<br />
V<br />
Right FM<br />
I L<br />
R ( )<br />
I<br />
R ( )<br />
I<br />
I R<br />
Figure 1: Schematic structure of the MTJ, consisting of left and<br />
right semi-infinite FM leads separated by a thin non-magnetic<br />
insulating system containing N atomic layers. The<br />
magnetization M 2 of the right FM lead is along the z axis,<br />
whereas the magnetization M 1 of the left lead is rotated by<br />
angle θ around the y axis with respect to M 2 .<br />
Figure 2: Equivalent circuit of the MTJ, with for spinchannel<br />
currents, with angular-dependent resistances.<br />
A critical aspect of MTJ, with great practical importance is the comprehensive understanding of the bias dependence of the<br />
spin transfer torque. We will present a study of the effect of applied bias on the spin transfer torque, with components<br />
T , and perpendicular, T ⊥<br />
, to the interface (Figure 1), in MTJ, using tight-binding calculations and the non-<br />
parallel,<br />
||<br />
equilibrium Keldysh formalism [9]. We predict an anomalous bias dependence [10] of the parallel component of the spin<br />
torque, contrary to the general consensus. First, we demonstrate that depending on the exchange splitting ∆, T<br />
||<br />
may exhibit<br />
an unusual and interesting non-monotonic bias dependence: it may change sign without a sign reversal in bias or current, and<br />
in some cases it may even have a quadratic bias dependence as presented in Figure 3(a). Second, by generalizing the simple<br />
circuit model for the MTJ [11] using angular dependent resistances (Figure 2), we show that T<br />
||<br />
satisfies an expression<br />
involving the difference in spin currents between the parallel and anti-parallel configurations. This result is very important<br />
122
ecause it reduces the calculation of the spin transfer effect for non-collinear systems simply to the evaluation of spin currents<br />
for P and AP orientations. Third, we demonstrate that the bias dependence for the spin current for the P (AP) configuration<br />
has a linear (quadratic) bias dependence, whose origin lies on the symmetric (asymmetric) nature of the barrier. The interplay<br />
of the spin currents for the P and AP configurations can lead to the rich behavior of the T<br />
||<br />
on bias shown in Figure 3(a). Last<br />
but not least, as shown in Figure 3(b), we find that the bias dependence of T ⊥<br />
is quadratic [11], independently of the<br />
exchange splitting and that its value can be comparable to that of T<br />
||<br />
.<br />
Figure. 3: Bias dependence of the spin transfer torque components parallel T<br />
||<br />
(a) and perpendicular T ⊥<br />
(b) to the interface<br />
as a function of the exchange-splitting, ∆.<br />
References<br />
[1] Zutic I., Fabian J., Das Sarma S., Rev. Mod. Phys. 76 (2004) 323.<br />
[2] Tsymbal E. Y., Mryasov O. N., LeClair P. R., J. Phys.: Condens. Matter 15 (2003) R109<br />
[3] Hosomi M., Yamagishi H., Yamamoto T., Bessho K., Higo Y., Yamane K., Yamada H., Shoji M., Hachino H., Fukumoto C.,<br />
Nagao H., Kano H., Electron Devices Meeting (IEEE International) 5 (2005) 459.<br />
[4] Diao Z., Li Z., Wang S., Ding Y., Panchula A., Chen E., Wang L.-C., Huai Y., J. Phys. Condens. Matter 19 (2007) 165209.<br />
[5] Slonczewski J.C., J. Magn. Magn. Mat. 159 (1996) L1.<br />
[6] Berger L., Phys. Rev. B 54 (1996) 9353.<br />
[7] Tulapurkar A. A., Suzuki Y., Fukushima A., Kubota H., Maehara H., Tsunekawa K., Djayaprawira D. D., Watanabe N.,<br />
Yuasa S., Nature 438 (2005) 339.<br />
[8] Fuchs G. D. , {\it et al.} Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 186603.<br />
[9] Caroli C., Combescot R., Nozieres P., Saint-James D., J. Phys. C: Solid St. Phys. 4 (1971) 916.<br />
[10] Theodonis I., Kioussis N., Kalitsov A., Chshiev M., Butler W. H., Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 237205.<br />
[11] Slonczewski J.C., Phys. Rev. B 71 (2005) 024411.<br />
123
Αντισυμμετρική Ανταλλαγή σε Μοριακά Μαγνητικά Υλικά.<br />
Γιάννης Σανάκης 1* , Αθανάσιος Μπούνταλης, 1 Αικατερίνη Ραπτοπούλου, 1 Βασίλειος Ψυχάρης, 1 και Σπυρίδων Περλεπές 2<br />
1 Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος»<br />
2 Τμήμα Χημείας, Παν. Πατρών<br />
*sanakis@ims.demokritos.gr<br />
Οι μαγνητικές ιδιότητες μοριακών ενώσεων οι οποίες αποτελούνται από πεπερασμένο αριθμό ιόντων μετάλλων μετάπτωσης<br />
με μη συμπληρωμένα τροχιακά 3d και τα οποία γεφυρώνονται με υποκαταστάτες όπως καρβοξυλικά ανιόντα, O 2- κλπ<br />
βρίσκονται στο επίκεντρο μελετών για αρκετές δεκαετίες. Την τελευταία δεκαετία η έρευνα σε τέτοια συστήματα έχει<br />
εντατικοποηθεί, μετά την ανακάλυψη ότι μερικά από αυτά παρουσιάζουν εντυπωσιακή μαγνητική συμπεριφορά. Για<br />
παράδειγμα η ένωση Mn 12 -acetate και παράγωγά της παρουσιάζει μαγνητική υστέρηση και αργή χαλάρωση της μαγνήτισης<br />
σε θερμοκρασίες υγρού ηλίου [1]. Τα φαινόμενα αυτά δεν οφείλονται σε αλληλεπιδράσεις μακράς εμβελείας (δια-μοριακές<br />
αλληλεπιδράσεις) όπως στα συμβατικά μαγνητικά υλικά (κράμματα, οξείδια) αλλά στις ενδογενείς ιδιότητες του μορίου<br />
(ενδο-μοριακές). Έτσι μπορούν να θεωρηθούν ως μαγνητικά υλικά μηδενικής διάστασης. Πέρα από ενδεχόμενες<br />
τεχνολογικές εφαρμογές [2] τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν ενδιαφέρουσες φυσικές ιδότητες οι οποίες αποτελούν πεδίο<br />
εκτεταμένης διερεύνησης [3].<br />
Γενικά, η μαγνητική συμπεριφορά απομονωμένων πολυ-πυρηνικών μορίων καθορίζεται κυρίως από την ισοτροπική<br />
αλληλεπίδραση ανταλλαγής Heisenberg-Dirac-van Vleck μεταξύ του πεπερασμένου αριθμού των ιόντων μετάπτωσης:<br />
H HDvV = Σ J ij S i • S j (εξίσωση 1)<br />
Όμως, ανισοτροπικές αλληλεπιδράσεις οι οποίες προέρχονται από τη σύζευξη σπιν-τροχιάς (π.χ. δίασχιση σε μηδενικό<br />
πεδίο, zero field splitting (zfs)) και διπολικές αλληλεπιδράσεις διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της<br />
μαγνητικής συμπεριφοράς τέτοιων ενώσεων. Για παράδειγμα ο όρος zfs επιδρά κατά κύριο λόγο στη διαμόρφωση του<br />
ενεργειακού φράγματος για την αντιστροφή της μαγνήτισης που παρατηρείται στους μονομοριακούς μαγνήτες (Single<br />
Molecule Magnets, SMM) όπως είναι οι ενώσεις της οικογένειας Mn 12 -acetate [1]. Έτσι, η εξίσωση 1 πρέπει να επαυξηθεί<br />
κατάλληλα για να ληφθούν υπόψιν οι όροι αυτοί.<br />
Ο προσδιορισμός των ανισοτροπικών αλληλεπιδράσεων είναι ιδιαίτερα σημαντικός για τη σωστή ερμηνεία της<br />
μαγνητικής συμπεριφοράς τέτοιων υλικών. Στην παρούσα εργασία θα μας απασχολήσει πώς η ύπαρξη ανισοτροπικών<br />
μαγνητικών αλληλεπιδράσεων και ιδιαίτερα η αλληλεπίδραση αντισυμμετρικής ανταλλαγής (ή αλληλεπίδραση<br />
Dzyaloshinsky-Moriya) [4], [5] (εξίσωση 2) μπορεί να ταυτοποιηθεί σε τέτοια μοριακά μαγνητικά συστήματα με μετρήσεις<br />
μαγνητικής επιδεκτικότητας (Σχήμα 1) και φασματοσκοπικές τεχνικές όπως EPR (Ηλεκτρονικός Παραμαγνητικός<br />
Συντονισμός) και Mössbauer.<br />
H D-M = d 12 •S 1 x S 2 + d 23 •S 2 x S 3 + d 31 •S 3 x S 1 (εξίσωση 2)<br />
Συγκεκριμένα μελετούμε τρι-πυρηνικά σύμπλοκα του γενικού τύπου {Μ 3 Ο(Η)} n+ όπου M= Cu 2+ (s = 1/2), Cr 3+ (s = 3/2),<br />
Fe 3+ (s = 5/2). Οι μελέτες μας δείχνουν ότι εκτός από τον όρο H D-M σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση των μαγνητικών<br />
ιδιοτήτων σε αυτές τις ενώσεις διαδραματίζουν και κατανομές στις τιμές των σταθερών J ij (J - strain).<br />
Σχήμα 1. Εξάρτηση της μοριακής μαγνητικής επιδεκτικότητας από τη θερμοκρασία (χΤ vs T) από δείγμα σκόνης<br />
ένωσης η οποία περιέχει τον πυρήνα {Cu 3 ΟΗ}. Η εστιγμένη γραμμή αντιστοιχεί σε θεωρητική εξομοίωση των<br />
πειραματικών δεδομένων βάσει της εξίσωσης 1 (με i, j ≤ 3) και η συνεχής γραμμή θεωρητική εξομοίωση<br />
επαυξάνοντας την εξίσωση 1 με τον όρο H D-M (εξίσωση 2).<br />
[1] Christou G, Gatteschi D., Hendrickson D. N., Sessoli R., MRS Bull. 25 (2000), 66.<br />
[2] Leuenberger M. N., Loss D., Nature 410 (2001) 789.<br />
[3] Friedman J. R., Sarachik M. P., Tejada J., Ziolo R., Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 3830.<br />
[4] Dzyaloshinsky I.E. Sov. Phys. JETP 5 (1957) 1259.<br />
[5] Moriya T. Phys. Rev. 120 (1960) 91.<br />
124
Υπολογισμός Υψηλής Θερμοκρασίας Curie σε bcc Co και σε Κράματα FeCo<br />
Φοίβος Μαυρόπουλος 1* , Marjana Ležaić 1 , και Stefan Blügel 1<br />
1 Institut für Festkörperforschung, Forschungszentrum Jülich, D-52425 Jülich, Γερμανία<br />
*<br />
Ph.Mavropoulos@fz-juelich.de<br />
Το κοβάλτιο και τα κράματα σιδήρου-κοβαλτίου χρησιμοποιούνται σε επαφές μαγνητοαντίστασης σήραγγος με φράγμα<br />
MgO, όπου αναπτύσσονται σε δομή χωροκεντρομένου κυβικού συστήματος. Τέτοιες επαφές παρουσιάζουν ιδιαίτερα υψηλή<br />
μαγνητοαντίσταση σήραγγος (TMR) με θερμοκρασιακή σταθερότητα (TMR > 400% σε θερμοκρασία δωματίου) [1]. Η<br />
θερμοκρασιακή σταθερότητα της μαγνητοαντίστασης παραπέμπει σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής και υψηλή<br />
θερμοκρασία Curie.<br />
Υπολογίσαμε [2] από πρώτες αρχές τις διατομικές αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής και τη θερμοκρασία Curie T C του Co στη<br />
μετασταθή δομή bcc, στις δομές fcc και hcp, καθώς και του bcc Fe και κραμάτων Fe 1-x Co x . Ο υπολογισμός της<br />
ηλεκτρονικής δομής και των σταθερών ανταλλαγής J ij έγινε με τη μέθοδο KKR της συνάρτησης Green και η αταξία των<br />
κραμάτων Fe 1-x Co x ελήφθη υπόψη με τη μέθοδο CPA (coherent potential approximation). Οι υπολογισμένες σταθερές<br />
ανταλλαγής αντικαταστάθηκαν κατόπιν στη χαμιλτονιανή του Heisenberg H=-Σ ij J ij M i M j η οποία επιλύθηκε με μια μέθοδο<br />
Monte Carlo για την εύρεση της θερμοκρασίας Curie.<br />
Για το fcc Co βρήκαμε T C = 1280 Κ (πειραματικό αποτέλεσμα: T C exp = 1403 Κ) και για το bcc Fe T C = 900 Κ (T C exp =<br />
1043 Κ). Για το bcc Co υπολογίσαμε την ιδιαίτερα υψηλή τιμή T C = 1400 Κ, ενώ η υψηλότερη τιμή, T C = 1670 Κ, βρέθηκε<br />
για το κραμα Fe 0.5 Co 0.5 . Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι οι σταθερές ανταλλαγής και η θερμοκρασία Curie του σιδήρου είναι<br />
ιδιαίτερα ευαίσθητες ως προς μικρές δομικές μεταβολές. Για παράδειγμα, μια πιθανή τετραγωνοποίηση του πλέγματος κατά<br />
την ανάπτυξη στο MgO επιφέρει μείωση της θερμοκρασίας Curie κατά 15-20%. Αντίθετα, μικρές δομικές μεταβολές των<br />
κραμάτων Fe 1-x Co x και του Co δεν επιρρεάζουν σημαντικά τη θερμοκρασία Curie. Οι υπολογισμοί της ηλεκτρονικής<br />
πυκνότητας καταστάσεων δείχνουν ότι η διαφορά οφείλεται στο χαρακτήρα ασθενούς σιδηρομαγνήτη του Fe (παρουσία<br />
καταστάσεων d στην ενέργεια Fermi και για τις δύο κατευθύνσεις σπιν) εν αντιθέσει προς το χαρακτήρα ισχυρού<br />
σιδηρομαγνήτη (απουσία καταστάσεων d στην ενέργεια Fermi για τη μια κατεύθυνση σπιν) των Fe 1-x Co x και Co.<br />
Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι το bcc Co και τα κράματα FeCo πλεονεκτούν για τη θερμοκρασιακή σταθερότητα της<br />
μαγνητοαντίστασης σήραγγος.<br />
[1] Yuasa S., Fukushima A., Kubota H., Suzuki Y., and Ando K., Appl. Phys. Lett. 89 (2006), 042505.<br />
[2] Ležaić M., Mavropoulos Ph., and Blügel S., Appl. Phys. Lett. 90 (2007), 082504.<br />
125
Linear relationship between Melting and Curie Temperatures in Ni-clusters<br />
A. N. Andriotis 1* , Z.G.Fthenakis 1,2 , and M. Menon 3,4<br />
1 Institute of Electronic Structure and Laser, Foundation for Research and Technology-Hellas, P.O. Box 1385, Heraklio,<br />
Crete, Greece 71110<br />
2 Department of Physics, University of Crete, P.O.Box 2208, 71003 Heraklio, Crete, Greece<br />
3 Center for Computational Sciences, University of Kentucky, Lexington, KY 40506-0045<br />
4 Department of Physics and Astronomy, University of Kentucky, Lexington, KY 40506-0045<br />
The temperature effects on the magnetic properties of transition metal clusters are investigated using a simulations<br />
method which combines the classical potential approximation with the tight binding molecular dynamics (TBMD)<br />
method. This is accomplished through a generalization of our recently proposed TBMD method which includes explicit<br />
incorporation of spin-orbit and non-collinear spin interactions. The efficacy of this new method is demonstrated by<br />
application to small and intermediate size Ni N clusters (N < 202) for which experimental data are available for<br />
comparison.<br />
Our computer simulations based on the Tight Binding (TB) and Classical potential (of Sutton-Chen)<br />
Molecular Dynamics (MD), indicate that the melting and Curie temperatures of Ni clusters (consisting of N cl atoms)<br />
are linearly related, (see Fig.1) that is :<br />
T melt,N = A * T Curie,N + B ;<br />
A, B = constants; A=0.54 ; B=443.82 o K<br />
The Curie temperature, T Curie,N , is determined by locating the maximum of the specific heat, C v (T), obtained from the<br />
derivative with respect to the temperature of the square of the average atomic magnetic moment. The latter is obtained<br />
(i)<br />
as the thermodynamic average of the average atomic magnetic moment obtained over N ran random cluster-spin<br />
configurations of cluster atoms at each i-time-step as reaching the thermodynamic equilibrium. That is :<br />
and<br />
= ∫p T (E) μ i (E) dE<br />
with p T (E) the canonical probability distribution function of total energy E.<br />
Figure 1 Calculated melting and Curie temperatures for Ni clusters as a function of cluster size (left panel); their linear<br />
relationship is indicated in the right panel. Experimental data from Refs. 4,5,6. The inset of the right panel indicates<br />
the variation tith temperature of the Lindemann index for Ni 43 .<br />
126
The thermodynamic average is obtained either within the Multiple Histogram Method or by direct averaging over time<br />
(see Refs. 1,2,3).<br />
Our results T Curie,N and T melt,N (presented in Fig. 1) indicare that both T Curie,N and T melt,N of the Ni N clusters<br />
are found to exhibit similar variation with the cluster size. Namely, they are both lower than their corresponding bulk<br />
values and increase as the cluster size increases. This similarity is justified using model calculations within the mean<br />
field theory applied separately to the surface and core regions and is quantified as a linear relationship between T Curie,N<br />
and T melt,N for the range of cluster sizes studied. The results obtained are in good agreement with the recent<br />
experimental findings.<br />
References :<br />
1. A.N.Andriotis, Z.G.Fthenakis and M.Menon, Europhys. Letters, 76, 1088 (2006).<br />
2. A.N.Andriotis, Z.G.Fthenakis and M.Menon, Phys. Rev. B75, 073413 (2007).<br />
3. Z. Fthenakis A. N. , Andriotis and M. Menon, J. Chem. Phys., 119 (2003) 10911.<br />
4. D. Gerion, A. Hirt, I. M. L. Billas, A. Chatelain, and W. A. de Heer, Phys. Rev. B 62, 7491 (2000).<br />
5. S. E. Apsel, J. W. Emmert, J. Deng, and L. A. Bloomfield, Phys. Rev. Lett. 76, 1441 (1996).<br />
6. I. M. L. Billas, A. Chatelain, and W. A. de Heer, Science 265, 1682 (1994).<br />
127
Μαγνητικά Nανοσωματίδια με Διαμόρφωση Πυρήνα-Φλοιού<br />
Κ. Συμεωνίδης 1,* , Σ. Μουρδικούδης 1 , Ι. Τσιαούσης 1 , Κ. Δενδρινού-Σαμαρά 2 , Μ. Αγγελακέρης 1 και Ο. Καλογήρου 1<br />
1 Τμήμα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης<br />
2 Τμήμα Χημείας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης<br />
*ksime@physics.auth.gr<br />
ΠΕΡΙΛΗΨΗ<br />
Στην εργασία αυτήν εξετάστηκε η δυνατότητα σύνθεσης νανοσωματιδίων διαμόρφωσης πυρήνα – φλοιού με τεχνολογικά<br />
ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά. Η ρύθμιση του πάχους του φλοιού πραγματοποιήθηκε είτε με επιλογή των παραμέτρων της<br />
αντίδρασης (FePt@Fe 3 O 4 ) είτε με εκ των υστέρων ελεγχόμενη δράση οξειδωτικού περιβάλλοντος (FeO@Fe 3 O 4 και<br />
FeCo@CoFe 2 O 4 ). Οι μαγνητικές μετρήσεις των συστημάτων σε συνδυασμό με τον δομικό χαρακτηρισμό απέδειξαν τον<br />
ρόλο της σύζευξης των φάσεων στον καθορισμό των μαγνητικών ιδιοτήτων τους.<br />
ΕΙΣΑΓΩΓΗ<br />
Η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νανοσωματιδίων με διαμόρφωση πυρήνα-φλοιού αποτελεί μια σύγχρονη προσέγγιση για<br />
την ανάπτυξη νανοδομημένων υλικών με ελεγχόμενες ιδιότητες. Ειδικότερα, ο συνδυασμός υλικών με διαφορετικά<br />
μαγνητικά χαρακτηριστικά μπορεί να οδηγήσει σε εμφάνιση νέων φαινομένων, σε μεγαλύτερη χημική σταθερότητα και εν<br />
γένει σε βελτίωση των μακροσκοπικά παρατηρούμενων ιδιοτήτων. Η ενίσχυση διεπιφανειακών φαινομένων όπως η πόλωση<br />
ανταλλαγής και η ανταλλαγή «ελατηρίου» αποτελούν χαρακτηριστικές περιπτώσεις εφαρμογής νανοσωματιδίων πυρήναφλοιού<br />
όπου και οι δύο φάσεις είναι μαγνητικές. Ο συνδυασμός σιδηρομαγνητικής-αντισιδηρομαγνητικής φάσης (π.χ.<br />
Co/CoO, Fe/Fe x O y ) και σκληρής-μαλακής φάσης (π.χ. FePt/Fe 3 O 4 ) αντίστοιχα, είναι οι ενδεδειγμένες επιλογές. Η επικάλυψη<br />
μιας μαγνητικής φάσης στο εσωτερικό αδρανούς ή βιοσυμβατού υλικού θεωρείται ιδανική λύση για την διατήρηση των<br />
σιδηρομαγνητικών ιδιοτήτων σε χαμηλές διαστάσεις (μαγνητικά μέσα εγγραφής) και την εφαρμογή τους σε βιολογικά<br />
περιβάλλοντα. Σε κάθε περίπτωση, βασική προϋπόθεση είναι η ελεγχόμενη σύνθεση των διαφορετικών φάσεων και η<br />
ρύθμιση των διαστάσεών τους ώστε να επιτυγχάνεται το επιθυμητό αποτέλεσμα.<br />
Με την χρήση χημικών μεθόδων έχει διαπιστωθεί ότι είναι δυνατή η σύνθεση νανοσωματιδίων σε ένα μεγάλο εύρος<br />
μεγεθών (2-200 nm), με στενή κατανομή μεγέθους και ταυτόχρονο έλεγχο του σχήματος και της σύστασης. Η διάσπαση ή<br />
αναγωγή προδρόμων ενώσεων του μετάλλου προσφέρει το πλεονέκτημα της ανάπτυξης των νανοκρυστάλλων από ατομικό<br />
επίπεδο ενώ η παρουσία επιφανειοδραστικών ενώσεων είναι αυτή που καθορίζει το τελικό μέγεθος και εμποδίζει πιθανή<br />
συσσωμάτωση. Το τελικό προϊόν, που λαμβάνεται σε μορφή κολλοειδούς διαλύματος, μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί για<br />
την ανάπτυξη διδιάστατων ή τρισδιάστατων δικτύων με την εναπόθεση τους σε κατάλληλα υποστρώματα.<br />
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ<br />
Εφαρμόστηκε η μέθοδος της θερμικής διασπάσεως προδρόμων ενώσεων Fe ή Co και αναγωγής προδρόμων ενώσεων Pt σε<br />
οργανικό διαλύτη υψηλού σημείου ζέσεως (>250<br />
o C) παρουσία επιφανειοδραστικών ουσιών. Η διάταξη που<br />
χρησιμοποιήθηκε περιλαμβάνει μια τρίλαιμη σφαιρική φιάλη των 50 ml στην οποία προσαρμόστηκαν συμπυκνωτής,<br />
ρυθμιστής ροής του Ar και θερμοζεύγος.<br />
Ο σχηματισμός νανοσωματιδίων FeCo@CoFe 2 O 4 έγινε με ταυτόχρονη διάσπαση διαλυμάτων Fe(CO) 5 και Co(N(SiMe 3 ) 2 ) 2<br />
σε υψηλή πίεση (3 bar) και αδρανείς συνθήκες. Ακολούθησε μερική οξείδωση του εξωτερικού φλοιού με παραμονή στην<br />
ατμόσφαιρα για 5 ημέρες. Η οξείδωση υπό ανάλογες συνθήκες είναι ταχύτερη στην περίπτωση νανοσωματιδίων Fe παρά την<br />
σχετικά μεγάλη διάμετρο τους που επιτυγχάνεται με την παρατεταμένη διάσπαση Fe(CO) 5 σε υψηλή θερμοκρασία (295 o C).<br />
Αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός δύο φάσεων (Fe x O και Fe 3 O 4 ) με διαφορετική αναλογία Fe:O ανάλογα με την διείσδυση<br />
οξυγόνου στο πλέγμα του αρχικά σχηματιζόμενου σιδήρου. Για την σύνθεση νανοσωματιδίων πυρήνα FePt-φλοιού Fe 3 O 4<br />
χρησιμοποιήθηκε Fe(CO) 5 και Pt(acac) 2 σε υψηλή αναλογία (>5/1) και ήπιες συνθήκες θέρμανσης (250 o C), ώστε η<br />
περίσσεια Fe(CO) 5 να συμβάλλει στο σχηματισμό του φλοιού χωρίς να υπάρξει διάχυση των ατόμων σιδήρου στο εσωτερικό<br />
του πυρήνα.<br />
Σχήμα 1. Νανοσωματίδια πυρήνα FePt – φλοιού Fe 3 O 4 μέσης διαμέτρου 5 nm (α) και 15 nm (β).<br />
128
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ<br />
Στην εργασία αυτήν μελετήθηκαν τρία συστήματα νανοσωματιδίων πυρήνα-φλοιού στα οποία η μία τουλάχιστον φάση<br />
είναι σιδηρομαγνητική. Τα νανοσωματίδια FeCo@CoFe 2 O 4 και Fe x O@Fe 3 O 4 αποτελούν περιπτώσεις όπου μελετάται η<br />
διαδικασία σύνθεσης και ελεγχόμενης οξείδωσης για το σχηματισμό νανοκρυστάλλων δύο μαγνητικών υλικών. Αντίθετα, τα<br />
νανοσωματίδια FePt@Fe 3 O 4 εξετάζονται ως παράδειγμα συνδυασμού σκληρής/μαλακής φάσης παράλληλα με την<br />
δυνατότητα αξιοποίησης των ιδιοτήτων του FePt σε βιολογικές εφαρμογές χάρη στο βιοσυμβατό περίβλημα τους.<br />
Νανοσωματίδια πυρήνα FePt – φλοιού Fe 3 O 4<br />
Στις εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας του σχήματος 1 παρουσιάζονται δύο δείγματα νανοσωματιδίων FePt@Fe 3 O 4<br />
όπου η χρήση διαφορετικής αναλογίας των προδρόμων ενώσεων οδήγησε σε μεταβολή του πάχους του φλοιού. Στην πρώτη<br />
περίπτωση (Σχήμα 1α) η μέση διάμετρος τους πλησιάζει τα 5 nm από τα οποία τα 3,5 nm αποτελούν τον πυρήνα κράματος<br />
FePt. Όπως υποδεικνύει η εικόνα υψηλής διακριτικής ικανότητας πρόκειται για κυβική φάση του ισογραμμομοριακού FePt.<br />
Σημαντική παράμετρος είναι η ομοιόμορφη εξαγωνική διάταξη κατά την εναπόθεση, που διατηρείται και κατά την δεύτερη<br />
στρώση σωματιδίων. Το σχήμα του αντίστοιχου βρόχου υστέρησης στους 10 Κ επιβεβαιώνει την παρουσία των δύο<br />
διαφορετικών μαγνητικών φάσεων και δείχνει πιθανή σύζευξη ανάμεσά τους.<br />
Με έλεγχο του σταδίου της ανάπτυξης του φλοιού Fe 3 O 4 είναι δυνατή η σύνθεση νανοσωματιδίων με διάμετρο 15 nm<br />
όπως φαίνονται στο Σχήμα 1β. Ο πυρήνας, που βρίσκεται μετατοπισμένος από το κέντρο, διαπιστώθηκε ότι αποτελείται από<br />
την κυβική φάση FePt 3 και η ύπαρξη του δεν επηρεάζει τις μακροσκοπικά παρατηρούμενες μαγνητικές ιδιότητες που<br />
αποδίδονται εξ ολοκλήρου στον Fe 3 O 4 [1].<br />
Σχήμα 2. Νανοσωματίδια πυρήνα FeO – φλοιού Fe 3 O 4 (α) και πυρήνα FeCo – φλοιού CoFe 2 O 4 (β).<br />
Νανοσωματίδια πυρήνα FeO – φλοιού Fe 3 O 4<br />
Η ταχεία και σχεδόν αναπόφευκτη οξείδωση νανοκρυστάλλων σιδήρου μπορεί να περιοριστεί με την σύνθεση<br />
νανοσωματιδίων σχετικά μεγάλης διαμέτρου. Τα νανοσωματίδια Fe μεγέθους 18 nm που μελετήθηκαν αρχικά οξειδώθηκαν<br />
σε FeO και στην συνέχεια με πολύ αργό ρυθμό προς Fe 3 O 4 [2]. Κατά το δεύτερο στάδιο η διάχυση οξυγόνου προχωράει από<br />
τον φλοιό προς το κέντρο του σωματιδίου όπως δείχνει η εικόνα υψηλής διακριτικής ικανότητας του σχήματος 2α που<br />
λήφθηκε 3 μήνες μετά την έκθεση σε ατμοσφαιρικό αέρα. Ανάλογα με το περιβάλλον και τον χρόνο έκθεσης είναι δυνατός ο<br />
έλεγχος του πάχους του εξωτερικού στρώματος Fe 3 O 4 και των μαγνητικών χαρακτηριστικών όπως δείχνουν οι βρόχοι<br />
υστέρησης σε αρχικό στάδιο και έπειτα από 3 μήνες.<br />
Νανοσωματίδια πυρήνα FeCo – φλοιού CoFe 2 O 4<br />
Σε αυτήν την περίπτωση η διαδικασία οξείδωσης είναι καλύτερα ελεγχόμενη και το τελικό προϊόν είναι πιο σταθερό με τον<br />
χρόνο. Το μέσο μέγεθος των νανοσωματιδίων FeCo είναι 15 nm ενώ μετά από την οξείδωση το πάχος του εξωτερικού<br />
στρώματος οξειδίου φτάνει τα 5 nm (Σχήμα 2β). Ο φλοιός εμφανίζεται σε εικόνες υψηλής διακριτικής ικανότητας να έχει<br />
καλύτερη κρυσταλλικότητα από το σχετικά άμορφο πυρήνα FeCo. Ο δομικός χαρακτηρισμός με περίθλαση ακτινών Χ<br />
προσδιόρισε την δομή του οξειδίου ως CoFe 2 O 4 [3]. Η συνύπαρξη των δύο αυτών φάσεων με υψηλή μαγνήτιση κόρου<br />
οδηγεί σε ανάλογα υψηλές τιμές του συστήματος ενώ κάτω από την θερμοκρασία μετάβασης σε υπερπαραμαγνητισμό η<br />
συμπεριφορά είναι καθαρά σιδηρομαγνητική.<br />
ΑΝΑΦΟΡΕΣ<br />
[1] K. Simeonidis et al., submitted to Chem. Mater.<br />
[2] K. Simeonidis et al., Mod. Phys. Lett. B, in press.<br />
[3] S. Mourdikoudis et al., Mod. Phys. Lett. B, in press.<br />
H παρούσα μελέτη υποστηρίζεται από τη Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας – Κωδικός έργου ΠΕΝΕΔ: 03EΔ667.<br />
129
Επίδραση των ∆ιασωµατιδιακών Αλληλεπιδράσεων σε Συλλογές Συνθέτων<br />
Νανοσωµατιδίων<br />
∆. Κεχράκος * και Κ. Ν. Τροχίδου<br />
Ινστιτούτο Επιστήµης Υλικών, ΕΚΕΦΕ «∆ηµόκριτος», 15310 Αθήνα<br />
*dkehrakos@ims.demokritos.gr<br />
Μελετάµε τη µαγνητική υστέρηση σε συλλογές συνθέτων µαγνητικών νανοσωµατιδίων (ΝΣ) αποτελουµένων από<br />
σιδηροµαγνητικό (ΣM) πυρήνα και αντισιδηροµαγνητικό (ΑΣΜ) φλοιό. Τα ΝΣ αυτά εµφανίζουν ασύµµετρο (οριζόντια<br />
µετατοπισµένο) βρόχο µαγνητικής υστέρησης και ενισχυµένο συνεκτικό πεδίο σε σχέση µε τα αµιγώς ΣΜ σωµατίδια, λόγω<br />
του πεδίου ανταλλαγής (exchange bias field) που εµφανίζεται στη διεπιφάνεια της ΣΜ µε την ΑΣΜ φάση. H έµφαση στην<br />
παρούσα εργασία είναι στη διαµόρφωση των χαρακτηριστικών του βρόχου µαγνητικής υστέρησης εξαιτίας των<br />
διασωµατιδιακών αλληλεπιδράσεων, οι οποίες διαδραµατίζουν σηµαντικό ρόλο καθώς η πυκνότητα των σωµατιδίων σε ένα<br />
δείγµα αυξάνεται [1,2]. Η µαγνητική συµπεριφορά µιάς συλλογής ΝΣ καθορίζεται από τον ανταγωνισµό µεταξύ αφενός των<br />
ενδοσωµατιδικών ενεργειακών παραγόντων, όπως η µαγνητική ανισοτροπία και το πεδίο ανταλλαγής και αφετέρου των<br />
διασωµατιδιακών παραγόντων, όπως οι µαγνητοστατικές αλληλεπιδράσεις και οι αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής.<br />
Περιγράφουµε τη δυναµική της µαγνήτισης ενός αποµονωµένου ΝΣ σε µεσοσκοπική κλίµακα εισάγοντας ένα πρότυπο<br />
λίγων σπιν, το οποίο στη συνέχεια καθιστά υπολογιστικά εφικτή την περιγραφή µιας συλλογής ΝΣ. Στα πλαίσια του<br />
πρότυπου αυτού κάθε ΝΣ χωριζεται σε τέσσερεις περιοχές : (1) πυρήνα, (2) επιφανειακό στρώµα πυρήνα, (3) επιφανειακό<br />
στρώµα φλοιού και (4) φλοιό (Σχ.1). Η µαγνητική δοµή κάθε περιοχής περιγράφεται µέ ένα διάνυσµα µαγνητικής ροπής,<br />
αγνοώντας τις διακυµάνσεις της µαγνήτισης σε ατοµική κλίµακα, γεγονός που αποτελεί ικανοποιητική προσέγγιση εφόσον<br />
αναφερόµαστε σε θερµοκρασίες αρκετά χαµηλότερες από την κρίσιµη του συγκεκριµένου στρώµατος. Οι ΑΣΜ περιοχές<br />
(3,4 στο Σχ.1) περιγράφονται στην προσέγγιση των δύο υποπλεγµάτων και απαιτούν δύο ΑΣΜ συζευγµένα διανύσµατα<br />
µαγνητικών ροπών η καθεµία. Συνολικά το ΝΣ περιγράφεται από έξι ροπές (σπιν). Η µαγνητική ροπή κάθε περιοχής<br />
θεωρείται ανάλογη του αριθµού των ατόµων στην εν λόγω περιοχή. Ο αριθµός αυτός υπολογίζεται από την ατοµική δοµή<br />
του ΝΣ, θεωρώντας ότι έχει απλή κυβική δοµή πλεγµατικής σταθεράς a. Κάθε ΝΣ χαρακτηρίζεται από ένα άξονα εύκολης<br />
µαγνήτισης, κοινό για όλες τις περιοχές του, ο οποίος όµως έχει τυχαία διεύθυνση στο χώρο. Τα ΝΣ καταλαµβάνουν<br />
περιοδικά θέσεις σε ένα τριγωνικό πλέγµα σταθεράς d 0 ≥2R, όπου R η ακτίνα του ΝΣ. Οι µαγνητοστατικές αλληλεπιδράσεις<br />
περιγράφονται στη διπολική προσέγγιση και χρησιµοποιούµε τη µέθοδο άθροισης κατά Ewald προκειµένου να χειριστούµε<br />
την άπειρη εµβέλεια τους. Εκτός από τις γεωµετρικές παραµέτρους του προτύπου (R,d 0 , ακτίνα καρδιάς R c ) οι παράµετροι<br />
του µαγνητικού υλικού που αποτελέιται το ΝΣ είναι οι ενέργειες ανισοτροπίας Κ i και ενέργειες ανταλλαγής J ij , όπου<br />
i,j=1,2,3,4. Η µαγνήτιση της συλλογής υπολογίζεται µε τον αλγόριθµο προσοµοίωσης Metropolis Monte Carlo, ξεκινώντας<br />
από υψηλά πεδία µε τον σχηµατισµό των σπιν να αντιστοιχεί σε κατάσταση ψύξης υπό πεδίο.<br />
Σχήµα 1. (α) ∆ιαχωρισµός ΝΣ σε 4 περιοχές. (β) Πρότυπο<br />
έξι σπιν για την περιγραφή της µαγνητικής δοµής ΝΣ στην<br />
κατάσταση ελάχιστης ενέργειας. Οι συνεχείς (εστιγµένες)<br />
γραµµές δηλώνουν ΣΜ (ΑΣΜ) ζεύξη. (γ) Τυπικός<br />
µαγνητικός βρόχος συλλογής µή αλληλεπιδρώντων ΝΣ,<br />
αναλυµένος στις επιµέρους συνεισφορές από τις 4 περιοχές<br />
του ΝΣ.<br />
Σχήµα 2. Σχηµατική παράσταση µετατοπισµένου<br />
βρόχου υστέρησης και ορισµός του συνεκτικού<br />
πεδίου (H C ) και πεδίου ανταλλαγής (Η E )<br />
Παρουσιάζουµε αποτελέσµατα για την εξάρτηση του συνεκτικού πεδίου και πεδίου πόλωσης ανταλλαγής, όπως αυτά<br />
ορίζονται στο Σχ.2, από την πυκνότητα των ΝΣ, η οποία µεταβλήθηκε σε διαδοχικά δείγµατα αυξάνοντας την απόσταση d 0<br />
µεταξύ των ΝΣ. Αποτελέσµατα για δύο διαφορετικές τιµές της ακτίνας πυρήνα (R C ) µε το ίδιο πάχος φλοιού (t sh =4a)<br />
δείχνουµε στα Σχ.3 (R C =5a) και Σχ.4 (R C =12.7a). Προκειµένου να εξετάσουµε την επίδραση των ιδιοτήτων του υλικου<br />
παρουσιάζουµε στα ίδια σχήµατα, αποτελέσµατα για υλικά µε µεγάλη µαγνήτιση (α=Μs 2 /Κ 1 =6.5) και µικρή µαγνήτιση<br />
(α=1). Σε κάθε περίπτωση παρατηρούµε ότι αραίωση των ΝΣ προκαλεί αύξηση του συνεκτικού πεδίου. Η ίδια συµπεριφορά<br />
έχει παρατηρηθεί και σε απλά ΣΜ ΝΣ, και οφείλεται στην διαπλάτυνση και µετατόπιση πρός µικρότερες τιµές της<br />
κατανοµής των ενεργειακών φραγµών, οι οποίοι εµποδίζουν την µαγνητική αντιστροφή των ΝΣ. Η διαπλάτυνση αυτή<br />
οφείλεται στον έντονα ανισοτροπικό χαρακτήρα και τη µακρά εµβέλεια των διπολικών αλληλεπιδράσεων. Η επίδραση των<br />
διπολικών αλληλεπιδράσεων γίνεται ισχυρότερη όταν το µέγεθος του πυρήνα αυξάνεται ή ο διπολικός χαρακτήρας του<br />
υλικού γίνεται εντονώτερος, µιας και στις δύο περιπτώσεις η συνολική ροπή του ΝΣ αυξάνεται. Σε αντίθεση µε το συνεκτικό<br />
πεδίο, το πεδίο ανταλλαγής εµφανίζει αντίθετη συµπεριφορά µε την αραίωση του δείγµατος. Συγκεκριµένα, παρατηρούµε<br />
µια µικρή (~10%) µείωση του πεδίου ανταλλαγής, η οποία γίνεται εντονώτερη σε ΝΣ µε µεγαλύτερη µαγνητική ροπή<br />
130
προερχόµενη είτε από αύξηση του µεγέθους του πυρήνα είτε από αύξηση της µαγνήτισης κόρου του υλικού. Η συµπεριφορά<br />
αυτή οφείλεται στο διαφορετικό ρόλο που διαδραµατίζουν οι διπολικής αλληλεπιδράσεις στο µηχανισµό στροφής της<br />
µαγνήτισης του αριστερού και του δεξιού κλάδου του βρόχου. Συγκεκριµένα, το ύψος του ενεργειακού φραγµού για<br />
αντιστροφή είναι υψηλότερο στον αριστερό κλάδο από ότι στο δεξιό όπως συµπεραίνει κανείς από την υψηλότερη (απόλυτη)<br />
τιµή του αριστερού συνεκτικού πεδίου σε σχέση µε το δεξιό (Σχ.2). Συνεπώς οι διπολικές αλληλεπιδράσεις προκαλούν<br />
µικρότερη µείωση του αριστερού από το δεξιό συνεκτικό πεδίο , οπότε η διαφορά τους (που ισούται µε το πεδίο ανταλλαγής)<br />
αυξάνεται.<br />
Παρόµοια συµπεριφορά για το συνεκτικό πεδίο και το πεδίο πόλωσης ανταλλαγής παρατηρήσαµε και σε δείγµατα µε<br />
τυχαία κατανοµή των ΝΣ, γενονός που επιβεβαιώνει το ρόλο των µαγνητοστατικών αλληλεπιδράσεων σε πυκνές συλλογές<br />
συνθέτων ΝΣ.<br />
Σχήµα 3. Εξάρτηση του συνεκτικού πεδίου<br />
(H C ) και του πεδίου ανταλλαγής (H E ) από την<br />
απόσταση µεταξύ των ΝΣ (d 0 ) σε ένα<br />
δισδιάστατο δείγµα µε διατεταγµένα ΝΣ.<br />
Στοιχεία των ΝΣ : R C =5a και R=9a. (a) ισχυρά<br />
διπολικo υλικo (α =6.5) και (b) ασθενώς<br />
διπολικo υλικo (α=1.0). Η θερµοκρασία είναι<br />
πολύ χαµηλή (T=0.1 Κ 1 Ν 1 / k Β ).<br />
Σχήµα 4. Εξάρτηση του συνεκτικού πεδίου<br />
(H C ) και του πεδίου ανταλλαγής (H E ) από την<br />
απόσταση µεταξύ των ΝΣ (d 0 ) σε ένα<br />
δισδιάστατο δείγµα µε διατεταγµένα ΝΣ.<br />
Στοιχεία των ΝΣ : R C =12.7a και R=16.7a. (a)<br />
ισχυρά διπολικo υλικo (α=6.5) και (b) ασθενώς<br />
διπολικo υλικo (α=1.0). Η θερµοκρασία είναι<br />
πολύ χαµηλή (T=0.1 Κ 1 Ν 1 / k Β ).<br />
[1] Kechrakos D., Trohidou K. N., Vasilakaki M., J. Magn. Magn. Mater. 316 (2007) e291–e294.<br />
[2] Kechrakos D., Trohidou K. N., cond-mat/0607520 (to appear in J. Nanosci. Nanotechnol.)<br />
131
4 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Συστήματα με Ισχυρές Συσχετίσεις»
Combining Magnetism and Ferroelectricity in novel Electromagnets<br />
Dimitri N. Argyriou*†<br />
Hahn-Meitner-Institut, Berlin, Germany<br />
*argyriou@hmi.de<br />
Pierre Curie first postulated the induction of magnetization by means of an electric field and the induction of electric polarization<br />
by means of a magnetic field. The number of materials that can exhibit such behavior is very limited as conventional ferroelectrics<br />
are chemically incompatible with magnetism[1]. However in recent years a number of magneto-electric materials have been<br />
discovered such as RMnO 3 , RMn 2 O 5 (R=Gd,Tb,Dy,Ho) and Ni 3 V 2 O 8 . In these materials, that are often labeled as multiferroic due<br />
to their dual ferroic properties, ferroelectricity arises as a consequence of frustrated magnetism[2,3]. Frustration leads to a peculiar<br />
transverse spiral magnetic ordering that breaks inversion symmetry[4]. The spontaneous polarization that arises from such<br />
ordering is in the order of
Μελέτη Tων Eνδοεπιφανειακών Tάσεων Σε Λεπτά Υµένια Μαγγανιτών<br />
Α. Αντωνάκος 1* , Ε. Λιαροκάπης 1 , G. H. Aydogdu 2 , H.-U. Habermeier 2<br />
1 Τοµέας Φυσικής, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, GR-15780 Αθήνα, Ελλάδα<br />
2 Max-Planck-Institute for Solid State Research, D-70569, Stuttgart, Germany<br />
*tantonak@central.ntua.gr<br />
Οι µαγγανίτες αποτελούν ένα τυπικό παράδειγµα υλικών που παρουσιάζουν κολοσσιαία µαγνητοαντίσταση (CMR) [1].<br />
Είναι περοβσκίτες του χηµικού τύπου R 1-x A x MnO 3 , όπου R είναι µια τρισθενής σπάνια γαία και A είναι µια δισθενής<br />
αλκαλική γαία [2]. Εκτός από τις πιθανές τεχνολογικές εφαρµογές τους (ως µαγνητικοί διακόπτες και µνήµες) έχουν<br />
µελετηθεί τα τελευταία χρόνια λόγω της πολύπλοκης φυσικής τους [3]. Ο σηµαντικότερος λόγος που η µελέτη έγινε σε<br />
λεπτά υµένια, πέρα από το ότι χρησιµοποιούνται στις περισσότερες τεχνολογικές εφαρµογές, είναι το γεγονός ότι οι<br />
ιδιότητες τους µεταβάλλονται από το συµπαγές υλικό σε λεπτό υµένιο αναπτυγµένο σε υπόστρωµα. Το σύστηµα<br />
La 1−x Ca x MnO 3 έχει πολύ πλούσιο διάγραµµα φάσης [4]. Το συµπαγές στο x=0.5 (LCMO) είναι ένας παραµαγνητικός (PM)<br />
µονωτής και µε την µείωση της θερµοκρασίας περνά αρχικά σε µια σιδηροµαγνητική φάση (FM) και στη συνέχεια<br />
ταύτοχρονα σε µια αντισιδηροµαγνητική (AFM) και µια φάση διάταξης φορτίου (CO) [5].<br />
Στην παρούσα εργασία, µελετούµε συστηµατικά τα ενεργά κατά Raman φωνόνια των LCMO λεπτών υµενίων. Για<br />
να εξετασθεί η επίδραση των τάσεων απο το υπόστρωµα καθώς και από την διεύθυνση ανάπτυξης, µελετήθηκαν λεπτά<br />
υµένια LCMO που είχαν εναποτεθεί σε υποστρώµατα SrTiO 3 (STO) µε διευθύνσεις (100) και (111) καθώς και σε<br />
υπόστρωµα (001) SrLaGaO 4 (SLGO).<br />
∆είγµατα και Πειραµατικές τεχνίκες<br />
Για την παρασκευή των δείγµατων χρησιµοποιήθηκε η τεχνική εναπόθεσης µε παλµικό laser (Pulsed Laser<br />
Deposition, PLD), µε την οποία παρασκευάστηκαν τρία διαφορετικά πάχη (290, 220, 145 nm). Οι δοµικές ιδιότητες των<br />
υµενίων µελετήθηκαν µε την τεχνική περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) από όπου διαπιστώθηκε ότι τα υµένια ήταν µονοφασικά<br />
και είχαν την ορθροροµβική δοµή. Για τα λεπτά υµένια που αναπτύχθηκαν στο (100) STO και (001) SLGO τα επίπεδα (020)<br />
των LCMO ήταν παράλληλα στην επιφάνεια του υποστρώµατος. Τα υµένια πάνω στο υπόστρωµα (111) STO είναι<br />
αναπτυγµένα κατά την διεύθυνση (022). Η παρασκευή και τα αποτελέσµατα µεθόδων χαρακτηρισµού (XRD, µαγνήτισης,<br />
αγωγιµότητας) παρουσιάζονται αναλυτικά αλλού [6].<br />
Τα φάσµατα Raman κατεγράφησαν µε ένα τριπλό φασµατόµετρο T64000 Jobin Yvon, εξοπλισµένο µε ένα CCD<br />
(Charge Coupled Device) ψύξεως υγρού αζώτου και ένα µικροσκόπιο µε αντικειµενικό φακό × 100 ή × 40. Για την διέγερση<br />
των υλικών χρησιµοποιήθηκε η γραµµή 514.5 nm ενός laser Ar + και για τις µετρήσεις χαµηλών θερµοκρασιών ένας<br />
κρυοστάτης Oxford.<br />
Αποτελέσµατα και Συζήτηση<br />
Στο Σχήµα 1 παρουσιάζονται χαρακτηριστικά φάσµατα Raman στο θερµοκρασιακό εύρος 78-295 K των υµενίων<br />
LCMO/STO (100) (α), LCMO/STO (111) (β) και LCMO/SLGO (001) (γ) µε πάχος 290 nm. Είναι γενικά αποδεκτό ότι οι<br />
κορυφές χαµηλών συχνοτήτων (ω 1 ) αποδίδονται σε R-O τρόπους ταλάντωσης, µια κορυφή αποκλίνουσας τάλαντωσης<br />
αναµένεται στα ~230 cm -1 (ω 2 ), οι καµπτικές ταλαντώσεις στην περιοχή 400-480 cm -1 (ω 3 ), ενώ οι Jahn-Teller (JT) εκτατικοί<br />
τρόποι ταλάντωσης αναµένονται στα ~490 cm -1 (συµµετρικός, SS) και στα ~605 cm -1 (αντισυµµετρικός, AS). Για τον<br />
προσδιορισµό της συµµετρίας των τρόπων ταλάντωσης των φωνονίων πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις µε διαφορετικές<br />
γεωµετρίες σκέδασης στους 78 Κ. Τα υµένια πάνω στα υποστρώµατα SLGO (001) και STO (100) παρουσιάζουν κορυφές<br />
ίδιας συµµετρίας. Τα φάσµατα των υµενίων LCMO/STO (111) είναι όπως αναφέρθηκε αναπτυγµένα κατά άλλη διεύθυνση<br />
(011) κι ακολουθούν διαφορετικούς κανόνες επιλογής, ενώ στα φάσµατα συνεισφέρει σηµαντικά και το υπόστρωµα STO.<br />
LCMO/STO(100)<br />
ω 2<br />
420 468<br />
400 446<br />
495<br />
605<br />
295<br />
240<br />
LCMO/STO(111)<br />
295<br />
230<br />
80<br />
LCMO/SLGO<br />
A g(2)<br />
444468<br />
422<br />
495<br />
605<br />
RT<br />
200<br />
210<br />
Wavenumber (cm -1 )<br />
170<br />
150<br />
Intensity (A.U.)<br />
200<br />
160<br />
130<br />
Intensity (A.U.)<br />
180<br />
150<br />
130<br />
110<br />
110<br />
80<br />
80<br />
80<br />
100 200 300 400 500 600 700<br />
Wavenumber (cm -1 )<br />
100 200 300 400 500 600 700<br />
Wavenumber (cm -1 )<br />
100 200 300 400 500 600 700<br />
Wavenumber (cm -1 )<br />
(α) LCMO/STO(100)<br />
(β) LCMO/STO(111)<br />
(γ) LCMO/SLGO(001)<br />
Σχήµα 1. Τυπικά φάσµατα Raman χαµηλών θερµοκρασιών για τα λεπτά υµένια LCMO σε διαφορετικά υποστρώµατα.<br />
Ο ω 2 τρόπος ταλάντωσης εµφανίζεται ως µια πολύ ισχυρή ευρεία ζώνη A g συµµετρίας και αποδόθηκε στην A g (2)<br />
αποκλίνουσα περιστροφική ταλάντωση των οκταέδρων [7]. Στο Σχήµα 2 φαίνεται ότι η ω 2 ταλάντωση µαλακώνει για τα<br />
133
υµένια LCMO/STO (100) πολύ κοντά στην αναµενόµενη θερµοκρασία Curie (T curie ) , ενώ για τα υµένια LCMO/SLGO η ίδια<br />
συµπεριφορά παρατηρείται σε χαµηλότερη θερµοκρασία. Για τα LCMO/STO (100) υµένια κάτω από τους 150 K τρεις κορυφές<br />
Α g συµµετρίας εµφανίζονται στην περιοχή του ω 2 (Σχήµα 1α). Αυτή<br />
η θερµοκρασία είναι πολύ κοντά στην θερµοκρασία Νeel (T N ) του<br />
246<br />
STO(100) συµπαγούς La 0.5 Ca 0.5 MnO 3 , στο οποίο η εµφάνιση των νέων κορυφών<br />
244<br />
STO(111)<br />
έχει παρατηρηθεί [5] και αποδόθηκε από τους ίδιους συγγραφείς σε µια<br />
242<br />
SLGO(001)<br />
240<br />
υπερδοµή P2 1 /m συµµετρίας, η οποία προτάθηκε από τον Radaelli et al.<br />
238<br />
[8], όπου κάτω από την θερµοκρασία T N µια διάταξη τροχιακών και<br />
236<br />
φορτίου λαµβάνει χώρα. Σε µια εναλλακτική υπόθεση, κάτω από την<br />
234<br />
θερµοκρασία Τ Ν συνυπάρχουν δύο φάσεις Pnma (FM και AFM) µε<br />
232<br />
ελαφρώς διαφορετικές πλεγµατικές σταθερές [9]. Οι νέες κορυφές δεν<br />
230<br />
παρατηρήθηκαν στα υπόλοιπα λεπτά υµένια της εργασίας αυτής, ούτε σε<br />
228<br />
υµένια LCMO άλλων συγγραφέων [10]. Εποµένως, συσχετίζουµε τη<br />
226<br />
διαφορά στην κλίση της ταλάντωσης ω 2 µε την µετάβαση στην FM φάση<br />
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320<br />
και την εµφάνιση των νέων κορυφών µε την AFM. Από τα παραπάνω<br />
Temperature (K)<br />
συµπεραίνουµε ότι οι τάσεις απο τα διαφορετικά υποστρώµατα<br />
Σχήµα 2<br />
προκαλούν αλλαγές στις θερµοκρασίες µετάβασης στα λεπτά υµένια<br />
LCMO/STO (111) και LCMO/SLGO (001) σε σχέση µε το συµπαγές.Τέλος,οι διαφορετικές τάσεις προκαλούν µια διαφορά<br />
~5 cm -1 ανάµεσα στις ενέργειες των ω 2 τρόπων ταλάντωσης των LCMO/STO (100) και LCMO/SLGO. Έχει βρεθεί ότι<br />
διαφορετικές γωνίες απόκλισης αντιστοιχούν σε διαφορετικές ενέργειες των αποκλινουσών ταλαντώσεων [11]. Σε σχέση µε<br />
το συµπαγές LCMO(x=0.5), η ενέργεια είναι σταθερή για το υµένιο LCMO/SLGO (001) (290 nm), ενώ για τα υµένιο<br />
LCMO/STO (100) συµπεραίνουµε από την διαφορά στην ενέργεια ότι η γωνία απόκλισης έχει αυξηθεί.<br />
Οι καµπτικές ταλαντώσεις (ω 3 ) εµφανίζονται σε όλα τα δείγµατα στην θερµοκρασία δωµατίου σε αντίθεση µε το<br />
συµπαγές όπου παρατηρούνται κάτω από την θερµοκρασία T c . Οι κορυφές στα 420 cm -1 και 468 cm -1 έχουν B 2g συµµετρία,<br />
ενώ η κορυφή στα 445 cm -1 έχει Α g . Για τα λεπτά υµένια LCMO/STO (100) κάτω από την θερµοκρασία Τ C µειώνεται<br />
σταδιακά η ένταση της κορυφής στα 420 cm -1 , σε αντίθεση µε την ένταση της κορυφής στα 400 cm −1 , η οποία έχει και την<br />
ίδια B 2g συµµετρία. Από την συµπεριφορά τους, συσχετίζουµε τις ταλαντώσεις στα 400 cm -1 και στα 420 cm -1 µε τις AFM<br />
και FM φάσεις, αντίστοιχα. Οι δύο κορυφές έχουν ανάλογη ένταση στο θερµοκρασιακό εύρος 210-150 K (FM to AFM/CO).<br />
Η παραπάνω υπόθεση είναι σύµφωνη µε το σενάριο συνύπαρξης των δύο µαγνητικών Pnma φάσεων. Όµως, µε περαιτέρω<br />
ελάττωση της θερµοκρασίας η κορυφή στα 400 cm -1 κυριαρχεί επί της κορυφής στα ~420 cm -1 , η οποία κάτω από τους 100<br />
Κ είναι πολύ ασθενής ή δεν υπάρχει. Η προηγούµενη παρατήρηση έρχεται σε συµφωνία µε τα αποτελέσµατα της µαγνήτισης<br />
όπου παρατηρήθηκε µια πάρα πολύ ασθενής FM φάση έως και τους 5 K, σε αντίθεση µε το συµπαγές όπου οι δύο φάσεις<br />
συνυπάρχουν µέχρι τους 5 K [6]. Εποµένως, αποδίδουµε την κυριαρχία της AFM φάσης επί της FM στις τάσεις που<br />
προκαλεί το υπόστρωµα STO (100) στο υλικό µας, προκαλώντας ένα φαινόµενο διαχωρισµού φάσεων.<br />
Για τα υµένια LCMO/STO (100) και LCMO/SLGO (001) (Σχήµα 1(α) και (γ) αντίστοιχα) οι εντάσεις των<br />
ταλαντώσεων JT στα 490 cm −1 (B 2g SS) και 605 cm −1 (A g AS) αυξάνονται µε την ελάττωση της θερµοκρασίας, υπονοώντας<br />
την αύξηση της διαταραχής JT κι εποµένως την ύπαρξη µιας πιο διαταραγµένης Pnma δοµής [11,12]. Στην περίπτωση των<br />
LCMO/STO (100) παρατηρήθηκε ίδια συµπεριφορά µε το συµπαγές, ενώ για τα υµένια LCMO/SLGO (001) η διαταραχή JT<br />
φαίνεται να έχει ελαττωθεί, όπως προκύπτει από την έντασή της. Ακόµα η θερµοκρασία µετάβασης στην περίπτωση των<br />
LCMO/SLGO (001) φαίνεται να έχει ελαττωθεί (σύγκριση φασµάτων LCMO/STO (100) 200 Κ µε LCMO/SLGO (001) 100<br />
Κ). Στα λεπτά υµένια LCMO/STO (111) η διαταραχή JT είναι πολύ ασθενής µέχρι και τους 80 K. Στα φάσµατα των<br />
διασταυρωµένων πολώσεων παρατηρείται ένα µεταλλικού τύπου φάσµα [11]. Αυτό συµφωνεί µε τις µετρήσεις<br />
αγωγιµότητας, όπου επιβεβαιώθηκε η µεταλλική συµπεριφορά των υµενίων. Συνδυάζοντας τα αποτελέσµατα της<br />
φασµατοσκοπίας Raman µε τις µετρήσεις αγωγιµότητας συµπεραίνουµε ότι οι δοµικές αλλαγές λόγω των τάσεων προκαλούν<br />
την αύξηση του µηχανισµoύ διπλής ανταλλαγής (DE) και την µείωση της διαταραχής JT.<br />
Phonon energy (cm -1 )<br />
Συµπεράσµατα<br />
Μελετήθηκαν µε φασµατοσκοπία Raman η επίδραση των τάσεων και οι δοµικές διαφοροποιήσεις σε λεπτά υµένια<br />
La 0.5 Ca 0.5 MnO 3 . Αυτές επηρεάζουν τις µακροσκοπικές ιδιότητες των υµενίων, ενώ η ανάλυση της επιρροής της<br />
θερµοκρασίας στα φωνόνια βοήθησε στην κατανόηση των µικροσκοπικών ιδιοτήτων των λεπτών υµενίων µαγγανιτών.<br />
Αναφορές<br />
[1] S. Jin, H. Tiefel, M. McCormack, R. Ramesh, L.H. Chen, Science 264 (1994) 413.<br />
[2] A .P. Ramirez, J. Phys., Condens. Matter 9 (1997) 8171.<br />
[3] A.J. Millis, P.B. Littlewood, B.I. Shraiman, Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 5144.<br />
[4] J. M. D. Corey, M. Viret, and S. von Molnar, Adv. Phys. 48 (1999) 167.<br />
[5] M. N. Iliev and M. V. Abrashev, J. Raman Spectrosc. 32 (2001) 805.<br />
[6] G. H Aydogdu, Y. Kuru, H.-U. Habermeier, to be published, E-MRS symposia, Strasbourg, 2007.<br />
[7] M. V. Abrashev, J. Bäckström, L. Börjesson, M. Pissas, N. Kolev,and M. N. Iliev, Phys. Rev. B 64 (2001) 144429.<br />
[8] P. G. Radaelli, D. E. Cox, M. Marezio, and S. W. Cheong, Phys. Rev. B 55 (1997) 3015.<br />
[9] Q. Huang, J.W. Lynn, R.W. Erwin, A. Santoro, D.C. Dender, V.N. Smolyaninova, K. Ghosh, R.L. Greene. Phys. Rev. B<br />
61 (2000) 8895. [9] W. Prellier, Ph. Lecoeur, and B. Mercey, J. Phys.: Condens. Matter13 (2001) R915.<br />
[10] Y. M. Xiong, T. Chen, G. Y. Wang, X. H. Chen,X. Chen, and C. L. Chen, Phys. Rev. B 70 (2004) 094407.<br />
[11] L. Martín-Carrón, A. de Andrés, M. J. Martínez-Lope, M. T. Casais, and J. A. Alonso, Phys. Rev. B 66 (2002) 174303.<br />
[12] E. Liarokapis, Th. Leventouri, D. Lampakis, D. Palles, J. J. Neumeier,and D. H. Goodwin, Phys. Rev. B 60 (1999)<br />
12758.<br />
Η παρούσα εργασία χρηµατοδοτήθηκε στα πλαίσια του E.C. STREP No 517039 project “CoMePhS”, έργο 63/1512.<br />
134
A low-T study of the 3d random-field Ising model: The critical disorder strength<br />
N.G. Fytas 1* and A. Malakis 1<br />
1 University of Athens, Physics Department, Section of Solid State Physics, Panepistimiopolis, GR 157 84 Athens<br />
*nfytas@phys.uoa.gr<br />
The random-field Ising model (RFIM) [1] has been extensively studied [2] both because of its interest as a ‘simple’ frustrated<br />
system and because of its relevance to experiments, especially those on the diluted antiferromagnet in a uniform field [2].<br />
The Hamiltonian describing the model is<br />
1.0<br />
H =−J∑ SiSj −∑ hS<br />
i i<br />
, where S i<br />
are Ising<br />
< i,<br />
j><br />
i<br />
h RF<br />
=2.1 (from h RF<br />
=2.25)<br />
L=8<br />
h<br />
spins, J > 0 is the nearest-neighbors<br />
RF<br />
=2.1 (WL)<br />
0.8 h RF<br />
=2.2(from h RF<br />
=2.25)<br />
ferromagnetic interaction, and h<br />
i<br />
are<br />
h RF<br />
=2.2 (WL)<br />
independent quenched random-fields obtained<br />
h from a bimodal distribution of the form:<br />
0.6<br />
RF<br />
=2.25 (WL)<br />
h RF<br />
=2.3 (from h RF<br />
=2.25)<br />
1<br />
Ph (<br />
i) = [ δ( hi − hRF) + δ( hi + hRF)<br />
]. h<br />
RF<br />
is the<br />
h RF<br />
=2.3 (WL)<br />
2<br />
0.4<br />
0.2<br />
h RF<br />
=2.4 (from h RF<br />
=2.25)<br />
h RF<br />
=2.4 (WL)<br />
disorder strength, also called randomness of the<br />
system. Although the critical behavior of the<br />
model is not fully clarified, it has been proved<br />
that an ordered phase exists for sufficiently low<br />
temperature and disorder strength, and<br />
dimension d > 2 [1]. At low values of the<br />
C<br />
disorder strength and temperature, the system is<br />
in a ferromagnetic phase, and at high<br />
temperatures or disorder strength, the system is<br />
paramagnetic. The phase boundary of the model<br />
is bounded at zero temperature from the critical<br />
value of the disorder strength, denoted as h c RF<br />
,<br />
above which no phase transition occurs. This<br />
critical strength value for the Gaussian RFIM is<br />
known to be of the order of 2.30(5) (see Refs. [3,4] and references therein), while for the bimodal RFIM our recent high-T<br />
study, using strength values h<br />
RF<br />
= 0.5,1,1.5 ,<br />
c<br />
3<br />
and 2 , yielded h<br />
RF<br />
= 2.42(18) [5].<br />
Here, we follow a low-T route, using data in<br />
the neighborhood of the critical strength value.<br />
We simulate the system at a randomness value<br />
close to the expected critical, i.e. h<br />
RF<br />
= 2.25 .<br />
2<br />
L=4: h * =2.88(1)<br />
Following our previous practice [6], we restrict<br />
RF<br />
L=8: h * =2.65(2)<br />
the simulation in the dominant energy<br />
RF<br />
subspace. Since we are interested in an accurate<br />
L=12: h * =2.56(3)<br />
RF extrapolation also for values h<br />
RF<br />
> 2.25 , we<br />
L=16: h *<br />
1<br />
=2.51(4)<br />
RF use only a restriction for the right-end of the<br />
L=20: h * =2.48(6)<br />
RF<br />
dominant energy subspace, including all the<br />
low-energy spectrum down to the ground state.<br />
We implement the Wang-Landau (WL)<br />
algorithm [7] in order to obtain the density of<br />
states (DOS) GE ( ) and also accumulate at the<br />
0<br />
0 1 2 3 4 5 high levels of the WL process ( j<br />
WL<br />
= 16 − 20)<br />
T<br />
the double exchange-field energy histogram<br />
h RF<br />
0.0<br />
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5<br />
T<br />
Fig. 1: Specific heat of a lattice size L=8 for several values of the<br />
disorder strength obtained by direct simulation and by extrapolation.<br />
Fig. 2: Finite-size phase diagrams for sizes L = 4 − 20 . Proper<br />
elliptical fits give the values h * RF<br />
shown. The dashed and solid lines<br />
refer to the cases L = 8 and L = 16 , respectively, and serve as guides<br />
for the eye.<br />
h<br />
RF<br />
around the simulated one.<br />
H( EJ, E<br />
h RF<br />
). In this way, we estimate a twoparametric<br />
DOS:<br />
GE (<br />
J, Eh ) = GE ( ) ⎡ ( , )<br />
RF ⎣<br />
HEJ Eh<br />
RF<br />
HE ( ) ⎤<br />
⎦<br />
and<br />
then extrapolate via the relation<br />
G ( E) = ∑ G ( E , E ) to values of<br />
hRF<br />
J hRF<br />
EJ<br />
+ Eh RF<br />
= E<br />
135
Our scheme is illustrated in Fig. 1, where we plot the specific heat of a specific random-field realization for a lattice size<br />
L = 8 . The main simulation was performed at h<br />
RF<br />
= 2.25 and several extrapolations, from h<br />
RF<br />
= 2.1 to h<br />
RF<br />
= 2.4 , are<br />
shown together with results obtained independently via direct Wang-Landau simulation. It is clear that for values of h RF<br />
very close to 2.25 , i.e. h<br />
RF<br />
= 2.2 and h<br />
RF<br />
= 2.3 , the results practically coincide, while for the values h<br />
RF<br />
= 2.1 and<br />
h<br />
RF<br />
= 2.4 , there is only a small deviation mainly around the peak. However in that case too, the location of the pseudocritical<br />
temperature, i.e. the temperature where the specific heat attains its maximum, is accurately determined.<br />
In Fig. 2 we present finite-size phase diagrams for systems of L × L× L spins with L ∈ {4,8,12,16,20} using the results<br />
from an ensemble of 20 disorder realizations simulated at each lattice size. The simulation was performed at h<br />
RF<br />
= 2.25 and<br />
extrapolated to h<br />
RF<br />
= 2.1,2.15,2.2,2.3,2.35, and<br />
3.0<br />
2.4 , using the above described scheme. For each<br />
3.0<br />
L=4-20<br />
value of the disorder strength we have estimated<br />
2.9<br />
the temperature where the average specific heat<br />
2.8<br />
M<br />
1<br />
curve [ C] av<br />
= ∑ C( T)<br />
, where M = 20 counts<br />
2.6<br />
2.8<br />
M i = 1<br />
2.4<br />
the number of realizations, attains its maximum.<br />
2.29(2)<br />
For a given size L , we applied an elliptical fit of<br />
2.7<br />
2.2<br />
x<br />
*<br />
⎛ T ⎞<br />
2.0<br />
the form hRF<br />
( T) = hRF<br />
1−⎜ * ⎟ ,<br />
2.6<br />
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4<br />
⎝T<br />
( hRF<br />
= 0) ⎠<br />
L -1/ν<br />
where T * ( h<br />
RF<br />
= 0) is the pseudocritical<br />
2.5<br />
temperature of the corresponding zero-field 3d<br />
Ising model taken from Ref. [6], for the chosen<br />
2.4<br />
L . Thus, we obtained the values for the<br />
4 8 12 16 20 pseudocritical disorder strengths h<br />
* RF<br />
( L ) , as<br />
L<br />
shown in Fig. 2. (Note that the exponent x in the<br />
elliptical form of the phase boundary approaches<br />
Fig. 3: A plot of the pseudocritical disorder strength h<br />
* the value 2 with increasing lattice size, indicating<br />
RF<br />
( L ) versus<br />
L for the range L = 4 − 20 . The inset shows the same data as a<br />
that the sequel of finite-size phase diagrams<br />
1/<br />
approaches a normal ellipse in the limit L →∞).<br />
function of L<br />
− ν<br />
c<br />
. The arrow marks the value for h<br />
RF<br />
.<br />
In Fig. 3 we plot the data for h<br />
* RF<br />
( L ) as a<br />
function of the lattice size. The shift of these pseudocritical disorder strengths is used to estimate the infinite-size critical<br />
c<br />
strength of the random-field, h<br />
RF<br />
and also the correlation length’s exponentν . The solid line shows a very good fit to the<br />
* c 1/<br />
function hRF<br />
( L)<br />
= hRF<br />
+ bL − ν<br />
c<br />
2 2 −7<br />
giving h<br />
RF<br />
= 2.29(2) and ν = 1.40(4) , with a very small value of χ ( χ = 1.4× 10 ) . The<br />
1/<br />
inset shows the same data (but without error bars) as a function of L<br />
− ν , marking with an arrow the value of the critical<br />
randomness. Note that, some recent numerical studies for the Gaussian RFIM using graph theoretical algorithms at zero<br />
c<br />
c<br />
temperature gave the values h<br />
RF<br />
= 2.28(1) and ν = 1.32(7) [3] and h<br />
RF<br />
= 2.270(4) and ν = 1.37(9) [4].<br />
In conclusion, we have studied, via a new simulation approach and a reliable extrapolation scheme, the low-T part of the<br />
c<br />
phase diagram of the bimodal 3d RFIM. We have estimated the critical value of the disorder strength h<br />
RF<br />
= 2.29(2) and the<br />
correlation length’s exponent ν = 1.40(4) . Further research in this area is in progress, mainly focusing on the existence, or<br />
not, of a tricritical point in the phase diagram of the model, as predicted by mean-field theoretical calculations [8].<br />
h * RF (L)<br />
h * RF (L)<br />
[1] Y. Imry, S.-K. Ma, Phys. Rev. Lett. 35 (1975) 1399.<br />
[2] See, e.g. the articles by D.P. Belanger and T. Nattermann in Spin Glasses and Random Fields, edited by A.P. Young,<br />
World Scientific, Singapore, 1998.<br />
[3] A.K. Hartmann, A.P.Young, Phys. Rev. B 64 (2001) 214419.<br />
[4] A.A. Middleton, D.S. Fisher, Phys. Rev. B 65 (2002) 134411.<br />
[5] A. Malakis, N.G. Fytas, Eur. Phys. J. B 51 (2006) 257.<br />
[6] A. Malakis, A. Peratzakis, N.G. Fytas, Phys. Rev. E. 70 (2004) 066128.<br />
[7] F. Wang, D. P. Landau, Phys. Rev. Lett. 86 2050 (2001).<br />
[8] A. Aharony, Phys. Rev. B 18 (1978) 3328.<br />
N.G. Fytas acknowledges financial support by the Alexander S. Onassis Public Benefit Foundation.<br />
136
Μελέτη Raman του Κρυστάλλου ErPO 4 υπό Μεταβλητή Υδροστατική Πίεση<br />
Α.Γ. Κόντος*, Ε. Σταύρου. Ε. Σαλπέα, Ι. Ράπτης, and Κ. Ράπτης<br />
Τμ. Φυσικής, Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών κ’ Φυσικών Επιστημών, ΕΜΠ, Ηρ. Πολυτεχνείου 9, Ζωγράφου 15780<br />
*akontos@central.ntua.gr<br />
Τα ορθοφωσφορικά των σπάνιων γαιών παρουσιάζουν ιδιαίτερη χημική σταθερότητα και αντοχή στη διάβρωση γεγονός που<br />
καθιστά πολύ ενδιαφέρουσα τη μελέτη τους για χρήση σε πολλές εφαρμογές. Μεταξύ αυτών είναι η χρήση τους ως<br />
αποθηκευτικά μέσα για ραδιενεργά απόβλητα [1].<br />
Το ErPO 4 κρυσταλλώνεται στην τετραγωνική δομή του ζιρκονίου με λόγο c/a ίσο με 0.883 και ανήκει στην ομάδα<br />
συμμετρίας χώρου D 19 4h. Σύμφωνα με την δομή του ζιρκονίου υπάρχουν δυο δομικές μονάδες στη θεμελιώδη κυψελίδα, οι<br />
οποίες δημιουργούν εναλλασσόμενα πολύεδρα ErO 8 και τετράεδρα PO 4 . Τα ιόντα Er + και τα τετράεδρα (PO 4 ) -<br />
καταλαμβάνουν θέσεις συμμετρίας D 2d ενώ τα άτομα Οξυγόνου καταλαμβάνουν θέσεις συμμετρίας C s . Τα δυο μόρια του<br />
ErPO 4 στη θεμελιώδη κυψελίδα οδηγούν σε 3x2x6=36 κανονικούς τρόπους ταλάντωσης. Σύμφωνα με τη θεωρία ομάδων<br />
αναμένονται οι ακόλουθοι τρόποι ταλάντωσης [2,3].<br />
Γ 36 =(2A 1g +2B 1u ) +( B 1g +A 1u )+( A 2g + B 2u )+(4 B 2g +4A 2u )+( 5E g +5E u )<br />
Εξ αυτών μόνο 12 τρόποι είναι ενεργοί κατά Raman και χωρίζονται σε εξωτερικούς και εσωτερικούς. Οι εξωτερικοί τρόποι<br />
ταλάντωσης (external modes), σχετίζονται με τις καθαρές ταλαντώσεις πλέγματος, όπου οι μοριακές μονάδες θεωρούνται ως<br />
συμπαγείς και μετατοπίζονται σε σχέση με το υπόλοιπο πλέγμα. Κατ΄ αυτόν τον τρόπο, οι συμπαγείς μονάδες εκτελούν όχι<br />
μόνο κανονικές ταλαντώσεις που αντιστοιχούν σε μετατοπίσεις , αλλά και περιστροφές λόγω του όγκου τους. Οι εσωτερικοί<br />
τρόποι ταλάντωσης (internal modes), στη συγκεκριμένη περίπτωση οι εσωτερικές ταλαντώσεις του τετραέδρου PO 4 ,<br />
αντιστοιχούν στις ταλαντώσεις των ατόμων εντός των μοριακών μονάδων και συνήθως παρουσιάζουν μεγαλύτερες<br />
συχνότητες απ΄ ότι οι εξωτερικοί τρόποι, εξαιτίας των ισχυρών ομοιοπολικών δεσμών. Σύμφωνα με την τυπική συμπεριφορά<br />
των μοριακών υλικών, η παράμετρος Grüneisen των εξωτερικών τρόπων ταλάντωσης είναι πολύ μεγαλύτερη από ότι των<br />
εσωτερικών [4]. Η παράμετρος Grüneisen μπορεί να υπολογιστεί από τις ανηγμένες κλίσεις ω-P των συχνοτήτων και το<br />
⎛ B ⎞⎛<br />
dω<br />
⎞<br />
μέτρο ελαστικότητας όγκου Β, προσεγγιστικά ίσο με 1650 kbar [5], σύμφωνα με τη σχέση γ = ⎜ ⎟⎜<br />
⎟<br />
T<br />
o dP<br />
[5].<br />
⎝ ω ⎠⎝<br />
⎠T<br />
Φάσματα Raman ελήφθησαν από μικρούς κρυστάλλους του υλικού χρησιμοποιώντας μια κυψελίδα άκμονος διαμαντιού<br />
τύπου Syassen-Holzapfel. Η βαθμονόμηση της πίεσης έγινε με το φάσμα φωταύγειας του ρουμπινιού με μέσο διάδοσης της<br />
πίεσης μείγμα μεθανόλης:αιθανόλης 4:1. Για τη διέγερση του υλικού χρησιμοποιήθηκε laser Kr + με λ=476.2 nm.<br />
Λεπτομερή φάσματα σε διαφορετικές πιέσεις παρουσιάζονται στο Σχ. 1.<br />
1150<br />
1100<br />
1050<br />
Ένταση (a.u.)<br />
78 kbar<br />
60 kbar<br />
37kbar<br />
20kbar<br />
1 bar<br />
100 200 300 400 500 600 1000 1100<br />
Συχνότητα (cm -1 )<br />
Συχνότητα(cm -1 )<br />
1000<br />
950<br />
600<br />
550<br />
500<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
Σχ. 1. Φάσματα Raman του κρυστάλλου ErPO 4 μέχρι και 78<br />
kbar, σε θερμοκρασία δωματίου.<br />
150<br />
100<br />
0 20 40 60 80<br />
Πίεση(kbar)<br />
Σχ. 2 Διάγραμμα εξάρτησης της συχνότητας των<br />
φωνονίων του ErPO 4 από την πίεση.<br />
Η εξάρτηση της συχνότητας από την πίεση παρουσιάζεται στο Σχ. 2 και είναι γραμμική για όλα τα φωνόνια (βλ. Πιν. 1.). Η<br />
πιο ενδιαφέρουσα παρατήρηση είναι η εμφάνιση της διασταύρωσης δυο διαγραμμάτων φωνονίων περίπου στα 60 kbar, της<br />
κορυφής στα 296 cm -1 με θετική κλίση ω-P και αυτής στα 329.7 cm -1 , με αρνητική κλίση. Παρόμοια συμπεριφορά έχει δείξει<br />
πρόσφατη μελέτη υλικών της ίδιας οικογένειας με το ErPO 4 που έχουν την ίδια τετραγωνική δομή, το DyPO 4 [5] το ΤbPO 4<br />
137
[6] . Η μελέτη του υλικού σε υψηλότερες πιέσεις θα μπορέσει να δείξει αν αυτή η διασταύρωση σηματοδοτεί μια πιθανή<br />
επερχόμενη μεταβολή φάσης, όπως στη περίπτωση του ΤbPO 4 [6].<br />
ω ο (cm -1 ) dω/dP (cm -1 /kbar) γ Τ Begun et al [2] Becker et al [3]<br />
117.5±0.5 -0.07±0.01 -1.122±13% - -<br />
132 ~0 0 132 132(E g )<br />
140.3 ~0 0 - 140(Β 1g )<br />
147 ~0 0 - -<br />
189.6±0.1 0.001 0.008 ±200% 185(B 1g ) 185(E g )<br />
298±0.8 0.49 2.706 ± 4% 300(E g ) 299(E g )<br />
328.8±0.2 -0.049 -0.231 ± 8% 330(B 2g ) 330(B 2g )<br />
484.3±0.2 0.125 0.426 ± 5% 477(A 1g ) 486(A 1g )<br />
577.3±0.3 0.129 0.368 ± 7% 580(E g ) 578(E g )<br />
659 - - 659(B 1g ) 658(BB1g)<br />
1002.8±0.8 0.53 0.868±3% 1004(A 1g ) 1004(BB1g)<br />
1023.3±0.7 0.50 0.809±3% 1024(E g ) 1023(E g )<br />
1059.7±0.8 0.54 0.838±3% 1061(B 1g ) 1060(A 1g )<br />
Πίνακας 1: Συχνότητες φωνονίων του ErPO 4 σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, γραμμικές κλίσεις<br />
μεταβολής της συχνότητας με την πίεση και υπολογισμένες παράμετροι Grüneisen. Για τις συχνότητες των φωνονίων και τον<br />
χαρακτήρα τους, παρατίθενται αποτελέσματα από τη βιβλιογραφία για σύγκριση. Εσωτερικοί και εξωτερικοί τρόποι<br />
ταλάντωσης διαχωρίζονται με έντονη γραμμή.<br />
Από το διάγραμμα της συσχέτισης του παράγοντα Grüneisen με τη συχνότητα στο Σχ. 3, φαίνεται ότι εξωτερικοί και<br />
εσωτερικοί τρόποι ταλάντωσης ομαδοποιούνται, παρότι οι εξωτερικοί τρόποι δεν παρουσιάζουν την αναμενόμενη<br />
συμπεριφορά των μοριακών κρυστάλλων [4]. Παρόμοια συμπεριφορά εμφανίζουν το DyPO 4 [5] και το TbPO4 [6] που,<br />
όπως αναφέρθηκε πιο πάνω, παρουσίασαν και την ίδια διασταύρωση φωνονίων περίπου στα 60 kbar.<br />
3.0<br />
2.5<br />
2.0<br />
1.5<br />
1.0<br />
γ T<br />
0.5<br />
0.0<br />
-0.5<br />
-1.0<br />
-1.5<br />
100 1000<br />
Συχνότητα(cm -1 )<br />
Εικόνα 6.17: liner-log διάγραμμα της παραμέτρου Grüneisen των φωνονίων του ErPO 4 συναρτήσει της συχνότητάς τους.<br />
[1] C-K Loong, L.Soderhol,, J.P.Hammonds, M.M.Abraham, L.A.Boatner and N.M.Edelstein, J.Phys.: Condens. Matter, 5<br />
(1993) 5121.<br />
[2] G. M. Begun, G. W. Beall, L. A. Boatner and W. J. Gregor, J. Raman Spectroscopy, 11 (1981) 273.<br />
[3] P.C. Becker, N.Edelstein, G.M.Willians, J.J.Bucher, R.E.Russo, J.A.Konimgstein, L.A.Boatner and M.M.Abraham,<br />
Phys. Rev. B, 31 (1984) 8102.<br />
[4] B.A.Weinstein and R.Zallen, in Light Scattering in Solids IV edited by M.Cardona and G.Guntherodt, Topics in<br />
Applied Physics, Vol 54 (Springer, Heidelberg, 1984) p.463<br />
[5] A.G.Kontos, E.Stavrou, V.Malamos, Y.Raptis and C.Raptis, Phys. Stat. sol. (b), 244 (2007) 386.<br />
[6] A. Tatsi, E.Stavrou, A.G.Kontos, Y.Raptis and C.Raptis, (submitted to Phys. Rev. B).<br />
138
Παραβίαση της Συµµετρίας Αντιστροφής στις Υπεραγώγιµες Συγκεντρώσεις του<br />
La 2-x Sr x CuO 4<br />
Ε. Σιρανίδη 1* , ∆. Λαµπάκης 1 , Ε. Λιαροκάπης 1 , X. Παναγόπουλος 2 και Κ. Conder 3<br />
1<br />
Τµήµα Φυσικής, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα 157 80, Ελλάδα<br />
Εργαστήριο Cavendish, Πανεπιστήµιο Cambridge, Λεωφόρος J. J. Thomson, Cambridge CB3 0HE, Ηνωµένο Βασίλειο<br />
3 Ινστιτούτο Paul Scherrer (PSI) WLGA, Villigen PSI 5232, Ελβετία<br />
* esiran@central.ntua.gr<br />
Ένα από τα µεγαλύτερα ερωτήµατα που αφορούν τις υπεραγώγιµες ενώσεις της οικογένειας του Cu (cuprates) σχετίζεται µε<br />
το πλούσιο διάγραµµα φάσης τους και τον ρόλο, αν υπάρχει, του πλέγµατος στο µηχανισµό της υπεραγωγιµότητας. Η<br />
φασµατοσκοπία Raman µπορεί να παρέχει πληροφορίες για µικρές δοµικές παραµορφώσεις και εποµένως να ανιχνεύσει µια<br />
πιθανή συσχέτιση του πλέγµατος µε τη διάταξη του φορτίου και του spin. Η ένωση La 2-x Sr x CuO 4 είναι ένα χαρακτηριστικό<br />
παράδειγµα περοβσκίτη και παρουσιάζει µια πληθώρα φάσεων µε τη µεταβολή του εµπλουτισµού x και της θερµοκρασίας<br />
[1]. Μετρήσεις Raman έδειξαν την ύπαρξη ενός µαλακού τρόπου ταλάντωσης συµµετρίας Α g στα ~100 cm -1 , που σχετίζεται<br />
µε τις παρεκκλίνουσες ταλαντώσεις των οκταέδρων CuO 6 κατά τη διαγώνιο (110) και ενεργοποιείται κατά την µετάβαση<br />
από την Υψηλής Θερµοκρασίας Τετραγωνική (HTT) στη Χαµηλής Θερµοκρασίας Ορθοροµβική (LTO) φάση [2-4]. ∆ύο<br />
ακόµα υσχυρά φωνόνια του υλικού αυτού σχετίζονται µε τις ταλαντώσεις των ατοµων του La/Sr και του κορυφαίου<br />
οξυγόνου (Ο apex ) κατά µήκος του c άξονα. Επιπλέον, ορισµένα απαγορευµένα από τη συµµετρία IR φωνόνια µε ενέργεια<br />
~150, 280 και 370 cm -1 εµφανίζονται στα xx πόλωσης φάσµατα Raman [5]. Σε αυτή την εργασία ερευνάται το φαινόµενο<br />
της ισοτοπικής αντικατάστασης του οξυγόνου καθώς και η συµµετρία των νέων κορυφών µε σκοπό να ταυτοποιηθούν τα<br />
φωνόνια αυτά και να διερευνηθεί τυχόν συσχέτισή τους µε την υπεραγωγιµότητα.<br />
Τα υψηλής ποιότητας πολυκρυσταλλικά δείγµατα La 2-x Sr x Cu 16,18 O 4 (85% αντικατάσταση 16 O από 18 O) µε x=0.125 και<br />
0.15 που χρησιµοποιήθηκαν σε αυτήν την εργασία παρασκευάστηκαν µε την τεχνική της αντίδρασης στερεάς κατάστασης<br />
και µελετήθηκαν µε την µέθοδο της φασµατοσκοπίας Raman. Τα φάσµατα ελήφθησαν στην θερµοκρασιακή περιοχή 7.5-<br />
290K µε ένα τριπλό φασµατόµετρο T64000 της Jobin-Yvon µε CCD ψύξης υγρού αζώτου και µε µικροσκόπιο (µεγέθυνση<br />
x100). Για διέγερση χρησιµοποιήθηκε η γραµµή 514.5 nm ενός λέιζερ Ar+. Οι µετρήσεις σε χαµηλές θερµοκρασίες έγιναν<br />
µε την χρησιµοποίηση ενός κρυοστάτη Oxford, κατάλληλα τροποποιηµένου για την λήψη φασµάτων Raman σε<br />
µεµονωµένους µικροκρυσταλλιτες (της τάξης των µερικών µm) µε προσεγγιστικές γεωµετρίες σκέδασης y(zz) y και y(xx) y<br />
(ή x(yy) y ). Χρησιµοποιήθηκε πολύ χαµηλή πυκνότητα ισχύος της δέσµης του λέιζερ πάνω στο δείγµα, προκειµένου να<br />
αποφευχθεί η τοπική θέρµανση της ένωσης, όπως προκύπτει από την ενεργειακή µετατόπιση του πολύ ευαίσθητου στη<br />
θερµοκρασία µαλακού τρόπου ταλάντωσης. Για το λόγο αυτο οι χρόνοι λήψεως των φασµάτων ήταν της τάξης 3-14 ωρών.<br />
Χαρακτηριστικά φάσµατα Raman της ένωσης La 1.85 Sr 0.15 Cu 16 O 4 για<br />
επιλεγµένες θερµοκρασίες και για xx γεωµετρία σκέδασης παρουσίαζονται στο<br />
Σχ. 1. Εκτός από τα φωνόνια συµµετρίας Α g στα ~229 cm -1 των ατόµων La/Sr<br />
και στα ~429 cm -1 των ατόµων του κορυφαίου οξυγόνου, τρεις νέες κορυφές στα<br />
~150, 280 και 370 cm -1 εµφανίζονται στις υπεραγώγιµες συγκεντρώσεις<br />
0.03
τα πειραµατικά µας αποτελέσµατα (Σχ. 2β). Η κορυφή στα ~370 cm -1 είναι η πιο λεπτή από τις τρεις εφόσον αποτελείται από<br />
ένα µόνο IR φωνόνιο, το οποίο σχετίζεται µε ταλαντώσεις των ατόµων του οξυγόνου και εποµένως µετατοπίζεται<br />
ενεργειακά µε την ισοτοπική αντικατάσταση. Η φαρδυά κορυφή στα ~280 cm -1 αποτελείται από τρία IR φωνόνια, δύο από<br />
τα οποία σχετίζονται µε ταλαντώσεις των ατόµων του οξυγόνου και ένα µε ταλαντώσεις των ατόµων Cu. Για το λόγο αυτό, η<br />
ενεργειακή του µετατόπιση αναµένεται να είναι τα ~2/3 της ολικής, όπως προκύπτει και πειραµατικά. Επιπλέον, το εύρος<br />
αυτής της κορυφής µειώνεται µε την ισοτοπική αντικατάσταση, γεγονός που υποδηλώνει ότι αποτελείται από αρκετά άτοµα,<br />
µερικά από τα οποία επηρρεάζονται από την αντικατάσταση του 16 Ο από το 18 Ο και άλλα όχι.<br />
Σχ. 2. Φάσµατα Raman της ένωσης<br />
La 1.85 Sr 0.15 Cu 16 O 4 σε παράλληλες και<br />
διασταυρωµένες πολώσεις (α) και της ένωσης<br />
La 1.875 Sr 0.125 CuO 4 σε παράλληλες πολώσεις και<br />
για τα δύο ισότοπα (β).<br />
Σε µία παλαιότερη εργασία, τα δύο από τα τρία φωνόνια (η 150 και η 370<br />
cm -1 ) θεωρήκε ότι σχετίζονται µε ΤΟ ενεργα κατά IR φωνόνια συµµετρίας B 1u και<br />
B 2u , µε ιδιοδιανύσµατα κατά µήκος των επιπέδων CuO 2 , ενώ δεν υπάρχει σαφής<br />
ταυτοποίηση της ~280 cm -1 κορυφής [7]. Παρόλο που οι νέες κορυφές οφείλονται<br />
σε IR φωνόνια, τα δεδοµένα µας υποδηλώνουν ότι αυτή η ταυτοποίηση είναι<br />
λανθασµένη και ότι σχετίζονται µε ταλαντώσεις φωνονίων κυρίως κάθετα στα<br />
επίπεδα CuO 2 (άξονας c). Επιπλέον, η ενεργειακή µετατόπιση της κορυφής στα<br />
~370 cm -1 λόγω της ισοτοπικής αντικατάστασης του οξυγόνου και η καλή<br />
συµφωνία µε το νόµο του απλού αρµονικού ταλαντωτή, υποδηλώνει ότι αυτή η<br />
κορυφή πρέπει να οφείλεται κυρίως στα άτοµα του οξυγόνου, σε διαφωνία µε την<br />
προηγούµενη ταυτοποίηση της συγκεκριµένες κορυφής µε άτοµα τόσο του<br />
οξυγόνου όσο και του Cu [7].<br />
Η παραβίαση της συµµετρίας αντιστροφής, που είναι απαραίτητη προκειµένου<br />
να ανιχνευθούν τα ενεργά κατά IR φωνόνια στα φάσµατα Raman, µπορεί να<br />
οφείλεται στην αντικατάσταση του La από Sr. Σε αυτή την περίπτωση, η ένταση<br />
των τριών νέων κορυφών θα έπρεπε να αυξάνεται συνέχεια µε την αύξηση του<br />
εµπλουτισµού x. Κάτι τέτοιο όµως δε συµβαίνει, εφόσον η ένταση των<br />
συγκεκριµένων κορυφών µειώνεται στις υπερεµπλουτισµένες συγκεντρώσεις. Ένα<br />
άλλο ερώτηµα που προκύπτει, είναι η πιθανή συσχέτιση των τριών κορυφών µε την<br />
ορθοροµβική φάση. Όπως φαίνεται από το Σχ.1, η ένταση της κορυφής στα<br />
~370cm -1 σταδιακά µειώνεται κατά την µετάβαση από την ορθοροµβική στην<br />
τετραγωνική φάση. Ωστόσο, τόσο αυτή όσο και η κορυφή στα ~150 cm -1 φαίνονται<br />
καθαρά ακόµα και στην τετραγωνική φάση (Σχ. 2α).<br />
Στο Σχ.3 παρουσιάζεται η µέγιστη θερµοκρασία στην οποία εµφανίζεται η<br />
κορυφή στα ~280 cm -1 , για όλες τις συγκεντρώσεις που µελετήθηκαν, σε<br />
συνδυασµό µε τη θερµοκρασία µετάβασης αυτών των ενώσεων. Είναι φανερό<br />
ότι η µέγιστη θερµοκρασία εµφάνισής της σχετίζεται άµεσα µε τη θερµοκρασία<br />
µετάβασης. Ακόµη και το πλατώ που παρουσιαζει το Τ c αναπαράγεται σε αυτό<br />
το σχήµα. Προκύπτει εποµένως ότι η παραβίαση της συµµετρίας αντιστροφής<br />
και η εµφάνιση ορισµένων IR φωνονίων στα φάσµατα Raman, στις<br />
υπεραγώγιµες συγκεντρώσεις, σχετίζεται µε τοπικές πλεγµατικές<br />
παραµορφώσεις. Οι παραµορφώσεις αυτές µπορεί να προέρχονται από την<br />
αντικατάσταση του La από Sr, ωστόσο παραµένει άγνωστο γιατί µειώνεται η<br />
σχετική ένταση των κορυφών αυτών στις µεγάλες συγκεντρώσεις Sr. Όποιος και<br />
αν είναι ο λόγος που οδηγεί στη µείωση της συµµετρίας, τα δεδοµένα µας<br />
υποδηλώνουν ότι για συγκεκριµένες συγκεντρώσεις και για χαµηλές<br />
θερµοκρασίες οι τοπικές παραµορφώσεις του πλέγµατος αποκτούν µία µεγάλης<br />
εµβέλειας τάξη. Κανείς θα µπορούσε να θεωρήσει ότι αυτά τα φαινόµενα είναι<br />
δυναµικής φύσεως και στις χαµηλές θερµοκρασίες δηµιουργούν µία τάξη<br />
µεγάλης εµβέλειας, η οποία µπορεί να ανιχνευτεί µε τη φασµατοσκοπία Raman.<br />
Η συσχέτιση αυτής της τάξης µε το Τ c είναι µία ένδειξη ότι αυτό το δυναµικής<br />
φύσεως φαινόµενο σχετίζεται µε την υπεραγωγιµότητα.<br />
Σχ. 3. Η εξάρτηση της µέγιστης θερµοκρασίας<br />
εµφάνισης της κορυφής στα ~280 cm -1 από τη<br />
θερµοκρασία και τον εµπλουτισµό.<br />
Σε αυτή την εργασία µελετήθηκε συστηµατικά η εµφάνιση IR φωνονίων στα φάσµατα Raman. Προτάθηκε µία<br />
ταυτοποίηση των απαγορευµένων από τη συµµετρία φωνονίων, βασιζόµενη στην εξάρτησή τους από τον εµπλουτισµό, τη<br />
θερµοκρασία και την ισοτοπική αντικατάσταση. Και οι τρεις κορυφές συσχετίστηκαν µε IR φωνόνια µε ιδιοδιανύσµατα<br />
παράλληλα στον c άξονα. Η µέγιστη θερµοκρασία εµφάνισης αυτών των κορυφών εξαρτάται από την περιεκτικότητα Sr και<br />
τη θερµοκρασία µε όµοιο τρόπο µε το Τ c . Το γεγονός αυτό µπορεί να οφείλεται στο σχηµατισµό τοπικών παραµορφώσεων<br />
του πλέγµατος που παραβιάζουν τη συµµετρίας αντιστροφής, όπως λωρίδες (stripes) και πολαρόνια.<br />
[1] B. Keimer, N. Belk, R.J. Birgeneau, A. Cassanho, C.Y.Chen, M. Greven, M.A. Kastner, A. Aharony, Y. Endoh, R. W.<br />
Erwin, and G. Shirane, Phys. Rev. B 46, 14034 (1992).<br />
[2] S. Sugai, Phys. Rev. B39, 4306 (1989); S. Sugai et al., Solid State Commun. 76, 371 (1990).<br />
[3] W.H. Weber, C.R. Peters, and E.M. Logothetis, J. Opt. Soc. Am. B6, 455 (1989).<br />
[4] G. Burns, G.V. Chandrashekhar, F.H. Dacol, and M.W. Shafer, Solid State Commun. 68, 67 (1988).<br />
[5] D. Lampakis, E. Liarokapis, and C. Panagopoulos, Phys. Rev. B 73, 174518 (2006).<br />
[6] A.V. Bazhenov, C.B. Rezchikov, and I.S. Smirnova, Physica C 273, 9 (1996).<br />
[7] S. Sugai, Physica C 185-189, 76 (1991).<br />
140
Αλληλεπίδραση Συµπυκνώµατος Bose-Einstein µε Θερµικό Νέφος:<br />
Θεωρητική Περιγραφή, Ιδιότητες & Εφαρµογές<br />
Ν.Π. Προυκάκης 1* , B. Jackson 1 , C.F. Barenghi 1 , and H.T.C. Stoof 2<br />
1 School of Mathematics & Statistics, Newcastle University, Merz Court, Newcastle NE1 7RU, United Kingdom<br />
2 Institute for Theoretical Physics, Utrecht University, Utrecht, The Netherlands<br />
*Nikolaos.Proukakis@ncl.ac.uk<br />
Σε πολύ χαµηλές θερµοκρασίες, της τάξεως των 100 nK, αραιά διαλύµατα µποζονικών ατοµικών αερίων, παγιδευµένα<br />
σε οπτικές ή µαγνητικές παγίδες, εµφανίζουν το φαινόµενο της Συµπύκνωσης Bose-Einstein. Το φαινόµενο αυτό,<br />
γνωστό ήδη από το 1924, προβλέπει ότι συστήµατα αραιών αερίων υπόκεινται µία µεταβολή φάσεως, σε κάποια<br />
συγκεκριµένη αρκετά χαµηλή ‘κρίσιµη’ θερµοκρασία Tc, η οποία οδηγεί σε συλλογική συµπεριφορά. Η συµπύκνωση<br />
Bose-Einstein σχετίζεται µε το φαινόµενο της υπερρευστότητας του υγρού Ηλίου που εµφανίζεται σε θερµοκρασιές<br />
µικρότερες των περίπου 2Κ, ενώ εµφανίζει πολλές αντιστοιχίες µε το φαινόµενο της υπεραγωγιµότητας. Το υγρό<br />
µποζονικό Ήλιο 4 He αποτελεί ένα πολύ ενδιαφέρον κβαντικό σύστηµα, το οποίο παραµένει υγρό µέχρι το απόλυτο<br />
µηδέν (T = 0 K). Στο σύστηµα αυτό, τα άτοµα εµφανίζουν αρκετά ισχυρές αλληλεπιδράσεις, εξαιτίας των οποίων,<br />
µόλις το 10% των ατόµων βρίσκεται στο ‘Συµπύκνωµα Bose-Einstein’ ακόµα και σε θερµοκρασία T = 0, παρά το<br />
γεγονός ότι σε αυτήν τη θερµοκρασία, όλα τα άτοµα του συστήµατος ‘ανήκουν’ στο υπερρευστό. Συνεπώς η<br />
λεπτοµερής µικροσκοπική θεωρητική µελέτη αυτών των συστηµάτων καθιστάται αρκετά δύσκολη, και τα συστήµατα<br />
αυτά περιγράφονται µε φαινοµενολογικές µεθόδους.<br />
Σε αντίθεση µε το υγρό Ήλιο, αραιά (πυκνότητα n < 10^(14) άτοµα / cm^3) παγιδευµένα ατοµικά αέρια (συνήθως<br />
µποζονικά αλκάλια όπως Νάτριο – 23 Na – και Ρουβίδιο – 87 Rb) συµπεριφέρονται, σε πολύ χαµηλές θερµοκρασίες και<br />
για σχετικά µικρό χρονικό διάστηµα, ως ασθενώς-αλληλεπιδρόντα αέρια, επιτρέποντας συνεπώς την ΄καθαρή΄ µελέτη<br />
φαινοµένων κβαντικής στατιστικής, και των ιδιότητων της συµπύκνωσης Bose-Einstein. (Τα συστήµατα αυτά τελικώς<br />
περνούν στην στερεά κατάσταση σε θερµοδυναµική ισορροπία.) Η µελέτη αυτών των συστηµάτων υπέστει ραγδαία<br />
εξέλιξη µετά την πρώτη πειραµατική επίτευξη αυτού του φαινοµένου σε ασθενώς-αλληλεπιδρόντα αέρια το 1995, που<br />
οδήγησε στην απονοµή του βραβείου Nobel Φυσικής το 2001 στους E. Cornell, C. Wieman και W. Ketterle ήδη από το<br />
2001, µόλις 6 χρόνια µετά τα πειράµατα. Ο λόγος για τον οποίο το πεδίο αυτό παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, είναι<br />
επειδή τα παγιδευµένα ατοµικά αέρια είναι ένα απόλυτα ελεγχόµενο σύστηµα, στο οποίο µπορούν να ρυθµιστούν<br />
πλήρως όχι µόνο η γεωµετρία του συστήµατος, αλλά επίσης η διάσταση, η δύναµη των αλληλεπιδράσεων, κλπ.<br />
Πολλά από τα πρώτα πειράµατα που έγιναν στα συστήµατα αυτά ερµηνεύονται (σε πρώτη προσέγγιση) µε µία<br />
απλή ‘κλασσική’ θεωρία µέσου πεδίου. Αυτή προϋποθέτει ότι όλα τα άτοµα του συστήµατος βρίσκονται στο<br />
συµπύκνωµα, οι ιδιότητες του οποίου περιγράφονται από µία κυµατοσυνάρτηση Φ(r,t) που µεταβάλλεται βάσει µίας<br />
Μη Γραµµικής Εξίσωσης Schroedinger, γνωστής ως Εξίσωσης Gross-Pitaevskii [1]:<br />
2<br />
∂Φ r,<br />
t)<br />
⎡ ħ ∇<br />
iħ<br />
= ⎢−<br />
∂t<br />
⎣ 2m<br />
⎤<br />
+ V ( r,<br />
t)<br />
− µ + g Φ(<br />
r,<br />
t)<br />
⎥ Φ(<br />
r,<br />
t)<br />
⎦<br />
2<br />
( 2<br />
Στην εξίσωση αυτή, V(r,t) περιγράφει το εξωτερικό (οπτικό / µαγνητικό) δυναµικό παγίδευσης των ατόµων, µ το<br />
χηµικό δυναµικό του συστήµατος και g τη ‘δύναµη αλληλεπίδρασης’ των ελαστικών κρούσεων ανάµεσα σε δύο άτοµα<br />
του συµπυκνώµατος (οι οποίες θεωρούνται τοπικές αλληλεπιδράσεις, µε το δυναµικό αλληλεπίδρασης να δίδεται από<br />
τη σχέση V(r-r’)=gδ(r-r’).) Παρά την απλουστευµένη µορφή της, η εξίσωση αυτή περιγράφει µε αρκετή ακρίβεια<br />
πολλές από τις ιδιότητες του συστήµατος περίπου µέχρι µια θερµοκρασία Tc/2.<br />
Σε ένα τυπικό πείραµα, του οποίου η θερµοκρασία, T είναι µη µηδενική, και βρίσκεται στην περιοχή 0 < T < Tc,<br />
µόνο ένα µέρος των ατόµων εµφανίζουν συλλογική συµπεριφορά, και άρα ‘βρίσκονται’ στο Συµπύκνωµα Bose-<br />
Einstein, µε τα υπόλοιπα άτοµα να βρίσκονται στο λεγόµενο ‘θερµικό νέφος΄ και να συµπεριφέρονται σαν κανονικά<br />
αέρια. Συνεπώς, η σωστή περιγραφή του ολικού συστήµατος των παγιδευµένων ατόµων, πρέπει να περιγράφει και τα<br />
δύο αυτά ‘υπο-συστήµατα’ (συµπύκνωµα-θερµικό νέφος). Αυτό µπορεί να επιτευχθεί λαµβάνοντας υπόψιν τις<br />
διακυµάνσεις γύρω από το µέσο πεδίο Φ(r,t). Περιληπτικά, στο φορµαλισµό της 2 ης κβάντωσης, ο τελεστής του<br />
µποζονικού πεδίου Ψˆ<br />
( r,<br />
t)<br />
αναγράφεται ως<br />
Ψˆ<br />
( r,<br />
t)<br />
= Ψˆ<br />
( r,<br />
t)<br />
+ ˆ( δ r,<br />
t)<br />
= Φ(<br />
r,<br />
t)<br />
+ ˆ( δ r,<br />
t)<br />
(2),<br />
όπου Φ( r,<br />
t)<br />
η κυµατοσυνάρτηση του συµπυκνώµατος που εµφανίζεται στην εξίσωση (1). Στις πειραµατικές<br />
θερµοκρασίες, οι θερµικές διακυµάνσεις συνήθως είναι πολύ µεγαλύτερες από τις κβαντικές διακυµάνσεις; συνεπώς<br />
µπορούµε να ορίσουµε την πυκνότητα του θερµικού νέφους ως n( r,<br />
t)<br />
= ˆ( δ r,<br />
t)<br />
ˆ( δ r,<br />
t)<br />
. Μία ακριβέστερη περιγραφή<br />
του συστήµατος µπορεί συνεπώς να επιτευχθεί από τη γενίκευση της εξίσωσης (1), που συµπεριλαµβάνει τα θερµικά<br />
άτοµα, µέσω [2,3]<br />
2 2<br />
∂Φ( r,<br />
t)<br />
⎡ ħ ∇<br />
2<br />
⎤<br />
iħ<br />
= ⎢−<br />
+ V ( r,<br />
t)<br />
− µ + g( Φ(<br />
r,<br />
t)<br />
+ 2n(<br />
r,<br />
t)<br />
) − iR(<br />
r,<br />
t)<br />
⎥ Φ(<br />
r,<br />
t)<br />
∂t<br />
2m<br />
(3)<br />
⎣<br />
⎦<br />
Η παραπάνω εξίσωση περιγράφει τη µεταβολή της κυµατοσυνάρτησης του συµπυκνώµατος λαµβάνοντας υπόψιν<br />
ότι λόγω της µη-µηδενικής θερµοκρασίας, το σύστηµα αποτελείται και από άτοµα τα οποία δεν ‘ανήκουν’ στο<br />
(1)<br />
141
συµπύκνωµα. Αυτό επιτρέπει τη συνεχή ανταλλαγή ατόµων µεταξύ του συµπυκνώµατος και του θερµικού νέφους, η<br />
οποία οδηγεί στον όρο –iR(r,t) . Η σωστή περιγραφεί του συστήµατος προϋποθέτει µία αντίστοιχη εξίσωση για τη<br />
µεταβολή της κατανοµής των θερµικών ατόµων, η οποία µπορεί να αποδειχθεί [2] ότι έχει τη µορφή µίας κλασσικής<br />
εξίσωσης Boltzmann για την πυκνότητα στο χώρο των φάσεων (phase space density) µε την προσθήκη ενός ακόµα<br />
όρου που επιτρέπει την ανταλλαγή ατόµων ανάµεσα στα δύο ‘υπό-συστήµατα’ (µε τέτοιο τρόπο ώστε ο ολικός<br />
αριθµός των ατόµων του συστήµατος να παραµένει σταθερός).<br />
Η παραπάνω µέθοδος εξηγεί µε µεγάλη ακρίβεια το ρόλο των ατόµων τα οποία δεν βρίσκονται στο συµπύκνωµα,<br />
και εξηγεί την συµπεριφορά του συστήµατος σε αρκετές διαφορετικές διατάξεις και συνθήκες, οδηγόντας σε<br />
εξαιρετική συµφωνία µε όσα πειράµατα έχουν µελετηθεί [4-5]. Ένα µειονέκτηµα αυτής της θεωρίας είναι οτί αγνοεί<br />
τις κβαντικές διακυµάνσεις, και λαµβάνει ως δεδοµένο ότι το συµπύκνωµα είναι σύµφωνο (όλα τα άτοµα έχουν την<br />
ίδια φάση). Αν και αυτό δεν παρουσιάζει προβλήµατα σε συνήθεις 3διάστατες γεωµετρίες (εκτός από την περίπτωση<br />
των ‘ισχυρά-συσχετισµένων ατόµων’), χαµηλοδιάστατες διατάξεις, οι οποίες ως γνωστό δεν εµφανίζουν το φαινόµενο<br />
της συµπύκνωσης Bose-Einstein στο θερµοδυναµικό όριο, είναι πολύ πιο επιρρεπείς στις διακυµάνσεις της φάσεως.<br />
Συνεπώς, η παραπάνω θεωρητική µέθοδος πρέπει να γενικευτεί µε κατάλληλο τρόπο ώστε να συµπεριλάβει αυτές τις<br />
φασικές διακυµάνσεις, οι οποίες έχουν ήδη παρατηρηθεί πειραµατικά [6]. Αυτό µπορεί να επιτευχθεί, επιλέγοντας να<br />
περιγράψουµε τις χαµηλότερες ενεργειακές καταστάσεις του συστήµατος µε ‘ενιαίο’ τρόπο µε µία ‘στοχαστική’<br />
εξίσωση τύπου Langevin [7]<br />
2 2<br />
∂ϕ( r,<br />
t)<br />
⎡ ħ ∇<br />
2 ⎤<br />
iħ<br />
= ⎢−<br />
+ V ( r,<br />
t)<br />
− µ + g ϕ(<br />
r,<br />
t)<br />
− iR(<br />
r,<br />
t)<br />
⎥ϕ(<br />
r,<br />
t)<br />
+ η(<br />
r,<br />
t)<br />
(4)<br />
∂t<br />
⎣ 2m<br />
⎦<br />
η οποία έχει αποδειχθεί χρησιµοποιόντας τελείως διαφορετικές θεωρητικές τεχνικές, όπως κβαντική θεωρία<br />
πολλών σωµατιδίων (many-body theory, path integrals) [8] και θεωρία κβαντικής οπτικής (quantum optics) [9]. Στην<br />
παραπάνω εξίσωση, η ΄παράµετρος’ ϕ( r,<br />
t)<br />
δεν περιγράφει πλέον την κυµατοσυνάρτηση του συµπυκνώµατος, αλλά<br />
µιµείται αριθµητικά τον ολικό τελεστή του µποζονικού πεδίου<br />
Ψˆ<br />
( r,<br />
t)<br />
, υπό την έννοια ότι η µέση τιµή του<br />
ϕ( r,<br />
t)<br />
µετά από πολλά αριθµητικά ‘simulations’ µε διαφορετικές αρχικές συνθήκες του θορύβου (noise) η(r,t),<br />
ισοδυναµεί, κατά µέσο όρο, µε τη µέση τιµή του τελεστή του µποζονικού πεδίου µετά από ensemble-averaging.<br />
Συνεπώς, στην παραπάνω περιγραφή, δεν διαχωρίζουµε το συµπύκνωµα από το θερµικό νέφος στις χαµηλές<br />
ενεργειακές καταστάσεις (µε τις υπόλοιπες, ενεργειακά υψηλότερες, καταστάσεις να περιγράφονται πάλι από µία<br />
κβαντική εξίσωση Boltzmann).<br />
Οι παραπάνω θεωρίες έχουν εφαρµοστεί πρόσφατα σε διάφορα σύνθετα προβλήµατα, τα οποία αναλύουµε:<br />
1. ∆ιάσπαση Σολιτονίων σε Συµπυκνώµατα Bose-Einstein σε µη µηδενικές θερµοκρασίες [5]: Αν και η<br />
εξίσωση Gross-Pitaevskii (1) περιγράφει συνεχείς ταλαντώσεις σολιτονίων σε αρµονικά παγιδευµένα<br />
συµπυκνώµατα [10], αυτές οι ταλαντώσεις δεν έχουν ακόµα παρατηρηθεί πειραµατικά [11]. Σύµφωνα µε<br />
την ανάλυση µας [5], που συµφωνεί απόλυτα µε το πείραµα, αυτό οφείλεται στις αρχικές συνθήκες του<br />
πειράµατος που ενίσχυσαν αυτή τη διάσπαση.<br />
2. ∆ιάσπαση Στροβίλων (Vortices) σε Μη Μηδενικές Θερµοκρασίες [12]: Χρησιµοποιόντας ξανά τον πρώτο<br />
φορµαλισµό (Εξίσωση (3)), µελετάµε τη σταθερότητα στροβίλων υπό την παρουσία θερµικού νέφους,<br />
γενικεύοντας προηγούµενες εργασίες στον τοµέα αυτό.<br />
3. Τέλος, µελετάµε τις ιδιότητες ενός πολύ επιµηκούς (‘µονοδιάστατου’) σύστηµατος [13-16], παρατηρώντας<br />
και αναλύοντας πλήρως την έλλειψη φασικής συνοχής, και παρουσιάζοντας µία απλή ρεαλιστική µελέτη για<br />
την ανάπτυξη του συµπυκνώµατος από µία αρχική κατάσταση ‘far-from-equilibrium’. Συγκεκριµένα<br />
χαρακτηρίζουµε την εµφάνιση κυµάτων εκρήξεως (‘shock waves’) σε υπέρψυχρα άτοµα [16].<br />
[1] Pitaevskii L. P., Sov. Phys. JETP 13, 451 (1961); Gross E. P., Nuovo Cimento 20, 454 (1961).<br />
[2] Zaremba E., Nikuni, T and Griffin A., J. Low Temp. Phys. 116, 277 (1999).<br />
[3] Proukakis N. P., J. Phys. B 34, 4737 (2001).<br />
[4] Jackson B. and Zaremba E., Phys. Rev. Lett. 87, 100404 (2001); ibid. 88, 180402 (2002).<br />
[5] Jackson B., Proukakis N. P. and Barenghi C. F., Phys. Rev. A 75, 051601 (2007);<br />
Jackson B., Proukakis N. P. and Barenghi C. F., J. Low Temp. Phys. (In Press, 2007).<br />
[6] Dettmer S. et al., Phys. Rev. Lett. 87, 160406 (2001); Schvarchuck I. et al., Phys. Rev. Lett. 89, 270404 (2002);<br />
Richard S. et al., Phys. Rev. Lett. 91, 010405 (2003).<br />
[7] Stoof H. T. C. and Bijlsma M. J., J. Low Temp. Phys. 124, 431 (2001).<br />
[8] Stoof H. T. C., J. Low Temp. Phys. 114, 11 (1999).<br />
[9] Gardiner C. W. and Davis M. J., J. Phys. B 36, 4732 (2003).<br />
[10] Proukakis N. P., Parker N. G., Frantzeskakis D. J. and Adams C.S., J. Opt. B 6, S380 (2004).<br />
[11] S. Burger et al., Phys. Rev. Lett. 83, 5198 (1999).<br />
[12] Jackson B. J., Proukakis N. P., Barenghi C. F. and Zaremba E. (In Preparation, 2007)<br />
[13] Al Khawaja U., Andersen J., Proukakis N. P. and Stoof H. T. C., Phys. Rev. A 66, 013615 (2002).<br />
[14] Proukakis N. P., Las. Phys. 13, 527 (2003).<br />
[15] Proukakis N. P., Phys. Rev. A 73, 023605 (2006); Proukakis N. P., Phys. Rev. A 74, 053617 (2006).<br />
[16] Proukakis N. P, Schmiedmayer J. and Stoof H. T. C., Phys. Rev. A 73, 053603 (2006).<br />
Ευχαριστούµε το EPSRC (UK) και to NWO (The Netherlands) για χρηµατοδότηση και τον Joerg Schmiedmayer<br />
για πειραµατικές συζητήσεις.<br />
142
Γένεση, Δυναμική και Έλεγχος Σολιτονίων σε Συμπυκνώματα Bose-Einstein<br />
Φραντζεσκάκης Δ. 1*<br />
1 Πανεπιστήμιο Αθηνών, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστημιόπολις, 157 84 Αθήνα<br />
*dfrantz@phys.uoa.gr<br />
Για αρκούντως χαμηλές θερμοκρασίες, και στο πλαίσιο της θεωρίας μέσου πεδίου, η δυναμική των συμπυκνωμάτων Bose-<br />
Einstein (Bose-Einstein Condensates, BECs) περιγράφεται από την εξίσωση Gross-Pitaevskii (GP) [1],<br />
∂ψ<br />
⎡ η<br />
2<br />
2 ρ 2 ⎤<br />
iη<br />
= ⎢−<br />
∇ ψ + V ( r ) + gψ<br />
⎥ψ<br />
,<br />
∂t<br />
⎢ 2m<br />
⎣<br />
⎥⎦<br />
όπου ψ είναι η κυματοσυνάρτηση του BEC, ενώ η σταθερά σύζευξης g = 4πη<br />
2<br />
α / m χαρακτηρίζει τις διατομικές αλληλεπιδράσεις<br />
(m είναι η ατομική μάζα και α είναι το μήκος σκέδασης s). Το εξωτερικό δυναμικό παγίδευσης μπορεί γενικά να<br />
είναι αρμονικό, ή περιοδικό (στη μορφή οπτικού πλέγματος) - δηλαδή να παίρνει τις μορφές<br />
[<br />
2 2 2<br />
(<br />
2 2 ρ<br />
ω + ω y + z )],<br />
V ( r ) = V ∑ cos<br />
2 ( k ),<br />
ρ 1<br />
V ( r ) = m<br />
η<br />
2<br />
x x ⊥<br />
0 η = x,<br />
y,<br />
z η<br />
ή συνδυασμών τους (ω η είναι οι συχνότητες παγίδευσης στις τρεις διευθύνσεις και V 0 το πλάτος του περιοδικού δυναμικού).<br />
Στην περίπτωση ισχυρά ανισοτροπικών παγίδων με ω x ω ⊥ , το BEC γίνεται οιωνεί μονοδιάστατο ή διδιάστατο<br />
αντίστοιχα, και η περιγραφή του μπορεί να γίνει με μια φαινομενική εξίσωση GP σε μία ή σε δύο διαστάσεις. Επιπλέον, στην<br />
περίπτωση του ελεύθερου (V = 0) συμπυκνώματος σε μία διάσταση, η εξίσωση GP γίνεται η πλήρως ολοκληρώσιμη μη<br />
γραμμική εξίσωση Schrődinger (nonlinear Schrődinger, NLS) που επιδέχεται λύσεις φωτεινών και σκοτεινών σολιτονίων για<br />
ελκτικές (α < 0) ή απωστικές (α > 0) διατομικές αλληλεπιδράσεις αντίστοιχα. Από την άλλη πλευρά, στη διδιάστατη<br />
περίπτωση, η εξίσωση NLS επιδέχεται ευσταθείς λύσεις στροβίλων (vortices).<br />
Αποδεικνύεται ότι ο φυσικός μηχανισμός γένεσης φωτεινών σολιτονίων είναι το φαινόμενο της αστάθειας διαμόρφωσης<br />
(modulational instability) του συνεχούς κύματος της εξίσωσης NLS [2]. Η ανάλυσή της, που είναι σχετικά απλή στην<br />
περίπτωση ελευθέρων (μη παγιδευμένων) συμπυκνωμάτων, επεκτείνεται και στην περίπτωση παγιδευμένου, οιωνείμονοδιάστατου<br />
συμπυκνώματος με ελκτικές αλληλεπιδράσεις. Αποδεικνύεται ότι με κατάλληλη διαμόρφωση της<br />
πυκνότητας του ΒΕC (που επιτυγχάνεται με αλλαγή των αλληλεπιδράσεων από απωστικές σε ελκτικές με χρήση του<br />
συντονισμού Feshbach και την κατάλληλη χρονική εξέλιξη της συχνότητας παγίδευσης) είναι δυνατόν να ελεγχθεί πλήρως ο<br />
μηχανισμός γένεσης των σολιτονίων στα συστήματα αυτά. Επίσης, εξάγεται ένα κριτήριο για την εμφάνιση ή την καταστολή<br />
της αστάθειας διαμόρφωσης, που επαληθεύεται πολύ καλά από αριθμητικές προσομοιώσεις [3].<br />
Επίσης, προτείνεται ένας μηχανισμός γένεσης σκοτεινών σολιτονίων σε ατομικά συμπυκνώματα με απωστικές<br />
αλληλεπιδράσεις, που βασίζεται στη ρήξη της υπερρευστότητας του συμπυκνώματος. Συγκεκριμένα, σύμφωνα με το<br />
κριτήριο του Landau, η ροή ενός υπερρευστού παρουσία ενός εμποδίου χαρακτηρίζεται από μηδενικό ιξώδες μόνο κάτω από<br />
μια κρίσιμη ταχύτητα, ενώ πάνω από αυτήν η ροή γίνεται είναι ασταθής. Προτείνεται ότι ένα οιωνεί μονοδιάστατο BEC που<br />
κινείται λόγω μετατόπισης της παγίδας του γύρω από μία θέση που βρίσκεται ένα εμπόδιο (που μπορεί να είναι μια δέσμη<br />
laser), μπορεί να πέσει σε μία τέτοια αστάθεια με αποτέλεσμα τη γένεση σκοτεινών σολιτονίων [4, 5]. Είναι σημαντικό ότι<br />
παραλλαγή της τεχνικής αυτής υλοποιήθηκε σε ένα πολύ πρόσφατο πείραμα, στο οποίο επιβεβαιώθηκε η γένεση σκοτεινών<br />
σολιτονίων [6]. Η εύρεση της κρίσιμης ταχύτητας, όπως και η ανάλυση των ευσταθών μη γραμμικών κυμάτων (σολιτόνια<br />
και στρόβιλοι διαφόρων τύπων) που παράγονται λόγω τέτοιων δυναμικών ασταθειών γενικεύεται και στην περίπτωση δύο<br />
συζευγμένων συμπυκνωμάτων (δύο διαφορετικές καταστάσεις spin του ιδίου στοιχείου) [7].<br />
Ένας εναλλακτικός τρόπος για τη γένεση (αλλά και για τον έλεγχο της δυναμικής) των σολιτονίων βασίζεται στη χρονική ή<br />
χωρική μεταβολή της σταθεράς σύζευξης g, που μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση εξωτερικών μαγνητικών ή οπτικών<br />
πεδίων. Μία τέτοια τεχνική, που βασίζεται στη διαχείρηση του συντονισμού Feshbach (Feshbach resonance management),<br />
οδηγεί στη δημιουργία ευσταθών φωτεινών ή σκοτεινών σολιτονίων [8] για χρονικά περιοδικές διαμορρφώσεις της σταθεράς<br />
σύζευξης. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο φυσικός μηχανισμός της γένεσης των σολιτονίων είναι και πάλι η αστάθεια<br />
διαμόρφωσης, όπως παρατηρήθηκε σε ένα πρόσφατο πείραμα μη γραμμικής οπτικής, σε ένα μέσο με χωρικά περιοδική μη<br />
γραμμικότητα [9]. Επίσης, κατάλληλες χωρικές μεταβολές της σταθεράς g του συμπυκνώματος αποδεικνύεται ότι οδηγούν<br />
σε ενδιαφέρουσες εφαρμογές, όπως ο έλεγχος της δυναμικής των σολιτονίων, η αυτοπαγίδευσή τους, η παρατήρηση<br />
ταλαντώσεων Bloch, κλπ [10].<br />
Για την περιγραφή της δυναμικής των σολιτονικών υλικών κυμάτων, στην περίπτωση που τα εξωτερικά δυναμικά είναι αργά<br />
μεταβαλλόμενα, εφαρμόζεται η αδιαβατική θεωρία διαταραχών για σολιτόνια. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, η μορφή των<br />
λύσεων των σολιτονίων παραμένει ίδια με αυτή της πλήρως ολοκληρώσιμη NLS, αλλά οι παράμετροι της λύσης γίνονται<br />
χρονομεταβαλλόμενοι. Ακολουθώντας αυτήν την προσέγγιση, αποδεικνύεται ότι τα κέντρα των σολιτονίων συμπεριφέρονται<br />
σαν κλασσικά νευτώνια σωμάτια παρουσία ενός φαινομενικού δυναμικού, η μορφή του οποίου εξαρτάται από εκείνη του<br />
εξωτερικά επιβαλλόμενου. Το αποτέλεσμα αυτό ισχύει τόσο για τα σκοτεινά [11, 12] όσο και για τα φωτεινά [13] σολιτόνια,<br />
143
και αναδεικνύει τρόπους ελέγχου της δυναμικής των σολιτονίων μέσω κατάλληλων εξωτερικών δυναμικών. Στην<br />
πραγματικότητα, λόγω του σωματιδιακού τους χαρακτήρα, ο έλεγχος των σολιτονίων είναι εφικτός με χρήση λ.χ.<br />
χρονομεταβαλλόμενων οπτικών πλεγμάτων [13, 14], εντοπισμένων ανομοιογενειών [11, 15], κλπ.<br />
Τέλος, μελετάται η δυναμική σκοτεινών σολιτονίων σε διδιάστατα συμπυκνώματα. Σε αυτή την περίπτωση, τα σκοτεινά<br />
σολιτόνια υπόκειται σε μια δυναμική αστάθεια, την εγκάρσια αστάθεια διαμόρφωσης (η οποία είναι γνωστή και ως «snaking<br />
instability»), που εκδηλώνεται με την «ρυτίδωση» των σολιτονικών λωρίδων και τη διάλυσή τους που οδηγεί στη δημιουργία<br />
στροβίλων. Αποδεικνύεται ότι η αστάθεια αυτή μπορεί να αποφευχθεί είτε παγιδεύοντας τα συμπυκνώματα σε αρκούντως<br />
ισχυρές παγίδες [3], είτε δημιουργώντας σολιτόνια σχήματος δακτυλίου (ring dark solitons) [16]. Για την αποφυγή της<br />
αστάθειας απαιτείται το μήκος της σολιτονικού δακτυλίου να είναι μικρότερο από το μήκος κύματος του μικρότερου<br />
ασταθούς κυματανύσματος. Όμως, στην περίπτωση στασίμων δακτυλίων, η εγκάρσια αστάθεια διαμόρφωσης είναι<br />
αναπόφευκτη και οδηγεί στη δημιουργία ενός ευσταθούς «περιδεραίου στροβίλων» (vortex necklace) [16]. Σημειώνεται ότι<br />
μία τέτοια δομή παρατηρήθηκε για πρώτη φορά πειραματικά στη μη γραμμική οπτική, με τη χρήση τεχνικών ελέγγχου της<br />
φάσης σε οπτικές δέσμες που διαδίδονται σε φωτοεπαγόμενα οπτικά πλέγματα σε φωτοδιαθλαστικούς κρυστάλλους [17].<br />
[1] L. P. Pitaevskii and S. Stringari, Bose-Einstein Condensation (Oxford University Press, Oxford, 2003).<br />
[2] G. Theocharis, Z. Rapti, P. G. Kevrekidis, D. J. Frantzeskakis, and V. V. Konotop, Phys. Rev. A 67 063610 (2003);<br />
P. G. Kevrekidis and D. J. Frantzeskakis, Mod. Phys. Lett. B 18, 73-202 (2004).<br />
[3] P. G. Kevrekidis, G. Theocharis, D. J. Frantzeskakis, and A. Trombettoni, Phys. Rev. A 70, 023602 (2004).<br />
[4] G. Theocharis, P. G. Kevrekidis, H. E. Nistazakis, D. J. Frantzeskakis, and A. R. Bishop, Phys. Lett. A 337, 441-448<br />
(2005).<br />
[5] R. Carretero-González, P. G. Kevrekidis, D. J. Frantzeskakis, B. A. Malomed, S. Nandi, and A. R. Bishop, Math.<br />
Comput. Simul. 74, 361 (2007).<br />
[6] P. Engels and C. Atherton, eprint cond-mat/0704.2427v1 (2007).<br />
[7] H. Susanto, P. G. Kevrekidis, R. Carretero-González, B. A. Malomed, D. J. Frantzeskakis and A. R. Bishop, Phys. Rev.<br />
A 75, 055601 (2007).<br />
[8] P. G. Kevrekidis, G. Theocharis, D. J. Frantzeskakis, and B. A. Malomed, Phys. Rev. Lett. 90, 230401 (2003);<br />
D. E. Pelinovsky, P. G. Kevrekidis, and D. J. Frantzeskakis, Phys. Rev. Lett. 91, 240201 (2003);<br />
Z. Rapti, G. Theocharis, P. G. Kevrekidis, D. J. Frantzeskakis and B. A. Malomed, Phys. Scripta T107, 27 (2004);<br />
D. E. Pelinovsky, P. G. Kevrekidis, D. J. Frantzeskakis, and V. Zharnitsky, Phys. Rev. E 70, 047604 (2004).<br />
[9] M. Centurion, M. A. Porter, Y. Pu, P. G. Kevrekidis, D. J. Frantzeskakis, and D. Psaltis, Phys. Rev. Lett. 97, 234101<br />
(2006); Phys. Rev. A 75, 063804 (2007).<br />
[10] G. Theocharis, P. Schmelcher, P. G. Kevrekidis, and D. J. Frantzeskakis, Phys. Rev. A 72, 033614 (2005);<br />
Phys. Rev. A 74, 053614 (2006).<br />
[11] D. J. Frantzeskakis, G. Theocharis, F. K. Diakonos, P. Schmelcher, and Yu. S. Kivshar, Phys. Rev. A 66 053608<br />
(2002).<br />
[12] G. Theocharis, P. Schmelcher, M. K. Oberthaler, P. G. Kevrekidis, and D. J. Frantzeskakis, Phys. Rev. A 72, 023609<br />
(2005).<br />
[13] P. G. Kevrekidis, D. J. Frantzeskakis, R. Carretero-González, B. A. Malomed, G. Herring, and A. R. Bishop, Phys.<br />
Rev. A 71, 023614 (2005).<br />
[14] G. Theocharis, D. J. Frantzeskakis, R. Carretero-González, P. G. Kevrekidis, and B. A. Malomed, Phys. Rev. E 71,<br />
017602 (2005).<br />
[15] G. Herring, P. G. Kevrekidis, R. Carretero-González, B. A. Malomed, D. J. Frantzeskakis, and A. R. Bishop, Phys.<br />
Lett. A 345, 144-153 (2005).<br />
[16] G. Theocharis, D. J. Frantzeskakis, P. G. Kevrekidis, B. A. Malomed, and Yu. S. Kivshar, Phys. Rev. Lett. 90, 120403<br />
(2003).<br />
[17] J. Yang, I. Makasyuk, H. Martin, P. G. Kevrekidis, B. A. Malomed, D. J. Frantzeskakis, and Z. Chen, Phys. Rev. Lett.<br />
94, 113902 (2005).<br />
144
5 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Μη Συμβατικά Νανοδομημένα και Άμορφα Υλικά»
P<br />
P<br />
P<br />
P<br />
P<br />
power<br />
P<br />
copolymers<br />
P<br />
and<br />
copolymers<br />
micelles<br />
DPT<br />
P<br />
P<br />
The Influence of the Macromolecular Architecture on the Micellization in Block<br />
*<br />
Copolymer / Homopolymer BlendsTPD<br />
1,2*<br />
1<br />
UE. PavlopoulouUP<br />
P, K. ChrissopoulouP P, S. H. AnastasiadisP<br />
4<br />
5<br />
5<br />
G. PortaleP P, H. IatrouP P, S. PispasP N. HadjichristidisP<br />
1<br />
PFoundation for Research and Technology – Hellas, I.E.S.L., Heraklion, Crete, Greece<br />
2<br />
PUniversity of Crete, Dept. of Materials Science and Technology, Heraklion, Crete, Greece<br />
3<br />
PAristotle University of Thessaloniki, Dept. of Chemical Engineering, Thessaloniki, Greece<br />
4<br />
PESRF, DUBBLE beamline, Grenoble Cedex, France<br />
5<br />
PUniversity of Athens, Dept. of Chemistry, Zografou, Athens, Greece<br />
*epavl@iesl.forth.gr<br />
Micellization of block copolymers in a selective solvent or in a homopolymer matrix has attracted the attention of the<br />
scientific community in the recent years [1]. The increasing interest in such systems arises from the influence of the<br />
micellization and of the micellar characteristics on phenomena like the modification of interfacial activity, controlled drug<br />
delivery, formation of metal nanoparticles and others. Micelles are stable aggregates formed by the self-assembly of the<br />
copolymers whereas micellization often occurs via a procedure which leads to a dynamic equilibrium between micelles, with<br />
a narrow mass and size distribution, and dispersed copolymer molecules. The majority of the studies on block copolymer<br />
micelle, however, concern micellization either in a selective solvent and/or micelles formed by linear diblocks [2,3].<br />
Herein we investigate the effect of macromolecular architecture on micellar formation and micelle characteristics<br />
of block copolymers in homopolymer matrices. A series of (polyisoprene)B2B(polystyrene), IB2BS, graft copolymers with constant<br />
total molecular weight and varying composition, fBPSB, and a series of symmetric (polyisoprene)BnB(polystyrene)BnB, IBnBSBnB,<br />
miktoarm star block copolymers, with n identical pairs of arms, are added to a low molecular weight polyisoprene<br />
homopolymer matrix and the blends are investigated by small-angle X-ray scattering (SAXS) and dynamic light scattering as<br />
a function of copolymer concentration and fBPSB or n, respectively. SAXS measurements have been carried out at the<br />
Daresbury Synchrotron Radiation Source (SRS), UK, and at the Dutch-Belgian Beamline (DUBBLE) at the European<br />
-<br />
Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France, covering a very wide scattering vector range 0.04 < q < 3.7 nmP<br />
1<br />
P. The scattered intensity was corrected for background and transmission whereas measurement of a standard sample<br />
(Lupolen) was utilized for intensity normalization. Analysis of the SAXS scattered intensity [4] allows the measurement of<br />
the form factor of the micelles and, thus, the polystyrene core radius, RBcB, the micellar aggregation number, QBmB, and the<br />
micelle number density, N, can be calculated.<br />
At 2wt% concentration of the IBnBSBnB (with 19k polystyrene and 15k polyisoprene blocks), spherical<br />
micelles are obtained (Figure 1) with a micellar core radius that is independent of n whereas the aggregation number<br />
-1<br />
decreases with n following an nP law (Figure 2). The number density of micelles in the mixture and the polystyrene<br />
fraction in the core are constant as well. These findings signify that, in the range of molecular weights investigated, the<br />
functionality of the junction point of the copolymer does not influence the micellar characteristics. A simple thermodynamic<br />
model has been developed that describes theoretically the micellization of ABnBBBnB within a B homopolymer<br />
matrix. The model agrees very well with the experimental data both qualitatively and quantitatively [5], see Figure 2.<br />
1,3<br />
5<br />
Intensity (cm -1 )<br />
10 -4<br />
10 0<br />
10 0 ESRF<br />
SRS<br />
10 -2<br />
10 -2<br />
10 -4<br />
10 0<br />
10 -2<br />
10 -4<br />
10 0<br />
10 -2<br />
10 -4<br />
10 0<br />
10 -2<br />
10 -4<br />
0.1 1<br />
q (nm -1 )<br />
IS<br />
25<br />
20<br />
15<br />
Experimental<br />
Theoretical<br />
I 2<br />
S 2<br />
10<br />
5<br />
I 4<br />
S 4<br />
0<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18<br />
Experimental<br />
250<br />
n<br />
Theoretical<br />
100<br />
200<br />
-1<br />
150<br />
10<br />
1 10<br />
I 6<br />
S 6<br />
I 16<br />
S 16<br />
Q m<br />
R c<br />
(nm)<br />
100<br />
50<br />
Q m<br />
0<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18<br />
n<br />
n<br />
Figure 1: The SAXS intensity curves as a function of the<br />
scattering vector q for the 2wt% blends of the various IBnBSBnB<br />
miktoarm copolymers in PI. The curves obtained at ESRF<br />
are presented shifted by an order of magnitude for clarity.<br />
Figure 2: The core radius (RBcB) and the aggregation number<br />
(QBmB) for the IBnBSBnB versus the number of arms n. The<br />
triangles correspond to the theoretical values whereas the<br />
solid circles to the experimental ones with the error bars<br />
determined by the polydispersity in the radii.<br />
145
TP<br />
PT UAcknowledgments:U<br />
For constant concentration (2wt%) of the IB2BS grafts (MBnB~90000), micelles are formed only above a certain<br />
polystyrene volume fraction fBPSB=0.32 (Figure 3), while the core size as well as the aggregation number increase with<br />
increasing fBPSPB<br />
P(Figure 4). The shape of the micelles seems to change from spherical to rod-like cylindrical, for the<br />
copolymers with the highest PS content, and macro-phase separation takes place. Moreover, the number density decreases<br />
with fBPSB, in accordance with mass balance, whereas there is strong evidence that the polystyrene volume fraction in the core<br />
increases. These results are in good qualitative agreement with the theoretical predictions of the thermodynamic model which<br />
describes the micellization of graft copolymers [6], while the quantitative deviation is attributed to the preparation method.<br />
The results were also compared to those for the respective linear diblock copolymers and different trends are revealed [7].<br />
Intensity (cm -1 )<br />
10 1<br />
10 -2<br />
f PS<br />
= 0.09<br />
SRS<br />
10 -1<br />
10 -5<br />
10 1 f PS<br />
= 0.90<br />
ESRF<br />
10 -5<br />
10 1<br />
f PS<br />
= 0.32<br />
10 -2<br />
10 -5<br />
10 1<br />
f PS<br />
= 0.46<br />
10 -2<br />
10 -5<br />
10 1<br />
f PS<br />
= 0.64<br />
10 -2<br />
10 -5<br />
10 1 f PS<br />
= 0.82<br />
10 -2<br />
10 -2<br />
10 -5<br />
q (nm -1 )<br />
10 0<br />
R c<br />
(nm)<br />
Qm<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Theoretical<br />
Experimental<br />
Rod-like<br />
micelles<br />
0<br />
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0<br />
f<br />
1800<br />
PS<br />
Theoretical<br />
1600 Experimental<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0<br />
f PS<br />
Figure 3: The SAXS intensity curves as a function of the<br />
scattering vector q for the 2wt% blends of the various IB2BS<br />
graft copolymers in PI. The curves obtained at ESRF are<br />
presented shifted by an order of magnitude for clarity.<br />
Figure 4: The core radius (RBcB) and the aggregation number<br />
(QBmB) for the IB2BS micelles versus the polystyrene volume<br />
fraction fBPSB. The triangles correspond to the theoretical<br />
values.<br />
Finally, the effect of copolymer concentration and temperature on the formation and characteristics of the micelles<br />
was studied, in order to determine the critical micelle concentration (CMC) and temperature (CMT), respectively, and their<br />
dependence on the macromolecular architecture. Above CMC, the concentration affects mainly the number of the micelles<br />
present and slightly their size. The micelles swell and the percentage of free chains increases as the concentration decreases<br />
until the system reaches the CMC, below which only free chains exist in the mixtures. As far as the temperature effect is<br />
concerned, the micelles appear to be fairly stable up to the crosslinking temperature of PI.<br />
UReferences:<br />
[1] Riess G., Prog. Polym. Sci.. 28 (2003) 1107. Gohy J.-F., Adv. Polym. Sci. 190 (2005) 65<br />
[2] Rigby D., Roe R.-J., Macromolecules 17 (1984) 1778. Roe R.-J., Macromolecules 19 (1986) 728<br />
[3] Kinning D. J., Thomas E. L., Fetters L. J., J. Chem. Phys. 90 (1989) 5806<br />
[4] Pedersen J. S., Advances in Colloid and Interface Science 70 (1997) 171<br />
[5] Pavlopoulou E. et al., in preparation (2007)<br />
[6] Retsos H., Anastasiadis S. H., Pispas S., Mays J. W., Hadjichristidis N., Macromolecules 37 (2004) 524<br />
[7] Pavlopoulou E. et al., in preparation (2007)<br />
*<br />
Part of this research was sponsored by the Greek General Secretariat for Research and Technology<br />
(ΠΕΝΕΔ 2003 programme 03ΕΔ581)<br />
146
Αυτο-οργάνωση και Μοριακή ∆υναµική ∆ενδριµερών Πολυφαινυλενίων Τροποποιηµένα<br />
µε Πεπτίδια<br />
Α. Γίτσας 1* , Π. Παπαδόπουλος 1 , Γ. Φλούδας 1 , M. Mondeshki 2 , H. W. Spiess 2 και K. Müllen 2<br />
1 Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων, Τµήµα Φυσικής και Ίδρυµα Τεχνολογίας και Έρευνας, Ινστιτούτο Βιοϊατρικών Ερευνών, Τ. Θ.<br />
1186, 451 10, Ιωάννινα<br />
2 Max Planck Institute for Polymer Research, D-55021 Mainz, Germany<br />
*me01296@cc.uoi.gr<br />
Με σκοπό τη βελτίωση των θεραπευτικών ιδιοτήτων των φαρµάκων, έχουν σχεδιαστεί συστήµατα νανοσωµατίδιων<br />
βασισµένα σε πολυµερή για τη στοχευµένη µεταφορά φαρµακευτικών ουσιών [1,2]. Η χηµεία των δενδριµερών θεωρείται ως<br />
ένα πρωτοποριακό εργαλείο για τέτοιες εφαρµογές, καθώς προσφέρει ιδανικές διαστάσεις, µονοδιασπορά, διαλυτότητα,<br />
βιοσυµβατότητα και ιδανικά σφαιρικό σχήµα, δίνοντας παράλληλα και τη δυνατότητα τροποποίησης µε τις επιθυµητές<br />
ενεργές οµάδες [3-5]. Πρόσφατη πρόοδο σε αυτή την κατεύθυνση αποτέλεσε η ανάπτυξη συνθετικών µεθόδων που οδηγούν<br />
σε δενδριµερή πολυφαινυλενίων τροποποιηµένα µε πεπτίδια [6]. Αυτά τα µόρια είναι µονοδιάσπαρτα, µε σταθερό σχήµα και<br />
τοπολογικά αποµονωµένες ενεργές οµάδες, και αποτελούν το σκελετό για την προσάρτηση πολυπεπτιδίων (Σχήµα 1).<br />
Σχήµα 1. ∆ενδριµερή πολυφαινυλενίων πρώτης (επάνω) και δεύτερης (κάτω) γενιάς. Στις θέσεις Χ έχουν προσαρτηθεί<br />
είτε άτοµα υδρογόνου είτε ο υποκαταστάτης R (επάνω δεξιά).<br />
Στην παρούσα εργασία [7] µελετούµε την αυτο-οργάνωση και τη µοριακή δυναµική σε µια σειρά δενδριµερών<br />
πολυφαινυλενίων στα οποία έχει προσαρτηθεί πολυ(ε-καρβοβενζοξυ-L-λυσίνη) (PZLL) [8], συναρτήσει του µεγέθους του<br />
πολυφαινυλικού πυρήνα, του αριθµού των προσαρτηµένων αλυσίδων PZLL και του βαθµού πολυµερισµού του<br />
πολυπεπτιδίου µε τη χρήση ακτίνων-Χ, NMR στερεάς κατάστασης, θερµιδοµετρίας και διηλεκτρικής φασµατοσκοπίας.<br />
∆ιαπιστώθηκε µια χαρακτηριστική εξάρτηση της αυτο-οργάνωσης των πολυφαινυλενίων από το βαθµό πολυµερισµού της<br />
PZLL. Επιπλέον, ο τύπος της δευτεροταγούς δοµής της PZLL ελέγχεται από τους περιορισµούς που θέτει ο πολυφαινυλικός<br />
πυρήνας. Βρέθηκε ότι η περιορισµένη PZLL µπορεί να σχηµατίσει διαφορετική δευτεροταγή δοµή από το αντίστοιχο<br />
γραµµικό πολυπεπτίδιο. Μια προσεγγιστική εικόνα της δοµής φαίνεται στο Σχήµα 2.<br />
Η ανάλυση της δυναµικής έδειξε τρεις δυναµικές διεργασίες: έναν αργό µηχανισµό που οφείλεται στη χαλάρωση<br />
τµηµάτων των α-ελίκων, έναν τµηµατικό µηχανισµό ο οποίος σχετίζεται µε την υαλώδη µετάβαση και έναν τοπικό<br />
µηχανισµό στην υαλώδη φάση. Η προέλευση του τελευταίου µηχανισµού µελετήθηκε µε εντοπισµένες τεχνικές NMR<br />
στερεάς κατάστασης (rotor-encoded rotational-echo double resonance, REREDOR). Η ίδια µέθοδος έδειξε, επίσης, µια<br />
βαθµίδα ευκαµψίας πηγαίνοντας από τη άκαµπτη πεπτιδική αλυσίδα στην πλευρική οµάδα.<br />
147
Σχήµα 2. Σχηµατική αναπαράσταση της αυτο-οργάνωσης σε δενδριµερή πολυφαινυλενίων µε πολυ(ε-καρβοβενζοξυ-Lλυσίνη)<br />
(PZLL). Στο σχήµα αριστερά το πολυπεπτίδιο έχει σχετικά µικρό βαθµό πολυµερισµού (n
Viscoelastic Response of Micelles with Chemically Cross-linked Cores<br />
Pamvouxoglou A. 1,2* , Van Ruymbeke E. 2 , Petekidis G. 1,2 , Vlassopoulos D. 1,2 , Mountrichas G. 3 and Pispas S. 3<br />
1 University of Crete, Department of Materials Science & Technology, Heraklion, Crete, Hellas<br />
2 Foundation for Research & Technology, Institute of Electronic Structure & Laser, Heraklion, Crete, Hellas<br />
3 Theoritical & Physical Chemistry Institute, National Hellenic Research Foundation, Athens, Hellas<br />
*pamvou@iesl.forth.gr<br />
The past decades, a lot of progress has been made in the understanding of the viscoelastic behaviour of concentrated polymer<br />
solutions and colloidal suspensions. Besides these two classes of materials, there exist intermediate situations which combine<br />
the existence of topological constraints and long-range interactions, leading to a different behaviour. Block copolymer<br />
micelles are a popular representative. Understanding the consequences of the interplay between polymer-like and colloid-like<br />
behaviour on the dynamic properties is of the great importance for the design of materials with desired properties. In the last<br />
few years there has been a lot of effort in characterizing suspensions of star-like micelles with a responsive fixed core which<br />
is chemically cross-linked. The reason is that solvent quality or temperature plays an important role in the dynamics and<br />
rheology of such soft colloids. By changing the quality of the solvent we can have in situ variation of the core size through an<br />
appropriate choice of the solvent and/or temperature [1]. Responsive cores alter the static and dynamic properties of the<br />
colloidal suspensions in a controlled way. In this work we investigated micelles with a fixed core (via crosslinking) which<br />
exhibits the above mentioned responsiveness while the system remains stable.<br />
A highly asymmetric PS – PI block copolymer micelle consisting of polyisoprene (9% PI) cross-linked core and<br />
polystyrene (91% PS) hairs (shell) was used as model responsive soft colloids, where the core swelling can be tuned by<br />
changing solvent quality [1]. Dynamic and static light scattering measurements were used to study the dynamics of the<br />
micelles and the size. The study was carried out in dioctyl – phthalate (DOP) which is theta for polystyrene at 22 o C [2] and<br />
for polyisoprene at 25 o C [3]. The effect of DOP solvent in our system was to swell the micelle up to 170 nm at 80 o C when at<br />
20 o C is almost 95 nm.<br />
Our primary goal was to investigate the concentration and temperature dependence of the linear viscoelastic<br />
properties. Specifically we investigated the dependence of the relative on the effective volume fraction in good solvent and<br />
compared it with linear and star polymers. Below 10% wt our system exhibited a liquid-like (Newtonian) behavior and as the<br />
concentration increased (20% wt) it became viscoelastic (see figure 1). Evidence of core deswelling is found in the nonmonotonic<br />
dependence of the relative viscosity with the effective volume fraction. The response of these micelles with long<br />
hairy corona was dominated by their polymeric nature (see figure 2). The dependence of the relative viscosity on φ eff was<br />
different depending on whether it was tuned by increasing the temperature or by increasing the mass concentration,<br />
suggesting that the micelles have different effective interactions in the two cases.<br />
G' ( ) , G" ( ) (Pa)<br />
10 3<br />
10 2<br />
10 1<br />
10 0 Concentration<br />
20 % wt<br />
2.65 % wt<br />
10 -1<br />
η 0<br />
/η s<br />
T 3<br />
PMMA in Decalin (640 nm)<br />
T<br />
10 5 Star 32/80<br />
2<br />
Star 64/07<br />
Star 128/07<br />
10 4 Star 128/80<br />
linear polymer<br />
Eintein's equation<br />
10 3 1 % wt<br />
2,65 % wt<br />
5.08 % wt<br />
10 2 10.2 % wt<br />
20 % wt<br />
10 1<br />
T 1<br />
10 -2<br />
10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2<br />
ϖ (rad/s)<br />
10 0<br />
10 -1 10 0 10 1<br />
φ eff<br />
=c/c*<br />
Figure 1: Dynamic frequency sweep tests at 2 different<br />
concentrations (2.65% and 20% wt) at 20 o C for PS-PI.<br />
All strains are in the linear regime.<br />
Figure 2: Relative viscosity with the effective volume<br />
fraction for spheres, stars, linear polymers and star-like<br />
micelles. Our experimental data from PS-PI are with red<br />
color. T 1 , T 2 , and T 3 are the temperatures 20 o , 35 o and<br />
50 o C respectively.<br />
149
In contrast to this system, a similar soft copolymer micelle PS – PB with polybutadiene core (56% PB) and<br />
polystyrene corona (44% PS) in DBP solvent exhibits the same behaviour in the size dependence with the temperature but the<br />
viscoelastic properties are different. The size can be tuned from 45 nm up to 100 nm as the temperature goes from 20 to<br />
90 o C. The solvent is dibutyl-phthalate which is theta for polystyrene at 22 o C and for polybutadiene at 90 o C. In particular, an<br />
initial viscosity increase with temperature was attributed to the swelling of the core and thus, to an increase of inter-particles<br />
interactions. For concentrations above the overlapping limit, we observed a solid-to-liquid transition followed by a liquid-tosolid<br />
transition by further increasing the temperature. Then, for still higher concentrations, the system vitrified (see Figure 3).<br />
For such a system, both the mass concentration and the temperature increase yielded a larger effective volume fraction and<br />
thus induced a kinetic arrest. On the other hand, as observed for the PS-PI block copolymer micelles, master-curves of the<br />
relative zero-shear viscosity versus the effective volume fraction could not be obtained, pointing again to the quantitative<br />
different effect of mass concentration and temperature on the system’s response (see Figure 4).<br />
G' ( ) , G" ( ) (Pa)<br />
10 3<br />
10 2<br />
10 1<br />
10 0<br />
10 -1<br />
Concentrations<br />
8 % wt<br />
24 % wt<br />
η 0<br />
/η s<br />
PMMA in Decalin (640 nm)<br />
Star 32/80<br />
Star 64/07<br />
10 3 Star 128/07<br />
Star 128/80<br />
linear polymer<br />
Eintein's equation<br />
2.1 % wt<br />
10 2 4.2 % wt<br />
8.05 % wt<br />
12.1 % wt<br />
14.19 % wt<br />
15.31 % wt<br />
10 1<br />
T 1<br />
T 2<br />
T 3<br />
10 -2<br />
10 4 ϖ (rad/s)<br />
10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2<br />
10 0<br />
10 -1 10 0<br />
φ eff<br />
=c/c*<br />
Figure 3: Dynamic frequency sweep tests at 2 different<br />
concentrations (8% and 24% wt) at 20 o C for PS-PB. All<br />
strains are in the linear regime.<br />
Figure 4: Relative viscosity with the effective volume<br />
fraction for spheres, stars, linear polymers and star-like<br />
micelles. Our experimental data from PS-PB are with red<br />
color. T 1 , T 2 , and T 3 are the temperatures 20 o , 30 o and<br />
50 o C respectively.<br />
[1] B. Loppinet et al. , Macromol. Chem Phys. , 2005 , 206 , 163<br />
[2] M.J. Solomon , S.J. Muller , Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics , Vol. 34 , 181 , 1996<br />
[3] X. Jin , T.P. Lodge , Rheol. Acta , 36:229 ,1997<br />
150
Διηλεκτρική απόκριση σύνθετων υλικών εποξειδικής ρητίνης- ZnO<br />
Α.Λ. Σουλιντζής 1 , Γ.Α. Κόντος 1 , Π.K. Kαραχάλιου 1, 2 , Γ.Χ. Ψαρράς 2,*<br />
Γ.Χ. Ψαρράς 2,* , Σ.N. Γεωργά 1 ,<br />
Χ.A. Kροντηράς 1 και Μ.Ν. Πιζάνιας 1<br />
1 Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών, 26504 Πάτρα, Ελλάς<br />
2 Τμήμα Επιστήμης Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 26504 Πάτρα, Ελλάς<br />
Email: G.C.Psarras@upatras.gr<br />
Παρασκευάστηκαν δείγματα σύνθετων υλικών εποξειδικής ρητίνης - ZnO σε διάφορες συγκεντρώσεις εγκλείσματος.<br />
Ελήφθησαν προκαταρκτικές μετρήσεις διηλεκτρικής φασματοσκοπίας σε ευρεία περιοχή συχνοτήτων από 10 -1 Hz – 1 MHz<br />
και σε ευρεία περιοχή θερμοκρασιών (-100ºC έως 150ºC) για όλα τα δείγματα. Επίσης μελετήθηκαν δείγματα εποξειδικής<br />
ρητίνης ως δείγματα αναφοράς. Στην ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκε ο συνήθης φορμαλισμός<br />
ε΄(f), ε΄΄(f) και Μ΄(f), Μ΄΄(f).<br />
Καταγράφονται διηλεκτρικές διεργασίες χαλάρωσης οι οποίες περιλαμβάνουν συνεισφορά τόσο από την<br />
πολυμερική μήτρα όσο και από την παρουσία της ενισχυτικής φάσης. Το διηλεκτρικό φάσμα παρουσιάζει διακριτές<br />
διεργασίες χαλάρωσης οι οποίες αποδίδονται: (1) στην υαλώδη μετάπτωση η οποία σχετίζεται με κινήσεις μεγάλων<br />
τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας (α-χαλάρωση), (2) διεργασίες που σχετίζονται με τοπικές κινήσεις πλευρικών πολικών<br />
ομάδων, (β-χαλάρωση), (3) διεπιφανειακή πόλωση (Maxwell-Wagner-Sillars MWS) και (4) χαλάρωση πόλωσης η οποία<br />
σχετίζεται με την διηλεκτρική ανισοτροπία του ZnO και πιθανώς με την πιεζοηλεκτρική φύση του.<br />
Οι διηλεκτρικές διεργασίες χαλάρωσης όπως επίσης και η ηλεκτρική αγωγιμότητα των δειγμάτων, αναλύονται και<br />
σχολιάζονται συναρτήσει της συγκέντρωσης του εγκλείσματος ZnO.<br />
151
Two Dimensional Supramolecular Organisation Of Core-Shell Nanoparticles. A<br />
Computer Simulation Study.<br />
G. Tritsaris 1 , A. G. Vanakaras 1<br />
1 Department of Materials Science, University of Patras, Patras, 26504, Greece.<br />
*a.g.vanakaras@upatras.gr<br />
The so-called core-shell or core-corona particles represent a broad class of systems that have been intensively investigated<br />
during the last few years. Typical systems exhibiting such composite architecture include metal or glass nanoparticles, block<br />
copolymer micelles, and globular dendrimers.<br />
Herein we explore, by means of computer simulations, the molecular organization in two dimensions of two different<br />
classes of core-shell nanoparticles: 1) Janus discs[1], that are composed by a hard internal core decorated with an amphiphilic<br />
halo and 2) half discs[2] that are modeled as hard hemi-discs with their circular periphery decorated with a soft coronal<br />
segment. Simplified intermolecular potentials that mimic the basic molecular features are introduced.<br />
Despite their simplicity the Janus systems exhibit, at high densities, fascinating equilibrium patterns the motif of which<br />
depends critically on the coronal thickness[1]. Furthermore even in the low density regime, where the systems does not<br />
exhibit any long range order, the molecular interactional recognition drives the formation of physical molecular clusters,<br />
either linear and/or branched or cyclic, that resemble random polymeric networks[3].<br />
The ordered (high-density) phases of the half disc systems are characterised by the formation of physical aggregates<br />
(clusters) with well defined and persistent shapes. For particles with thin coronal shells the supramolecular aggregate is<br />
simply a whole disc composed of two half-discs. However, when the coronal thickness exceeds a certain threshold, the<br />
supramolecular aggregate is formed by more than two particles and surprisingly its shape presents an empty interior. These<br />
aggregates, in turn, self-organise in periodic motifs exhibiting open pores and extended coronal overlapping (see figure 1).<br />
The number of molecules per aggregate, the shape and the pore size of the suprmolecular entities in the ordered phases<br />
depend critically on the size of the core relative to the coronal halo. The phase transitions and the molecular organisation in<br />
the resulting phases of such systems are analysed in detail and the molecular forces that drive their fascinating pattern<br />
formation are discussed.<br />
The results of these simulations broaden the rage of known modes of colloidal self assembly in two dimensions[1] and<br />
suggest that 2D semidisc core-shell particles are promising candidates for bottom-up design of precise two-dimensional<br />
porous templates.<br />
Figure 1. Supramolecular organisation of a simulated half-disc system with relatively thick shell. To facilitate visualisation,<br />
the coronal shell has been replaced by a number of flexible chains (green) attached to the circular periphery of the core (dark<br />
grey).<br />
References:<br />
[1] A.G. Vanakaras, Langmuir, 22, 88-93 (2006).<br />
[2] G. Tritsaris and A. G. Vanakaras, to be published.<br />
[3] J. M. Lehn, Progr. Pol. Sci., 30, 814-831 (2005).<br />
Acknowledgment Financial support from the Hellenic Ministry of Education, through the “Pythagoras” research<br />
programme is acknowledged.<br />
152
Light - induced Reversible Hydrophilicity of Hydrothermally grown TiO 2 films<br />
D. Vernardou, 1,2,3* E. Stratakis, 3,8,9 G. Kenanakis, 1,2,4 H. M. Yates, 5 S. Couris, 6 M. E. Pemble, 7 E. Koudoumas 1,8 and N.<br />
Katsarakis 1,2,9<br />
1 Center of Materials Technology and Laser, School of Applied Technology, Technological Educational Institute of Crete,<br />
710 04 Heraklion, Crete, Greece<br />
2 Science Department, School of Applied Technology, Technological Educational Institute of Crete, 710 04 Heraklion, Crete,<br />
Greece<br />
3 Department of Materials Science and Technology, University of Crete, 710 03 Heraklion, Crete, Greece<br />
4 Department of Chemistry, University of Crete, 710 03 Heraklion, Crete, Greece<br />
5 Institute for Materials Research, University of Salford, Cockroft Building, Salford, Manchester, M5 4WT, UK<br />
6 Institute of Chemical Engineering and High Temperature Chemical Processes (ICE-HT), Foundation for Research and<br />
Technology-Hellas (FORTH), 26504 Patras, Greece and University of Patras, Department of Physics, 26504 Patras, Greece<br />
7 Tyndall National institute, University College Cork, Lee Maltings, Prospect Row, Cork, Ireland<br />
8 Electrical Engineering Department, Technological Educational Institute of Crete, 710 04 Heraklion, Crete, Greece<br />
9 Institute of Electronic Structure and Laser, Foundation for Research & Technology-Hellas, P.O. Box 1527, Vassilika<br />
Vouton, 711 10 Heraklion, Crete, Greece<br />
*Dimitra Vernardou, e-mail: dimitra@iesl.forth.gr<br />
Titanium (IV) oxide films were deposited on Corning glass by a hydrothermal growth technique, using titanium (IV)<br />
isopropoxide, propanol and MilliQ water as precursors, for potential use as self–cleaning coatings. It is demonstrated that asdeposited<br />
films grown at 95 o C, using solutions with 0.1 M MilliQ water, for a deposition time of 20 hr, exhibit the best<br />
reversible hydrophilic response. For MilliQ water concentrations below 0.1 M, little or no growth was observed, while above<br />
0.3 M, precipitation or even gelation rapidly occurred. The effects of the structural and morphological properties on the<br />
hydrophilic response of the films are discussed in terms of the MilliQ water concentration present.<br />
153
Μελέτη Λεπτών Υµενίων MgCl 2 Πάνω Στην Αναδοµηµένη Επιφάνεια Si(111)7x7 Με<br />
Επιφανειακά Ευαίσθητες Τεχνικές<br />
Καράκαλος Σ. 1, 2 , Λαδάς Σ. 1, 2 , Σιώκου Α. 2 , ∆ρακόπουλος Β. 2 , Skoda M. 3 , Nehasil V. 3 , Matolin V. 3 , Sutara F. 4 , Skala T. 4 ,<br />
Prince K. 4<br />
1 Τµήµα Χηµικών Μηχανικών, Παν. Πατρών Τ.Θ.1414, GR-26504, Ρίον, Πάτρα<br />
2 ΙΤΕ-ΕΙΧΗΜΥΘ Τ.Θ.1414, GR-26504, Ριον, Πάτρα<br />
3 Department of Electronics and Vacuum Physics, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University,<br />
V Holesovickach 2, 180 00 Prague 8, Czech Rep.<br />
4 Sincrotrone Trieste, AREA Science Park, I-34012 Basovizza TS, Italy<br />
* skarak@chemeng.upatras.gr<br />
Το MgCl 2 είναι ευρέως διαδεδοµένο στην παρασκευή καταλυτών Ziegler-Natta ως υπόστρωµα από µόνο του ή σε<br />
συνδυασµό µε SiO 2 . Η επίδραση του υποστρώµατος παίζει σηµαντικό ρόλο στις ιδιότητες των καταλυτών και στο παρελθόν<br />
µελετήθηκαν συστήµατα MgCl 2 πάνω σε επιφάνειες SiO 2 /Si [1], σε πολυκρυσταλλικό Au [2] καθώς επίσης και σε<br />
µονοκρυσταλλικές επιφάνειες µετάλλων [3].<br />
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η µελέτη της αλληλεπίδρασης του πυριτίου µε υµένια MgCl 2 που<br />
παρασκευάστηκαν µε εξάχνωση σε υπερυψηλό κενό πάνω στην αναδοµηµένη επιφάνεια Si(111)7×7. Η µελέτη, έγινε in-situ<br />
µε Φασµατοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων από συµβατικές Ακτίνες-Χ (XPS) και υψηλής διακριτικής ικανότητας<br />
Φασµατοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων από ακτινοβολία Synchrotron (SRPES). Με τη χρήση της ακτινοβολίας SRPES ήταν<br />
δυνατή η λεπτοµερής ανάλυση της λεπτής δοµής της ζώνης σθένους των υµενίων του MgCl 2 αµέσως µετά την απόθεση αλλά<br />
και ύστερα από σταδιακή θέρµανση του δείγµατος µέχρι τους 900 0 C. Ο χαρακτηρισµός του υποστρώµατος και του<br />
αποθέµατος ολοκληρώθηκε µε Φασµατοσκοπία Σκεδαζόµενων Ιόντων He + (ISS), ενώ µελετήθηκε και η δηµιουργία<br />
διατεταγµένων δοµών µε Περίθλαση Ηλεκτρονίων Χαµηλής Ενέργειας (LEED).<br />
Στο θάλαµο υπερυψηλού κενού τοποθετήθηκε πηγή εξάχνωσης MgCl 2 , µε την οποία ήταν δυνατή η απόθεση<br />
MgCl 2 πάνω στην ατοµικά καθαρή και αναδοµηµένη επιφάνεια Si(111)7×7. Ύστερα από κάθε απόθεση ο ατοµικός λόγος<br />
Cl/Mg που εκτιµήθηκε από την ένταση των φασµάτων SRPES, XPS και ISS ήταν ίσος µε ~2, υποδεικνύοντας ότι το<br />
απόθεµα αποτελούταν από στοιχειοµετρικό MgCl 2 . Η ποσότητα του MgCl 2 που αποτίθεται υπολογίστηκε σε ισοδύναµα<br />
µονοστρώµατα (ΜΣ), από 0,1ΜΣ µέχρι 18,0ΜΣ. Η ενέργεια σύνδεσης της κορυφής Si2p του υποστρώµατος παρέµεινε<br />
σταθερή και ίση µε 99,5eV ανεξαρτήτως της ποσότητας του MgCl 2 , ενώ οι ενέργειες σύνδεσης των κορυφών XPS Mg2p,<br />
Cl2p και XAES MgKLL του αποθέµατος αυξάνονταν σταδιακά µέχρι και 2eV στις µεγάλες ποσότητες MgCl 2 . Η µετατόπιση<br />
αυτή των κορυφών οφείλεται κυρίως σε ηλεκτροστατική φόρτιση του υµενίου του MgCl 2 .<br />
Θέρµανση ποσότητας 3,8ΜΣ MgCl 2 /Si(111)7×7 µέχρι τους 450 0 C δεν είχε καµία επίδραση στην κατάσταση του<br />
υµενίου. Περαιτέρω θέρµανση στους 500 0 C είχε ως αποτέλεσµα να εξαχνωθεί το µεγαλύτερο µέρος από τα 3,8ΜΣ του<br />
MgCl 2 και να παραµείνουν στην επιφάνεια 0,33ΜΣ µε ατοµικό λόγο Cl/Mg ~2. Για θέρµανση µεταξύ 550 0 C-700 0 C η<br />
ποσότητα του Mg παρέµενε σχεδόν σταθερή ενώ το Cl µειωνόταν σταδιακά µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Αποτέλεσµα<br />
αυτής της διαδικασίας ήταν η παραγωγή υµενίων MgCl x µε ατοµικό λόγο Cl/Mg
Οι παραπάνω τρεις καταστάσεις της επιφάνειας του Si(111) µελετήθηκαν λεπτοµερώς µέσω των<br />
φασµάτων της ζώνης σθένους µε ακτινοβολία SRPES, επιλέγοντας ενέργειες φωτονίου hv: 50 - 130eV, και συγκρίθηκαν<br />
µεταξύ τους καθώς επίσης και µε τη ζώνη σθένους του λεπτού υµενίου ~3,8ΜΣ MgCl 2 /Si(111)7×7. Στο σχήµα 2 φαίνεται η<br />
σύγκριση των φασµάτων µε διεγείρουσα ακτινοβολία hv: 100eV.<br />
Όπως αναµενόταν για ενέργειες σύνδεσης µέχρι 4eV επικρατούν οι συνεισφορές που οφείλονται στο Si(111) [4]<br />
ενώ από 4eV µέχρι 9,5eV επικρατούν οι συνεισφορές από τα 3p ηλεκτρόνια του Cl - . Οι κύριες συνεισφορές του Cl στη ζώνη<br />
σθένους παρατηρούνται σε ενέργειες σύνδεσης 6,22eV, 6,97eV και 8,62eV [5]. Μετά την θέρµανση των 3,8ΜΣ MgCl 2 και<br />
τη δηµιουργία της διατεταγµένης δοµής (√3x√3)R30° µε κάλυψη 0,2ΜΣ MgCl 1.5 / Si(111)1x1, παρατηρήθηκε µία νέα<br />
συνεισφορά στη ζώνη σθένους σε ενέργεια σύνδεσης 7,75eV. Η νέα αυτή συνεισφορά εµφανίζεται και στο φάσµα µετά την<br />
απόθεση των 0,6ΜΣ MgCl 2 και τη δηµιουργία της διατεταγµένης δοµής. Η εµφάνιση της νέας αυτής κατάστασης των<br />
ατόµων Cl µετά τη δηµιουργία της διατεταγµένης δοµής υποδεικνύει την ύπαρξη δύο καταστάσεων του Cl στην επιφάνεια<br />
γεγονός που συµφωνεί και µε τις µετρήσεις XPS.<br />
hv:100eV<br />
Ζώνη σθένους µετά<br />
από αποθέσεις MgCl 2<br />
Ένταση κορυφών SRPES /α.µ.<br />
3.8ΜΣ<br />
0.6ΜΣ<br />
0,2ΜΣ µετά από<br />
σύντοµη θέρµανση<br />
στους 550 0 C<br />
Καθαρό Si(111)<br />
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1<br />
Ενέργεια σύνδεσης<br />
Σχήµα 2. Φάσµατα SRPES της ζώνης σθένους µε ενέργεια φωτονίου 100eV ύστερα από αποθέσεις 0,6, 3,8ΜΣ<br />
MgCl 2 και 0,2ΜΣ που παρέµειναν ύστερα από θέρµανση στους 550 0 C.<br />
Περαιτέρω θέρµανση της επιφάνειας είχε ως αποτέλεσµα την αποµάκρυνση ακόµα περισσότερων ατόµων Cl και<br />
µείωση του ατοµικού λόγου Cl/Mg µέχρι και 0,4 στους 650 0 C. Το γεγονός ότι η διατεταγµένη δοµή (√3x√3)R30°<br />
διατηρήθηκε έστω και µε µειωµένη ένταση, υποδηλώνει ότι το Mg είναι αυτό που αλληλεπιδρά κυρίως µε το υπόστρωµα<br />
του Si(111).<br />
Συµπερασµατικά η αλληλεπίδραση του MgCl 2 µε το υπόστρωµα είναι σχετικά ασθενής και λαµβάνει χώρα στη<br />
διεπιφάνεια, κυρίως µέσω του Mg που ροφάται σε θέσεις τριγωνικής σύνταξης στην αναδοµηµένη και µη, επιφάνεια του<br />
Si(111) δίνοντας την διατεταγµένη δοµή (√3x√3)R30°. Μετά από θέρµανση λεπτών υµενίων MgCl 2 /Si(111)7×7, την<br />
αποµάκρυνση του µεγαλύτερου µέρους του MgCl 2 και την µείωση της ατοµικής αναλογίας Cl/Mg, η αλληλεπίδραση Mg-Si<br />
γίνεται εντονότερη µε αποτέλεσµα η διατεταγµένη δοµή να διατηρείται µέχρι τους 650 0 C, µε παράλληλη εµφάνιση νέων<br />
καταστάσεων του Cl, που υποδηλώνουν την πιθανή έναρξη σχηµατισµού κάποιας νέας επιφανειακής ένωσης.<br />
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ<br />
[1] Siokou A., Kefalas D., Ntais S., Surf. Sci. 532-535:472 (2003).<br />
[2] E. Mgni, G.A. Somorjai, Applied Surf, Sci. 89: 187 (1995).<br />
[3] Fairbrother D., Roberts J., Somorjai G., Surf. Sci. 399 : 109 (1998)<br />
[4] S J Weyers, O Janzen and W Monch, J. Phys.: Condens. Matter 11: 8489 (1999).<br />
[5] Shigeo Kinno and Ryunyo Onaka J. Physical Society of Japan, 49 (4):1379 (1980).<br />
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ<br />
Η εργασία αυτή υποστηρίχθηκε οικονοµικά από την Ελληνική Γραµµατεία Τεχνολογίας και Έρευνας, Πρόγραµµα ΠΕΝΕ∆<br />
2003 (κωδ. 03Ε∆-743).<br />
155
Ba Adsorption on an Oxygen Chemisorbed O(2×1)/Ni(110) Surface<br />
D. Vlachos, S.D. Foulias and M. Kamaratos<br />
Department of Physics, University of Ioannina, PO Box 1186, GR-451 10, Ioannina, Greece<br />
d.vlachos@cc.uoi.gr<br />
Abstract<br />
In this work we study Ba adsorption at submonolayer and monolayer coverages on an oxygen chemisorbed<br />
O(2×1)/Ni(110) surface, by means of Auger electron spectroscopy, low energy electron diffraction and work function<br />
measurements. Ba adsorption results initially in an incomplete two dimensional barium oxide layer, BaO, due to the<br />
interaction of the Ba adatoms and the chemisorbed O atoms. A fraction of the first layer Ba atoms seems to be chemisorbed<br />
reacting directly with Ni atoms. At higher coverages, Ba approaches the metallic phase. The observed energy shifts of the Ba<br />
and BaO related low energy Auger transmission lines are attributed to both initial and final state effects, which are strongly<br />
dependent on the substrate where the Ba-O interaction takes place.<br />
1. Introduction<br />
Barium oxide, BaO, is quite an important material in modern technology mainly because of its low work function, electron<br />
emissivity and catalytic properties. Of special interest is the formation of ultra-thin films BaO on surfaces, where significant<br />
changes of the electronic and the physicochemical properties of the substrate are observed. Ultrathin films of BaO on metallic<br />
substrates of W and Pt, have given significant technological applications, in the fabrication of high current density cathodes<br />
[1,2], and in the design of modern catalysts for NO x compounds storage in exhaust emission from motor vehicles [3,4].<br />
To better understand the electronic and physicochemical properties of the BaO/substrate, it is important to study how the<br />
BaO overlayer starts developing on the surface from sub-monolayer to monolayer. Also, it is quite crucial to percieve the<br />
nature of the bonding between Ba and O atoms in BaO compound on surface. This is a controversial issue in the literature<br />
regarding the degree of the ionicity. In this work, we study the Ba-O interaction on a metallic surface by the adsorption of Ba<br />
on the oxygen chemisorbed O(2x1)/Ni(110) surface. Our intention is to investigate the Ba-O interaction on the surface from<br />
the very first stage of Ba adsorption and to study how the substrate affects this interaction.<br />
2. Experimental part<br />
The experiments were performed in an ultra high vacuum system (UHV) at base pressure of 10 -10 Torr. The system was<br />
equipped with Auger electron spectroscopy (AES), low energy electron diffraction (LEED), a quadrupole mass spectrometer<br />
(QMS) and a Kelvin probe for work function measurements (WF). The sample was a Ni(110) single crystal with dimensions<br />
1cm× 0.5cm× 0.1cm. Barium deposition was carried out by means of a commercial evaporation SAES Getters source at<br />
constant current 6.5 A in steps of 2 min. Assuming the sticking coefficient of Ba on the oxygen predeposited nickel to be<br />
constant and equal to that on the clean surface, the coverage could be estimated in monolayers (~0.1ML/2min) by combining<br />
our results with previous AES, LEED, TDS and WF results [5]. The oxygen adsorption took place by supplying molecular<br />
oxygen of purity 99.998 vol% into the experimental chamber through a leak valve. The oxygen exposure is counted in<br />
Langmuirs, (L) where 1L=1× 10 -6 Torr.s.<br />
AP-PH (arb. units)<br />
1.4<br />
1.2<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
Ba/O(2x1)/Ni(110) Ni(848eV)<br />
Ba(590eV)x2<br />
ΔΦ (eV)<br />
0.0<br />
-4.0<br />
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45<br />
Ba deposition (min)<br />
Figure 1 The AP-PHs of the Ba(590 eV) and Ni(848<br />
eV) Auger transition lines and the WF change, ΔΦ,<br />
for Ba deposition on the oxygen chemisorbed phase<br />
O(2×1)/Ni(110).<br />
0.0<br />
-0.5<br />
-1.0<br />
-1.5<br />
-2.0<br />
-2.5<br />
-3.0<br />
-3.5<br />
ΔΦ (eV)<br />
3. Results and discussion<br />
The first step was to form the oxygen chemisorbed phase<br />
O(2×1)/Ni(110) surface, by exposing the nickel surface to 2 L of<br />
oxygen. This is the initial adsorption stage of oxygen on the<br />
Ni(110) surface [6]. We then started the Ba deposition on the<br />
oxygenated nickel surface. Figure 1 shows the measured Auger<br />
signal from peak to peak height (AP-PH) for the Ba(590 eV) and<br />
Ni(848 eV) Auger transition lines as well as the change of the<br />
WF, ΔΦ, induced by Ba deposition. A linear increase of the Ba<br />
AES signal is clear, with a change of the slope at periodic<br />
deposition time intervals (14 and 28 min respectively). In parallel,<br />
a linear decrease of the Ni AES signal is observed, with changes<br />
of slope at about the same deposition times. This manner of the<br />
adsorbate and substrate AES signal variation is characteristic of<br />
the layer by layer growth mode. The same growth mode has been<br />
documented for the Ba adsorption on the clean Ni(110) surface<br />
[5]. The first break is attributed to the first physical layer of Ba on<br />
the nickel surface at coverage 0.75 ML, while the second one to the second layer at 1.5 ML. However, a careful look at the<br />
substrate signal decrease at the beginning of the Ba adsorption, shows a small deviation from linearity. This delay of the<br />
Ni(848 eV) signal reduction is probably related to the (2×1) phase, where the oxygen atoms reconstruct the Ni(110) surface.<br />
We believe that the Ba deposition on the O(2×1) phase, lifts the reconstruction of the nickel surface due to the Ba-O<br />
interaction. Indeed, LEED observations showed that the (2×1) symmetry was disappearing even at the very low Ba coverage<br />
(0.1 ML). The WF change, ΔΦ, shown also in Fig. 1, is quite similar to that of the Ba growth on the clean nickel surface<br />
[5,7]. This indicates that Ba adatoms at low coverages are strongly positively polarized due to the reaction with the oxygen<br />
and/or the nickel atoms, while at higher coverages (>0.75 ML) Ba approaches the metallic state.<br />
156
AP-PH (a.u.)<br />
0.4<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
0.0<br />
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45<br />
Ba deposition (min)<br />
Figure 2 The AP-PHs of the Ba(75 eV), BaO(68<br />
eV) and O(510 eV) Auger transition lines as a<br />
function of the Ba deposition on the oxygen<br />
chemisorbed phase O(2×1)/Ni(110).<br />
In Fig. 2, the AP-PHs of the Ba(75 eV), BaO(68 eV) and O(510<br />
eV) Auger transition lines are shown as a function of the Ba deposition<br />
time. The BaO(68 eV) Auger line is attributed to an interatomic<br />
transition involving the Ba 4d, Ba 5p and O 2p atomic levels, while the<br />
Ba(75 eV) is due to the Ba 4d, Ba 5p and Ba 6s levels [8,9]. Both of<br />
these lines are valence band characteristic Auger lines and so are very<br />
sensitive to the chemical changes of the surface, induced by the<br />
oxidation of Ba. It is noteworthy that while the Ba(75 eV) line is<br />
characteristic of pure Ba development on surfaces, it appears also for<br />
BaO growth on surface [10]. This can be explained by the interaction<br />
of some Ba adatoms directly with the Ni atoms. The Ba(75 eV) line<br />
increases until ~14 min, while the BaO(68 eV) one increases until ~8<br />
min and remains almost constant for further deposition. The BaO(68<br />
eV) line declares the formation of BaO as a result of interaction<br />
between the Ba adatoms and the chemisorbed O atoms. On the other<br />
hand, the O(510 eV) line shows a small initial increase until about the<br />
time where the BaO(68 eV) line maximizes. This might be due to an<br />
“upwards” movement of the chemisorbed O atoms reacting with the<br />
Ba ones forming BaO on the surface. This rearrangement of the O atoms might be the cause of the nickel surface<br />
dereconstruction, causing an initial slower rate reduction of the Ni(848 eV) line as observed in Fig. 1 and described above.<br />
When the BaO (68 eV) line stops increasing, we observe a more rapid Ba(75 eV) peak growth up to ~14 min. This is where<br />
the first Ba layer is completed according to the results shown in Fig. 1. At the same time, an almost constant O(510 eV) peak<br />
decrease is observed until high Ba deposition times. Further Ba deposition shows no Ba signal increase. This behavior can be<br />
attributed to the smaller escape depth of the Auger electron than the Ba<br />
overlayer thickness. The fact that the Ba(68 eV) line maximizes before the<br />
completion of the first Ba layer, means that the BaO overlayer is<br />
incomplete, probably interspersed by Ba adatoms reacting directly with Ni<br />
atoms. It is noteworthy that the BaO(68 eV) and Ba(75 eV) Auger lines<br />
show a drift to smaller energies as a function of Ba deposition as it is<br />
shown in Fig. 3. In general, the Auger electron energy shifts (AEES) are<br />
related to changes in the chemical state or environment of the surface<br />
atoms. Also, according to our recent work [11], initial and final state<br />
effects of the three levels involved play an important role to these energy<br />
shifts. By combining the observed AEES and our own previous x-ray<br />
photoemission measurements of low core Ba and O atomic levels, as well<br />
as of the valence band states, we conclude that the AEES are due to the<br />
extra-atomic relaxation effects and electron-electron interactions [12].<br />
Comparing the present AEES, with previous ones of BaO formation by the<br />
oxidation of bariated nickel surface [13], we conclude that the Ba-O<br />
interaction depends on the substrate, because initial state effects such as<br />
the Madelung potential and final state effects such as extra-atomic<br />
relaxation are determine by the substrate.<br />
4. Conclusions<br />
The Ba adsorption on the oxygen chemisorbed O(2×1)/Ni(110) surface, results in an incomplete layer of BaO<br />
interspersed by chemisorbed Ba adatoms reacting directly with Ni atoms. The second layer of Ba seems to approach the<br />
metallic phase. The low energy Auger transition lines of Ba(75 eV) and BaO(68 eV) shift towards lower energy with Ba<br />
coverage due to both initial and final state effects.<br />
References<br />
Ba/O(2x1)/Ni(110)<br />
Ba(75 eV)<br />
O(510 eV)<br />
BaO(68 eV)<br />
66<br />
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45<br />
Figure 3 The energy of the Ba(73 eV) and<br />
BaO(68 eV) Auger transition lines for Ba<br />
deposition on the oxygen chemisorbed phase<br />
O(2×1)/Ni(110).<br />
[1] C. Gaertner and D. den Engelsen, Appl. Surf. Sci. 251 (2005) 24 and references therein.<br />
[2] A. Shih, J.E. Yater and C. Hor, Appl. Surf. Sci. 242 (2005) 35 and references therein.<br />
[3] S. Matsumoto, Catal. Today 29 (1996) 43.<br />
[4] P. Stone, M. Ishii and M. Bowker, Surf. Sci. 537 (2003) 179.<br />
[5] D. Vlachos, S.D. Foulias, S. Kennou, C. Pappas and C. Papageorgopoulos, Surf. Sci. 331-333 (1995) 673.<br />
[6] C. Benndorf, B. Egert, C. Nöbl, H. Seidel and F. Thieme, Surf. Sci. 92 (1980) 636.<br />
[7] M. Kamaratos, D. Vlachos and S.D. Foulias, Surf. Rev. & Lett. 12 (2005) 721.<br />
[8] G.A. Haas, C.R.K. Marrian and A. Shih, Appl. Surf. Sci. 16 (1983) 125.<br />
[9] G.A. Haas, R.E. Thomas, A. Shih and C.R.K. Marrian, Appl. Surf. Sci. 40 (1989) 265.<br />
[10] G.A. Haas and A. Shih, Appl. Surf. Sci. 31 (1988) 239.<br />
[11] D. Vlachos, M. Kamaratos and S.D. Foulias, J. Phys.:Cond. Matter. 18 (2006) 6997.<br />
[12] D. Vlachos, S.D. Foulias and M. Kamaratos, to be submitted.<br />
[13] D. Vlachos, N. Panagiotides and S.D. Foulias, J. Phys.:Cond. Matter. 15 (2003) 8195.<br />
Kinetic energy (eV)<br />
75<br />
74<br />
73<br />
72<br />
71<br />
70<br />
69<br />
68<br />
67<br />
Ba deposition time (min)<br />
Ba/O(2x1)/Ni(110)<br />
Ba(75 eV)<br />
BaO(68 eV)<br />
157
2 η Συνεδρία Αφίσας<br />
«Μη Συμβατικά Νανοδομημένα και Άμορφα Υλικά»
Synthesis of Polymer Brushes onto Inorganic Nanoparticles<br />
D. S. Achilleos, M. Vamvakaki<br />
Institute of Electronic Structure and Laser, Foundation for Research and Technology - Hellas,<br />
711 10 Heraklion, Crete, Greece and<br />
Department of Materials Science and Technology, University of Crete, 710 03 Heraklion, Crete, Greece<br />
*achill@iesl.forth.gr; vamvakak@materials.uoc.gr<br />
Nanoparticles have attracted much attention due to their fascinating electronic, optical, magnetic, and/or catalytic<br />
properties associated with their nano- or quantum-scale dimensions. These include metal (Au, Pt, Pd, etc.), semiconductor<br />
(CdS, CdSe, ZnS, etc.), and oxide (Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , etc.) nanoparticles [1]. The development of polymer/nanoparticle<br />
composite materials is of greater interest due to the combination of both the properties of the inorganic nanoparticles and those<br />
of the polymer (solubility, film formation, and chemical activity) [2]. Although the surface modification of silica particles by<br />
the chemical attachment of polymer chains has been extensively reported [3], other particles, like CdS [4], Fe 2 O 3 [5] and TiO 2<br />
[6] have been also used. However, so far there are no reports on the synthesis of chemically bound polymer/ZnO hybrids.<br />
In the present work we describe the preparation of smart surface polymeric coatings onto inorganic nanoparticles.<br />
The surface of TiO 2 (20 nm) and ZnO (~ 100 nm) nanoparticles has been modified with either hydrophilic or hydrophobic<br />
polymer brushes synthesized by Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) utilizing the “grafting from” technique. The<br />
hydrophilic monomers used for the polymer synthesis were oligo(ethylene glycol) methacrylate (OEGMA) (neutral, water<br />
soluble, biocompatible) and 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA) (ionizable, water soluble, cationic), while<br />
methyl methacrylate (MMA) was employed as the hydrophobic monomer (see Figure 1).<br />
O Br<br />
HO OH<br />
HO<br />
OH<br />
OH + Br<br />
HO<br />
HO<br />
OH<br />
2-bromoisobutyryl bromide<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
+<br />
THF<br />
N(Et) 3<br />
Monomer<br />
Solvent<br />
R R<br />
O<br />
R<br />
R R R=<br />
R<br />
R<br />
R<br />
+<br />
Br<br />
O<br />
CH 3<br />
CH 2 C<br />
n<br />
C O<br />
O<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
O<br />
10<br />
H<br />
CH 3<br />
CH 2 C<br />
CH 3<br />
CH 2 C<br />
C O<br />
n<br />
C O<br />
CH 3<br />
O<br />
CH 2<br />
O<br />
CH 3<br />
CH 2<br />
N<br />
Figure 1. Synthetic procedure followed for the synthesis of polymer brushes onto the inorganic nanoparticles<br />
The organic/inorganic hybrids prepared were characterized by Thermogravimetric Analysis (TGA), Transmission<br />
Electron Microscopy (TEM) and FTIR - Attenuated Total Reflectance (ATR) spectroscopy. Dispersion stability tests of the<br />
polymer coated particles were performed to evaluate the efficiency of the polymeric stabilizer.<br />
Results and Discussion<br />
0,6<br />
TiO 2 +OEGMA<br />
Absorption<br />
0,4<br />
0,2<br />
TiO 2 initial<br />
0,0<br />
4000 2000<br />
Wavenumber(cm -1 )<br />
Figure 2. FTIR – ATR spectra of the original and the POEGMA-coated TiO 2 nanoparticles<br />
158
Figure 2 shows the FTIR-ATR spectra of the original and the POEGMA-coated TiO 2 nanoparticles. The<br />
characteristic peak at 1726 cm -1 , which corresponds to the carbonyl stretching vibration of the polymer, verifies the presence<br />
of the polymer brushes onto the surface of the particles. Two additional strong peaks are also observed at 2965 cm -1 and<br />
1245 cm -1 attributed to the C-H and the C-O-C stretching vibrations of the polymer, respectively.<br />
Table 1 summarizes the TGA measured weight loss for various polymer coated samples over the 200 to 600 °C<br />
range. A 2 - 21 wt% loss was obtained attributed to the pyrolysis of the polymeric component of the hybrid material. As<br />
seen in Table 1 there is a strong dependence of the polymer content on the solvent medium used for the polymerization. The<br />
higher polymer content was found for reactions carried out in water, while the presence of methanol reduced substantially<br />
the polymerization rate and thus the thickness of the synthesized brushes. Moreover, the polymerization in xylene was more<br />
efficient than that in a methanol/water mixture.<br />
Table 1. Weight loss of the hybrid materials<br />
Sample<br />
Weight loss<br />
TiO 2 - POEGMA (water) 21.4 %<br />
TiO 2 - POEGMA (methanol/water 4/1) 4 %<br />
TiO 2 - PDMAEMA (xylene) 4.8 %<br />
TiO 2 - PDMAEMA (methanol/water 4/1) 2 %<br />
TiO 2 - PMMA (xylene) 6.7 %<br />
ZnO - PDMAEMA (xylene) 8.4 %<br />
ZnO - MMA (xylene) 4 %<br />
The efficiency of the polymer brushes to stabilize the inorganic nanoparticles in various media was investigated by<br />
dispersion stability tests. Figure 3a shows the initial and the hydrophilic polymer - coated TiO 2 nanoparticles in water 12 h<br />
after dispersion. A remarkable improvement in the dispersion stability for the POEGMA and the PDMAEMA modified<br />
nanoparticles is observed suggesting the effectiveness of the polymer coating. Figure 3b shows the original and the<br />
PDMAEMA-modified ZnO nanoparticles. In this case there is a dramatic change in the dispersability of the inorganic<br />
nanoparticles in water which implies the complete modification of the nanoparticle surface properties from hydrophobic to<br />
hydrophilic upon attachment of the hydrophilic polymeric chains.<br />
(a)<br />
(b)<br />
Figure 3. (a) Aqueous dispersions of the initial and the polymer modified TiO 2 nanoparticles, 12 h after dispersion, and<br />
(b) Dispersions of the original and the PDMAEMA coated ZnO nanoparticles in water.<br />
References<br />
[1] Advincula, R. C. J. Dispersion Sci. Technol.. 24 (2003) 343.<br />
[2] Liu, P.; Tian, J.; Liu, W.; Xue, Q. Polym. Int. 53 (2004) 127.<br />
[3] Wang, Y.-P.; Pei, X.W.; He, X.Y.; Yuan, K. Eur. Polym. J. 41 (2005) 1326. Wang, Y.P.; Pei, X.W.; Yuan, K. Mater.<br />
Lett. 59 (2005) 520. Nystrom, D.; Antoni, P.; Malmstrom, E.; Johansson, M.; Whittaker, M.; Hult, A. Macromol.<br />
Rapid Commun. 26 (2005) 524. Carrot, G.; Diamanti, S.; Manuszak, M.; Charleux, B.; Vairon, J. P. J. Polym. Sci,<br />
Polym. Chem. 39 (2001) 4294. Perruchot, C.; Khan, M. A.; Kamitsi, A.; Armes, S. P.; von Werne, T.; Patten, T. E.<br />
Langmuir 17 (2001) 4479.<br />
[4] Cui, T.; Zhaug, T. J.; Waug, J.; Cui, F.; Chem, W.; Xu, F.; Wang, Z.; Zhang, K.; Yang, B. Adv. Funct. Mater. 15<br />
(2005) 481.<br />
[5] Li, G.; Fan, J.; Jiang, R.; Gao, Y. Chem. Mater. 16 (2004) 1835. Gravano, S.M.; Dumas, R.; Lui, K.; Patten, T. E. J.<br />
Polym. Sci, Polym. Chem. 43 (2005) 3675.<br />
[6] Fan, X.; Lin, L.; Messersmith, P. B. Composites. Sci. Technol. 66 (2006) 1198.<br />
159
Conformational Properties of Dendritic Homopolymers with Interacting Branching<br />
Points<br />
P. Efthymiopoulos* and M. Kosmas<br />
Department of Chemistry, University of Ioannina, 45110 Ioannina, Greece<br />
*e-mail: pefthymi@cc.uoi.gr<br />
In recent years the scientific and technological interest for dendritic polymers which have a treelike structure built on a core<br />
star with successive generations has been increased [1]. Because of their capability of accepting cargos in their cavities they<br />
can be used as host systems in the controlled drug delivery processes [2] while the controlled positions of the terminal<br />
groups determine their activity, important in many fields like catalysis [3] or solubility [4]. Their synthesis and study<br />
becomes more difficult though, by the bursting increase of their number of monomers with the increase of their generations.<br />
The exponential increase of their monomers with the number of generations and the strong excluded volume effects between<br />
them create constraints which make their study almost forbidden as the number of generations increase. The way we<br />
overcome this is to keep excluded volume interactions between the members of a smaller but characteristic subset of<br />
monomeric units. We introduce thus a model of dendritic homopolymers where the dendritic nature, ensured from the<br />
connectivity term of the ideal chain, is enhanced through the inclusion only of the interactions of the branching points<br />
including the core. This choice is also justified from the fact that the functionality of the branching points being larger or<br />
equal to three is certainly larger than the functionality two of the rest units.<br />
a<br />
Figure 1. Dendritic polymer with (a) g=4 and f=f c =3 and (b) g=3, f c =2 and f=4.<br />
b<br />
The microscopic model [5] is used to determine analytically the macroscopic conformational properties of dendritic<br />
polymers with interactive branching points. We describe the dependence on the number g of generations, the molecular<br />
weight N of each branch, the functionalities f and f c of the branching points and the core as well as the quality of the solvent.<br />
Three mean square distances are calculated which determine the extension of the k shell from the origin (k =<br />
0,1,2,…,g), the sizes of the branches in each generation and the average distance between symmetrical points on<br />
different dendrons. Based on these distances the dependence on the microscopic characteristics of the dendritic polymer of<br />
the positions of the terminal groups and the size of the branches in each generation are analyzed. Effective angles θ k between<br />
symmetrical points on different dendrons are used to describe the degree of segregation of different dendrons, the possibility<br />
of entrances into the matrix of the polymer as well as the amount of the vacancies in its interior.<br />
The dependence on the microscopic parameters of the onset of dendritic behavior has been analyzed. The dendritic<br />
character starts earlier at smaller number of generations when the branch molecular weight N is smaller (Figure 2a), when the<br />
solvent is of better quality with larger u or when the functionalities f c and f are larger (Figure 2b). In good solvent conditions<br />
the interior branches are more extended and this extension is bigger for larger numbers of generations, better quality of the<br />
solvent (Figure 2c) and larger functionalities. Effective angles between symmetrical points on different dendrons are<br />
employed to the study of dendritic homopolymers and reveal that the vacancies in the interior are larger than those in the<br />
exterior, both of them increasing on increasing g (Figure 2d) or u. Increasing the functionalities of the dendritic polymer the<br />
extension of the branches becomes larger leading also to larger segregation of dendrons and vacancies. Increasing the<br />
molecular weight of each branch the total excluded volume effects become weaker and the segregation of the dendrons<br />
decreases.<br />
160
a<br />
b<br />
c d<br />
Figure 2. Some characteristic plots of the dependence of the positions of the end groups (a,b), branch sizes (c) and angles<br />
between symmetrical points on different dendrons (d) on the microscopic parameters.<br />
[1] Fréchet J. M. J., Tomalia D. A., Dendrimers and Other Dendritic Polymers, Wiley, Chichester, 2001.<br />
[2] Boas U., Heegaard P. M. H., Chem. Soc. Rev. 33 (2004) 43.<br />
[3] Helms B., Fréchet J. M. J., Adv. Synth. Catal. 348 (2006) 1125.<br />
[4] Gupta U., Agashe H. B., Asthana A., Jain N. K., Biomacromolecules 7 (2006) 649.<br />
[5] Kosmas M., Vlahos C., Avgeropoulos A., J. Chem. Phys. 125 (2006) 094908.<br />
We acknowledge the Greek General Secretariat of Research and Technology (“PENED-2003”, No. 856) for the financial<br />
support.<br />
161
Structure and Dynamics of Branched Hexaalkyl and Functionalized Hexa-perihexabenzocoronenes<br />
M. M. Elmahdy 1* , G. Floudas 1 , X. Doo 2 and K. Müllen 2<br />
1 Department of Physics, University of Ioannina, P.O. Box. 1186, 451 10 Ioannina, Greece and Foundation for Research and<br />
Technology-Hellas, Biomedical Research Institute (FORTH-BRI)<br />
2 Max-Planck Institute for Polymer Research, 55128 Mainz, Germany<br />
* me01641@cc.uoi.gr<br />
In the past two decades, discotic liquid crystalline (LC) materials have attracted considerable interest because of their unique<br />
self-organization behaviour into columnar superstructures, leading to high charge carrier mobilities along the columnar stacks [1].<br />
This feature resulted in a successful application of such materials in field-effect transistors and photovoltaic devices [2]. Hexaperi-hexabenzocoronenes<br />
(HBCs) are particularly promising because their large aromatic core permits one of the highest values<br />
for the intrinsic charge carrier mobility for mesogenes [3,4].<br />
T=373 K T=383 K<br />
7<br />
6<br />
α<br />
T c<br />
(DSC)=344 K<br />
HBC-4Me<br />
5<br />
Col h<br />
-log(τ max<br />
/sec)<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
<br />
μ α<br />
C r<br />
<br />
μ α<br />
-1<br />
T g<br />
=251K<br />
T g<br />
=235 K<br />
Cooling<br />
Heating<br />
-2<br />
2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4<br />
1000/T(K -1 )<br />
(a)<br />
(b)<br />
Figure 1. (a): 2D-WAXS images of the Methoxy-HBC obtained from an oriented fibre (T extr =313 K) at 373 K and 383 K. Notice<br />
the change in the structure from crystalline phase (C r ) (a-left) to columnar hexagonal liquid crystalline phase (Col h ) (a-right) on<br />
heating and cooling. (b): Temperature dependence of the relaxation times of the Methoxy-HBC. Notice the change in dynamics in<br />
the two phases (C r and Col h ) with corresponding glass temperatures of 251 and 235 K, respectively. This suggests a slowing-down<br />
of τ(T) reflecting the reduced mobility within the highly ordered C r phase.<br />
Herein, we report on the self-assembly mechanism, thermal properties, and the associated molecular dynamics of branched<br />
alkyls hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) and functionalized-HBCs, bearing dipoles attached to the core using polarizing<br />
optical microscopy, wide-angle X-ray scattering, differential scanning calorimetry, and dielectric spectroscopy (DS) [5] . This<br />
dipole is a very sensitive probe of the molecular dynamics within the low temperature crystalline phase and the temperature<br />
columnar phase. We show that DS is a sensitive probe of the particular mesophase through the temperature- and pressuredependent<br />
relaxation times associated with the dipole dynamics. In parallel, we employ X-ray scattering from oriented fibre that<br />
provides with the structural organization.<br />
[1] Boden N., Bushby R. J., Clements J., Movaghar B., Donovan K. J., Kreouzis T., Phys. Rev. B 52 (1995) 13274.<br />
162
[2] Pisula W., Menon A., Stepputat M., Lieberwirth I., Kolb U., Tracz A., Sirringhaus H., Pakula T., Müllen K., Adv. Mater. 17<br />
(2005) 684.<br />
[3] Van de Craats A. M., Warman J. M., Fechtenkötter A., Brand J. D., Harbison M. A., Müllen K., Adv. Mater. 11 (1999)<br />
1469.<br />
[4] Pisula W. , Kastler M., Wasserfallen D., Mondeshki M., Piris J., Schnell I., Müllen K., Chem. Mater. 18 (2006) 3634.<br />
[5] Elmahdy M. M., Floudas G., Doo X., Müllen K., in preparation.<br />
163
∆οµή και ∆υναµική Συµπολυµερών γ-µεθυλ-L-γλουταµινικού οξέος-και-γ-στεαρυλο-<br />
L-γλουταµινικού οξέος<br />
Α. Γίτσας 1* , Γ. Φλούδας 1 , M. Dietz 2 , M. Mondeshki 2 , H. W. Spiess 2 και G. Wegner 2<br />
1 Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων, Τµήµα Φυσικής και Ίδρυµα Τεχνολογίας και Έρευνας, Ινστιτούτο Βιοϊατρικών Ερευνών, Τ.<br />
Θ. 1186, 451 10, Ιωάννινα<br />
2 Max Planck Institute for Polymer Research, D-55021 Mainz, Germany<br />
*me01296@cc.uoi.gr<br />
Τα «άκαµπτα» συνθετικά πολυµερή µε εύκαµπτες πλευρικές οµάδες [1] και τα πολυπεπτίδια µε α-έλικες [2]<br />
παρουσιάζουν, όπως και τα άµορφα πολυµερή, µια δυναµική διεργασία που σχετίζεται µε την υαλώδη µετάβαση (T g ).<br />
Στην περίπτωση των πολυπεπτιδίων, µελετήθηκε πρόσφατα η προέλευση του α-µηχανισµού χαλάρωσης µε χρήση<br />
διηλεκτρικής φασµατοσκοπίας συναρτήσει της θερµοκρασίας T και της πίεσης P [3]. ∆ιαπιστώθηκε ότι για το πάγωµα<br />
της δυναµικής στο T g είναι υπεύθυνη η ενδοµοριακή δυναµική των άµορφων τµηµάτων της κύριας αλυσίδας. Τα<br />
πολυ(γ-n-αλκυλ-L-γλουταµικικά οξέα) (PnALG), τα οποία έχουν εφαρµογές ως φιλµ Langmuir-Blodgett, συνδυάζουν<br />
τη δοµή άκαµπτης κύριας αλυσίδας µε εύκαµπτες πλευρικές οµάδες µαζί µε την πολυπεπτιδική αλυσίδα και µπορούν<br />
να θεωρηθούν ως συστήµατα αναφοράς για τη µελέτη της αλληλεπίδρασης ανάµεσα στην υπερµοριακή οργάνωση και<br />
στη µοριακή κινητική.<br />
Σε προϋπάρχουσες µελέτες θεωρήθηκε δεδοµένο ότι η δευτεροταγής δοµή των PnALG είναι µια τέλεια<br />
έλικα [4]. Στην παρούσα εργασία [5] εξετάζουµε λεπτοµερώς τη δοµή και τις δυναµικές διεργασίες σε µια σειρά<br />
συµπολυµερών πολυ(γ-µεθυλ-L-γλουταµινικού οξέος-και-γ-στεαρυλο-L-γλουταµινικού οξέος) (poly(MLG-SLG)). Για<br />
το σκοπό αυτό µελετούµε τις θερµοδυναµικές µεταβάσεις µε διαφορική θερµιδοµετρία σάρωσης, τη δευτεροταγή δοµή<br />
(α-έλικες/β-φύλλα) και τις διαµορφώσεις των πλευρικών οµάδων (gauche/trans) µε NMR στερεάς κατάστασης και<br />
σκέδαση ακτίνων-Χ σε ευρείες γωνίες, και τη δυναµική µε διηλεκτρική φασµατοσκοπία και εντοπισµένες τεχνικές<br />
NMR. Η κύρια επίδραση της δοµής στη δυναµική είναι η επιβράδυνση των χρόνων τµηµατικής χαλάρωσης στα<br />
συµπολυµερή καθώς αυξάνεται το ποσοστό του ηµικρυσταλλικού SLG. Επιπλέον, η ανάλυση του “αργού” µηχανισµού<br />
διηλεκτρικής χαλάρωσης έδειξε ότι οι έλικες έχουν µικρό µήκος εµµονής (Σχήµα 1).<br />
log(ε'')<br />
1.0<br />
0.5<br />
0.0<br />
-0.5<br />
-1.0<br />
-1.5<br />
1.0<br />
0.5<br />
0.0<br />
-0.5<br />
-1.0<br />
-1.5<br />
1.0<br />
0.5<br />
0.0<br />
-0.5<br />
-1.0<br />
-1.5<br />
1.0<br />
0.5<br />
0.0<br />
-0.5<br />
-1.0<br />
-1.5<br />
40<br />
aj<br />
39<br />
AL AK<br />
ai 38<br />
AJ ah<br />
37 AI 29<br />
ag<br />
30<br />
31<br />
ABAA<br />
28<br />
36 ACz yZ<br />
AH 32aa<br />
27 x<br />
af 353433<br />
AD Y<br />
AGAE<br />
ab w<br />
ae<br />
26<br />
AF adac<br />
X<br />
25<br />
v<br />
W<br />
u<br />
24<br />
V<br />
23<br />
t<br />
Us<br />
22<br />
T<br />
21<br />
r<br />
Sq<br />
20 Rp<br />
19 Qo<br />
18 Pn<br />
17 Om<br />
16 Nl<br />
15 Mk j<br />
14 L i<br />
13 KJ<br />
12h I<br />
11 g 109 1<br />
H f GFEDCB edcba A2<br />
876543<br />
"αργός" µηχανισµός<br />
AL 39<br />
AM<br />
38<br />
AK37<br />
AJAI<br />
36 AH 35<br />
34332<br />
AG<br />
31<br />
AF<br />
AE ADAC<br />
30 AB 29 AA 28 Z<br />
27 Y<br />
26 X<br />
25 W<br />
24 V<br />
23 U<br />
22 T<br />
21 S<br />
20 R<br />
19 Q<br />
18 P<br />
17 O<br />
16 N<br />
15 M<br />
14 L<br />
13 KJ<br />
1211<br />
I<br />
109 HGFEDCBA 87654321<br />
42<br />
AN<br />
41<br />
AM<br />
40<br />
AL<br />
39<br />
AK<br />
AJ 3837<br />
AI AH 36 AG 35AF<br />
34<br />
AE 33<br />
AD 32<br />
AC 31<br />
AB 30<br />
AA 29<br />
28 Z<br />
27 Y<br />
26 X<br />
25 W<br />
24 V<br />
23 UT 22<br />
21 S<br />
20 R<br />
19 Q<br />
18 PONMLK<br />
1716<br />
15 J<br />
14<br />
I<br />
131211109 HGFEDCBA 87654321<br />
41<br />
AM40<br />
AL<br />
39<br />
AK<br />
38 353433<br />
AE 32<br />
AJ AFAD<br />
31<br />
37 AI 36 AH AG AC<br />
30 AB<br />
29 AA<br />
28 Z<br />
27 Y<br />
26 X<br />
25 W<br />
24 V<br />
23 U<br />
22 T<br />
21 S<br />
20 R<br />
19 Q<br />
18 P<br />
17 O<br />
16 N<br />
15 MLKJ<br />
1413<br />
12 I<br />
1109<br />
HGFED 87654 CBA 321<br />
MS10<br />
α-µηχανισµός<br />
MS47<br />
10 -4 10 -2 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 10 12 10 14<br />
a T<br />
f (Hz)<br />
MS18<br />
MS30<br />
Σχήµα 1. Υπέρθεση φασµάτων διηλεκτρικών απωλειών των συµπολυµερών στην περιοχή 240
Στην περιοχή του α-µηχανισµού η υπέρθεση χρόνων-θερµοκρασίας δεν ισχύει λόγω της κρυστάλλωσης του<br />
PSLG. Ο “αργός” µηχανισµός είναι ευαίσθητος στην περιεκτικότητα σε PSLG και γίνεται προοδευτικά πιο<br />
αργός.<br />
Η δευτεροταγής δοµή αποτελείται από α-έλικες και β-φύλλα, σε αναλογία που εξαρτάται από τη σύσταση<br />
των συµπολυµερών. Η υπερµοριακή δοµή βρέθηκε να είναι δυναµικά διαµορφούµενη και έχει σχήµα φιάλης, µε το<br />
άµορφο MLG και τις πιο αποµακρυσµένες µονάδες του SLG να σχηµατίζουν το «λαιµό» και το «µπουκάλι»,<br />
αντίστοιχα (Σχήµα 2).<br />
Σχήµα 1. Αριστερά: Οι εντάσεις των ισηµερινών ανακλάσεων και οι αντίστοιχες δισδιάστατες εικόνες για τα<br />
οµοπολυµερή και στα συµπολυµερή, όπως προέκυψαν από πειράµατα σκέδασης ακτίνων-Χ σε ευρείες γωνίες σε<br />
δύο διαστάσεις (2D-WAXS). Οι µετρήσεις έγιναν σε προσανατολισµένες ίνες στους 298 Κ. Στα συµπολυµερή<br />
υπάρχουν κορυφές που οφείλονται και στα δύο τµήµατα: περιοχές SLG (µαύρα βέλη) και περιοχές MLG/SLG<br />
(λευκά βέλη). ∆εξιά: Μοντέλο της τρισδιάστατης δοµής. Συνυπάρχουν αποστάσεις αλυσίδας-αλυσίδας που<br />
οφείλονται στα πιο αποµακρυσµένα τµήµατα SLG και στα πλησιέστερα ευρισκόµενα τµήµατα MLG/SLG.<br />
Επιπλέον οι α-έλικες είναι σπασµένοι σε κοµµάτια (DS). Το πάχος του κρυστάλλου (στο µέσο της εικόνας)<br />
εξαρτάται από το ποσοστό του SLG.<br />
[1] Wegner, G. Macromolecular Chemistry and Physics 204 (2003) 347.<br />
[2] Floudas, G. Progress in Polymer Science 29 (2004) 1143.<br />
[3] Papadopoulos, P.; Floudas, G.; Schnell, I.; Klok, H.-A.; Aliferis, T.; Iatrou, H.; Hadjichristidis, N. Journal of<br />
Chemical Physics 122 (2005) 224906.<br />
[4] Watanabe, J.; Ono, H.; Uematsu, I.; Abe, A. Macromolecules 18 (1985) 2141.<br />
[5] Gitsas, A.; Floudas, G.; Dietz, M.; Mondeshki, M.; Spiess, H. W.; Wegner, G. Macromolecules (2007).<br />
165
Επίδραση της Τοπολογίας στην Αυτο-οργάνωση και τη ∆υναµική Αστεροειδών<br />
Συµπολυµερών Πεπτιδίων<br />
Α. Γίτσας 1* , Γ. Φλούδας 1 , M. Mondeshki 2 , H. W. Spiess 2 , Ε. Ιατρού 3 και Ν. Χατζηχρηστίδης 3<br />
1 Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων, Τµήµα Φυσικής και Ίδρυµα Τεχνολογίας και Έρευνας, Ινστιτούτο Βιοϊατρικών Ερευνών, Τ. Θ.<br />
1186, 451 10, Ιωάννινα<br />
2 Max Planck Institute for Polymer Research, D-55021 Mainz, Germany<br />
1 Πανεπιστήµιο Αθηνών, Τµήµα Χηµείας, Πανεπιστηµιούπολη Ζωγράφου, 157 71, Αθήνα<br />
*me01296@cc.uoi.gr<br />
Τα συνθετικά πολυπεπτίδια είναι ένας τρόπος προσέγγισης των – πιο πολύπλοκων – φυσικών πρωτεϊνών, µε σκοπό την<br />
ανάπτυξη βιοµιµητικών υλικών. Για το σκοπό αυτό είναι σκόπιµο να µελετηθούν πρώτα απλούστερα συστήµατα µε<br />
κατανοητή λειτουργία [1,2]. Συγκεκριµένα, τα συµπολυµερή πεπτιδίων µε διάφορες αρχιτεκτονικές βοηθούν στην<br />
κατανόηση της επίδρασης που έχει η τοπολογία καθώς και ο νανοφασικός περιορισµός στη δευτεροταγή δοµή των<br />
πολυπεπτιδίων. Η αναλογία α-ελίκων και β-φύλλων παίζει καθοριστικό ρόλο στη µοριακή δοµή και στη δυναµική, εποµένως<br />
και στη λειτουργία των πρωτεϊνών [3]. Η ένωση των πολυµερικών αλυσίδων εισάγει εντροπικές δυνάµεις που δυσχεραίνει το<br />
µικροφασικό διαχωρισµό, ειδικά σε πιο σύνθετες µορφολογίες όπως τα αστεροειδή συµπολυµερή. Ως αποτέλεσµα η<br />
δευτεροταγής δοµή µπορεί να αλλάξει, πηγαίνοντας από τη µία αρχιτεκτονική στην άλλη.<br />
Στην παρούσα εργασία [4] µελετούµε την επίδραση της τοπολογίας σε δισυσταδικό συµπολυµερές πολυ(εκαρβοβενζοξυ-L-λυσίνης)-b-πολυ(γ-βενζυλο-L-γλουταµινικού<br />
οξέος) (PZLL-b-PBLG) και αστέρι 3-s-(PZLL-b-PBLG),<br />
χρησιµοποιώντας τα δισυσταδικά συµπολυµερή ως κλάδους για τα αστέρια. Και τα δύο καθαρά συστατικά σχηµατίζουν<br />
έλικες στη δευτεροταγή τους δοµή. Xρησιµοποιούµε σκέδαση ακτίνων-Χ για τον προσδιορισµό της µικροδοµής και NMR<br />
και διηλεκτρική φασµατοσκοπία για τη µελέτη της δευτεροταγούς δοµής, αντίστοιχα. Για πρώτη φορά ανιχνεύτηκε<br />
νανοφασικός διαχωρισµός σε δισυσταδικό συµπολυµερές PZLL-b-PBLG. Στα συµπολυµερή βρέθηκαν και πάλι α-έλικες,<br />
που είναι οργανωµένοι σε εξαγωνικό πλέγµα µέσα στις νανοφάσεις των δισυσταδικών συµπολυµερών. Κάνοντας χρήση<br />
διηλεκτρικής φασµατοσκοπίας ανιχνεύτηκε ότι οι έλικες έχουν µικρότερο µήκος εµµονής σε σχέση µε τα οµοπολυµερή. Η<br />
τοπολογία των αστεριών ελαττώνει περισσότερο το µήκος εµµονής των ελίκων, παραµορφώνει το εξαγωνικό πλέγµα και<br />
προκαλεί µερική ανάµειξη των φάσεων (Σχήµα 1).<br />
Σχήµα 1. Σχηµατική απεικόνιση της αυτο-οργάνωσης σε δισυσταδικό συµπολυµερές PZLL-b-PBLG (αριστερά) και<br />
αστέρι 3-s-(PZLL-b-PBLG) (δεξιά). Τα συµπολυπεπτίδια φτιάχνουν α-έλικες που οργανώνονται σε εξαγωνικό πλέγµα<br />
µέσα σε νανοφάσεις. Στο αστέρι οι νανοφάσεις και το εξαγωνικό πλέγµα δεν είναι εξίσου αυστηρά καθορισµένα. Το<br />
µήκος εµµονής των ελίκων επίσης είναι µικρότερο στα αστέρια.<br />
[1] Wahlund, P.-O.; Galaev, I.Y.; Kazakov, S.A.; Lozinsky, V.I.; Mattiasson, B. Macromolecular Bioscience 2 (2002) 33.<br />
[2] Kumar, M.; Sanford, K.J.; Cuevas, W.A.; Du, M.; Collier, K.D.; Chow, N. Biomacromolecules 7 (2006) 2543.<br />
[3] Fersht, A.R. Proceedings of the national academy of sciences of the USA 97 (2000) 1525.<br />
[4] Gitsas, A.; Floudas, G.; Mondeshki, M.; Spiess, Iatrou, H.; Hadjichristidis, N. (υπό προετοιµασία).<br />
166
Σύνθεση Πολυμερών Συναρμογής του Τετραθειο-τερεφθαλικού Διανιόντος<br />
Νεοφώτιστου Ελευθερία και Παντελής Τρικαλίτης*<br />
Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο Κρήτης, Βούτες 71003, Ηράκλειο<br />
*ptrikal@chemistry.uoc.gr<br />
O σχεδιασμός και η σύνθεση νέων ενώσεων συναρμογής πολυμερικού τύπου με ανοικτό σκελετό (MOFs, Metal Organic<br />
Frameworks) έχει προκαλέσει τεράστιο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια. Η συναρμογή ορισμένων μεταλλικών κατιόντων ή<br />
αντίστοιχων πλειάδων (clusters) με κατάλληλους πολυ-δοντικούς υποκαταστάτες, υπό ορισμένες συνθήκες οδηγεί στον<br />
σχηματισμό μικροπορωδών κρυσταλλικών ανόργανων–οργανικών στερεών με πολύ μεγάλη ειδική επιφάνεια. Τέτοιου είδους<br />
υλικά συνδυάζουν τις ιδιαίτερες φυσικοχημικές ιδιότητες του σκελετού (τροποποίηση του οργανικού μέρους, οξειδοαναγωγικές<br />
και μαγνητικές ιδιότητες) με το πορώδες και αναμένεται να βρουν σημαντικές τεχνολογικές εφαρμογές σε πεδία όπως η<br />
εκλεκτική προσρόφηση, αποθήκευση αερίων και κατάλυση. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα τέτοιων υλικών αποτελούν οι<br />
ενώσεις που προκύπτουν από την συναρμογή κατιόντων Zn 2+ με τερεφθαλικά διανιόντα (βλέπε σχήμα 1) και έχουν αναφερθεί<br />
κυρίως από την ομάδα του Yaghi και των συνεργατών του. Η επιτυχία στο συγκεκριμένο σύστημα, τουλάχιστον από άποψη<br />
σχηματισμού πορωδών ενώσεων, οφείλεται κυρίως στον οργανικό υποκαταστάτη, ο οποίος αφενός επιτρέπει τον σχηματισμό<br />
σταθερών σκελετών λόγω ύπαρξης του βενζολικού δακτυλίου, αφετέρου οι καρβοξυλικές ομάδες επιτρέπουν την δημιουργία<br />
δευτεροταγών δομικών ομάδων (Zn 4 O) οι οποίες λόγω μεγέθους οδηγούν στην δημιουργία πολύ ανοικτών δομών [1-5]. Η<br />
κατανόηση του ρόλου του συνδετικού οργανικού μορίου οδήγησε στον συστηματικό σχεδιασμό στερεών με ελεγχόμενο πορώδες<br />
και χημική σύσταση (βλέπε σχήμα 1).<br />
Zn 4 O<br />
Σχήμα 1: Πορώδη πολυμερή συναρμογής στο σύστημα Zn 2+ /αρωματικά 1,4 δι-καρβοξυλικά οξέα. Οι δευτεροταγείς ομάδες<br />
“Ζn 4 O” σχηματίζονται in-situ.<br />
Σε αντίθεση με την ευρεία χρήση οργανικών μορίων που περιέχουν ως δότες άτομα οξυγόνου ή αζώτου, ελάχιστες είναι οι<br />
εργασίες που αναφέρουν την ανάπτυξη MOFs με οργανοθειούχα μόρια. Η σύνθεση MOF με τέτοιου είδους μόρια έχει ως στόχο<br />
την ανάπτυξη ανοικτών σκελετών με ενδιαφέρουσες οπτικές ή και ηλεκτρικές ιδιότητες, επειδή η αντικατάσταση των ισχυρά<br />
ηλεκτρoαρνητικών ατόμων Ο και Ν με S αναμένεται να αυξήσει την «ηλεκτρονιακή επικοινωνία» μεταξύ μετάλλουυποκαταστάτη.<br />
Στην παρούσα ερευνητική εργασία αναφέρεται για πρώτη φορά η σύνθεση πολυμερών συναρμογής<br />
χρησιμοποιώντας τον οργανικό υποκαταστάτη τετραθειο-τερεφθαλικό διανιόν [8] (βλέπε εικόνα 1α). Ο συγκεκριμένος<br />
υποκαταστάτης είναι το θειούχο ανάλογο του 1,4 βένζυλο-δικαρβοξυλικό οξύ το οποίο όπως ήδη αναφέρθηκε, έχει<br />
χρησιμοποιηθεί με μεγάλη επιτυχία στην ανάπτυξη σημαντικών MOFs.<br />
S<br />
S<br />
S<br />
S<br />
O<br />
O<br />
(α)<br />
(β)<br />
Εικόνα 1: (α) τετραθειο-τερεφθαλικό διανιόν, (β) τερεφθαλικό διανιόν (1,4 Βενζυλο-δικαρβοξυλικό).<br />
Σε πρώτο στάδιο αναπτύχθηκε κατάλληλη μέθοδος για την σύνθεση του υποκαταστάτη με την μορφή του άλατος<br />
(C 5 H 10 NH 2 ) 2 (S 2 CC 6 H 4 CS 2 ). Η συγκεκριμένη πρόδρομη ένωση του τετραθειο-τερεφθαλικού διανιόντος είναι πλήρως διαλυτή σε<br />
πολικούς διαλύτες όπως το διμέθυλο φορμαμίδιο (DMF) και το διαίθυλο φορμαμίδιο (DEF). Ανάμειξη διαλυμάτων (DMF) τα<br />
οποία περιέχουν ισομοριακές ποσότητες (C 5 H 10 NH 2 ) 2 (S 2 CC 6 H 4 CS 2 ) και Zn(NO 3 ) 2 x6H 2 O σε θερμοκρασία δωματίου οδηγεί στον<br />
σχηματισμό ενός μικρο-κρυσταλλικού στερεού, βαθύ κόκκινου χρώματος. Η δομή του στερεού προσδιορίστηκε με περίθλαση<br />
ακτίνων-Χ σε μονοκρύσταλλο. Η ένωση έχει χημικό τύπο [Zn((S 2 CC 6 H 4 CS 2 )(DMF) 2 DMF] και αποτελείται από zig-zag<br />
αλυσίδες [Zn((S 2 CC 6 H 4 CS 2 )(DMF) 2 ] και ελεύθερα μόρια DMF, όπως φαίνεται στο σχήμα 2α. Το κατιόν ψευδαργύρου είναι<br />
οκταεδρικά ενταγμένο με σημαντική παραμόρφωση και περιλαμβάνει τέσσερα άτομα θείου τα οποία προέρχονται από δύο μη<br />
ισοδύναμους υποκαταστάτες και δύο άτομα οξυγόνου από μόρια DMF (βλέπε σχήμα 2β).<br />
O<br />
O<br />
167
(α)<br />
(β)<br />
Σχήμα 2: (α) Απεικόνιση της δομής κατά μήκος του a-άξονα, (β) το περιβάλλον συναρμογής των κατιόντων ψευδαργύρου.<br />
Θερμική ανάλυση έδειξε ότι το στερεό χάνει σταδιακά τα μόρια DMF μέχρι τους 200 ο C, ενώ στην περιοχή θερμοκρασιών 200-<br />
300 ο C δεν εμφανίζεται μεταβολή βάρους υποδηλώνοντας τον σχηματισμό σταθερής ένωσης με πιθανό χημικό τύπο<br />
Zn(S 2 CC 6 H 4 CS 2 ). Η απομάκρυνση των μορίων DMF επιτυγχάνεται επίσης με επεξεργασία του δείγματος σε CHCl 3 σε<br />
θερμοκρασία δωματίου. Ακτίνες-Χ σε δείγμα σκόνης έδειξαν ότι σχηματίζεται ένα νέο κρυσταλλικό στερεό, ενώ η προσθήκη<br />
διαλύτη DMF οδηγεί στον σχηματισμό του αρχικού στερεού.<br />
Ακολουθώντας ανάλογη συνθετική πορεία, παρασκευάστηκαν οι ισοδομικές ενώσεις με μαγγάνιο και κάδμιο, όπως<br />
επιβεβαιώνεται από τα αντίστοιχα διαγράμματα περίθλασης ακτίνων Χ σε δείγματα σκόνης(σχήμα 3).<br />
Cd<br />
Intensity<br />
c<br />
c<br />
b<br />
Absorption Coefficient a/S<br />
Mn<br />
Zn<br />
(piper) 2<br />
tttp<br />
a<br />
5 10 15 20 25 30 35<br />
2theta(CuKa)<br />
Σχήμα 3: Σύγκριση PXRD (a)Zn, (b)Mn, (c)Cd<br />
1 2 3 4 5<br />
E(eV)<br />
Σχήμα 4:Φάσματα UV-DRS<br />
Οι οπτικές ιδιότητες των στερεών καθώς και του ελεύθερου οργανικού υποκαταστάτη μελετήθηκαν με φασματοσκοπία UV-vis/<br />
near IR στερεάς κατάστασης (σχήμα 4). Όλα τα στερεά εμφανίζουν οπτική απορρόφηση σε χαμηλότερες ενέργειες (βλέπε<br />
πίνακα 1) σε σχέση με την οπτική απορρόφηση του ελεύθερου υποκαταστάτη. Στο παρόν στάδιο είναι υπό διερεύνηση εάν οι<br />
παρατηρούμενες απορροφήσεις οφείλονται αποκλειστικά στο οργανικό μόριο (n→π* και π→π* μεταπτώσεις) ή σε μετάπτωση<br />
μεταξύ ταινιών (valence band → conduction band) αντίστοιχου ενεργειακού χάσματος (band-gap).<br />
Πίνακας 1: Ενέργειες οπτικής απορρόφησης των στερεών.<br />
Υλικό<br />
Οπτική απορρόφηση (eV)<br />
(C 5 H 10 NH 2 ) 2 (S 2 CC 6 H 4 CS 2 ) 1.85<br />
[Zn((S 2 CC 6 H 4 CS 2 )(DMF) 2 DMF] 1.75<br />
[Cd((S 2 CC 6 H 4 CS 2 )(DMF) 2 DMF] 1.61<br />
[Mn((S 2 CC 6 H 4 CS 2 )(DMF) 2 DMF] 1.57<br />
[1] S. Kitagawa, et al., Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 2334-375.<br />
[2] Eddaoudi et al., Nature, 1999, 402, 276.<br />
[3] U. Mueller, et al., Journal of Material Chemistry, 2006, 16, 626-636.<br />
[4] Radu Custelcean, et al., Eur. J. Inorg. Chem., 2007, 1321-40<br />
[5] Jesse L.C. Rowsell , Omar M. Yaghi , Microporous and Mesoporous Materials, 2004, 73, 3–14<br />
[6] Philip C. Andrews, et al., CrystEngComm, 2007, 9, 282 – 285.<br />
[7] C.R.Samanamu, et al., Polyhedron, 2006, (doi:10.1016/j.poly.2006.09.076).<br />
[8] Ueno, et al., Tetrahedron Letters, 1977, 52, 4607-4610.<br />
168
Atomistic Molecular Dynamics Simulations of Dendrimers and their Complexes with<br />
Linear Polyelectrolytes<br />
ABSTRACT<br />
I. Tanis * , K. Karatasos<br />
Aristotle University of Thessaloniki, Department of Chemical Engineering, Physical Chemistry Lab,<br />
54124 Thessaloniki, Greece<br />
*itanis@auth.gr<br />
The aim of this project was to investigate the mechanisms that influence the ability of aqueous solutions of dendrimers or<br />
complexes of them with linear polyelectrolytes to act as solubility enhancement agents, as well as the examination of the<br />
mechanisms related to their capacity to adsorb/release polar molecules in a controlled manner. For that purpose molecular<br />
dynamics simulations were conducted in aqueous solutions of dendrimers of different generations. These simulations were<br />
performed with and without the presence of linear polyelectrolyte.<br />
INTRODUCTION<br />
Dendrimers are well-defined, globular, synthetic polymers. They are built up one monomer layer at a time, referred to as a<br />
generation, starting from a core molecule, known as generation 0. This procedure results in structures of high molecular size,<br />
large number of surface groups and low polydispersity. Studies of dendrimers as potential delivery systems indicated that a<br />
microenvironment can arise in the dendrimer core because of the limited diffusion of solvent molecules into it[1]. For<br />
example, dendrimers dissolved in polar solvents such as water can have an unpolar interior allowing organic molecules to be<br />
encapsulated and carried in aqueous media [2]. The necessity for a detailed atomistic study of these systems becomes clear,<br />
since (as has been shown by pertinent experiments) slight structural differences (for instance in surface groups) or variations<br />
related to the electrolytic and solution properties may incur drastic changes in the behavior of such systems particularly<br />
when biological applications are targeted. Moreover, because the number of surface functional groups (which more than<br />
doubles when moving to the next generation) are expected to play a crucial role to the ability of these molecules to absorb<br />
other compounds, a thorough examination of systems of different sizes is needed.<br />
SIMULATION DETAILS<br />
The systems that were examined represent aqueous solutions of 3 rd and 4 th generation poly(amidoamine) (PAMAM)<br />
dendrimers with and without the presence of poly (ethylene oxide) (PEO). In addition, a system containing pure water was<br />
constructed. All constructed models correspond to dilute solutions at density 0.98 gr/cm 3 . In systems that contained linear<br />
chain molecule, the number of chain monomer units equals the number of the dendrimer terminal groups. We used AMBER<br />
force field to describe the interactions for all atoms in polymer molecules including a hydrogen-bonding term. TIP3P [3]<br />
force field parameters were used for water. The atomic charges needed for describing the coulomb interactions are calculated<br />
from the Gasteiger [4] method. In total, the systems are neutrally charged. 3-dimensional representations of systems of 4 th<br />
generation are shown in figures 1-4.<br />
Figure 1. Generation 3 PAMAM-H 2 O<br />
Figure 2. Generation 3 PAMAM-PEO-H 2 O<br />
169
Figure 3. Generation 4 PAMAM-H 2 O<br />
Figure 4. Generation 4 PAMAM-PEO-H 2 O<br />
In order to obtain configurations suitable for simulation, the systems were subjected to energy minimization after<br />
application of conjugate gradient and steepest descend techniques. The systems were then simulated in room temperature by<br />
the aid of the DL_POLY [5] molecular simulation package which was parallelized with MPI. The first part of the<br />
simulations involved equilibration run in the isobaric-isothermic ensemble. The duration of simulations was long enough to<br />
bring systems to equilibrium in terms of density, total energy and radius of gyration of dendrimer/linear chain. Production<br />
runs of 4ns were then conducted in the microcanonical ensemble.<br />
RESULTS<br />
The radial distribution function of water in all studied systems was calculated. The peak which occurs at roughly 2.8Å which<br />
is the well known average hydrogen bond length in water, exhibits a higher value in systems which contain linear chain<br />
whereas in all systems that contain dendrimer molecule there is a higher peak with respect to the one in the pure water<br />
system. Slight differences that appear between systems of different generations can be attributed to the different number of<br />
water molecules which are adsorbed to the dendrimer surface or interior. For example, the highest value of the peak which<br />
occurs in 4 th generation systems is consistent to the larger number of the dendrimer surface functional groups (amine groups)<br />
which contribute to the formation of hydrogen bonds.<br />
Dynamics of size fluctuations was probed via the autocorrelation function of the mean squared radius of gyration. This<br />
dynamic quantity is relevant to the drug-release rate in controlled-release mechanisms. Such relaxation times indicate that<br />
systems of 4 th generation relax in shorter time-scales compared to those of 3 rd generation. In addition, the presence of the<br />
linear chain results modifies the relaxation time in complex systems. It therefore becomes possible to adjust the desired timescale<br />
for size fluctuations by utilizing dendrimers of appropriate generation complexed or not with linear polyelectrolytes.<br />
REFERENCES<br />
[1] Gillies E.R., and Frechet J.M.J., DDT, 10 (2005) 1.<br />
[2] Boas U., and Heegaard P.H.H., Chem.Soc.Rev., 33 (2004) 43.<br />
[3] Jorgensen W.L., Chandrasekhar J., Madura J.D., Impey R.W., and Klein M.L., J.Chem.Phys. 79 (1983) 926.<br />
[4] Gasteiger J., and Marsili M., Tetrahedron 36 (1980), 3219.<br />
[5] Smith W., Forester T.R., Todorov I.T., and Leslie M., THE DL_POLY 2 USER MANUAL, CCLRC Daresbury<br />
Labororatory.<br />
ACKNOWLEDGEMENTS<br />
This work is financially supported by the Hellenic General Secretariat for Research & Technology under the framework of<br />
the PENED 2003 program, Grant No 03ΕΔ716. A large part of the simulations were carried out under the project HPC-<br />
EUROPA (RII3-CT-2003-506079), with the support of the European Community - Research Infrastructure Action under the<br />
FP6 “Structuring the European Research Area” program.<br />
170
Σχέση Μεταξύ Μορφολογίας και Ηλεκτρικών Ιδιοτήτων Νανοσύνθετων Υλικών<br />
PP/PPy/MMT<br />
Χ. Ζώης 1* , Εμ. Λογκάκης 1 , Χρ. Πανδής 1 , Π. Πίσσης 1 , Λ. Απέκης 1 , M. Mravčáková 2 και M. Omastová 2<br />
1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, ΣΕΜΦΕ, Τομέας Φυσικής, Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου, GR 15 780 Αθήνα, Ελλάδα<br />
2 Slovak Academy of Sciences, Polymer Institute, Dúbravská cesta 9, 842 36 Bratislava, Slovakia<br />
*E-mail: chzois@central.ntua.gr<br />
Τα αγώγιμα πολυμερή, όπως η πολυπυρρόλη και η πολυανιλίνη, παρουσιάζουν έντονο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια,<br />
λόγω των πολλών εφαρμογών που έχουν σε σύγχρονες τεχνολογίες αιχμής. Η πληθώρα των τεχνολογικών εφαρμογών τους<br />
οφείλεται, κυρίως, στις υψηλές τιμές της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Αρκετά συχνά τα υλικά αυτά συνδυάζονται με ένα<br />
δεύτερο υλικό (π.χ. κάποιο πολυμερές), σχηματίζοντας έτσι σύνθετα υλικά με βελτιωμένες φυσικές ιδιότητες (θερμικές,<br />
μηχανικές, κ.α.). Μίγματα πολυπροπυλένιου (PP) και πολυπυρρόλης (PPy) είναι χαρακτηριστικοί εκπρόσωποι αγώγιμων<br />
σύνθετων πολυμερικών υλικών [1]. Μία ξεχωριστή κατηγορία των υλικών αυτών είναι εκείνη στην οποία τα αγώγιμα<br />
πολυμερή ενσωματώνονται μεταξύ των στρωμάτων σε φυλλόμορφους πηλούς (clays), με αποτέλεσμα τη δημιουργία νέων,<br />
νανοσύνθετων υλικών. Έχει βρεθεί ότι η παρουσία μονμοριλονίτη (montmorillonite, MMT) αυξάνει την ηλεκτρική<br />
αγωγιμότητα των δοκιμίων, σε σύγκριση με τα μίγματα πολυπροπυλένιου/πολυπυρρόλης [2, 3]. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα,<br />
τόσο των καθαρών μιγμάτων, όσο και των σύνθετων υλικών, εξαρτάται άμεσα από την μέθοδο παρασκευής των δοκιμίων,<br />
που έχει ως αποτέλεσμα διαφορετική μορφολογία των υπό μελέτη συστημάτων. Η δομή των υλικών επηρεάζεται επίσης σε<br />
μεγάλο βαθμό από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ της πολυμερικής μήτρας και των εγκλεισμάτων.<br />
Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν οι ηλεκτρικές ιδιότητες σύνθετων υλικών, που αποτελούνται από αγώγιμα εγκλείσματα<br />
πολυπυρρόλης (PPy) διασκορπισμένα στο εσωτερικό της ημικρυσταλλικής μήτρας του πολυπροπυλενίου (PP).<br />
Φυλλόμορφος πηλός (μονμοριλονίτης, montmorillonite, ΜΜΤ) με μία από τις διαστάσεις του της τάξης των μερικών nm,<br />
χρησιμοποιήθηκε ως έγκλεισμα στα νανοσύνθετα συστήματα PP/PPy/MMT. Η μελέτη του μηχανισμού αγωγιμότητας και<br />
των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των δοκιμίων έγιναν με βάση τη θεωρία διαφυγής (percolation theory). Όλα τα αποτελέσματα<br />
συσχετίστηκαν με τη δομή και την μορφολογία των δοκιμίων.<br />
Για την παρασκευή των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε ισοτακτικό πολυπροπυλένιο (polypropylene, PP Tatren FF 500,<br />
Slovnaft, Slovakia) και φυλλόμορφος πηλός (montmorillonite, MMT BJ-10, Envigeo, Slovakia). Όλα τα δοκίμια<br />
παρασκευάστηκαν με την μέθοδο του χημικού οξειδωτικού πολυμερισμού (chemical oxidative polymerization) της πυρρόλης<br />
στο αιώρημα του πολυπροπυλενίου (PP) ή του μίγματος πολυπροπυλενίου/μονμοριλονίτη (PP/MMT). Ο κ.β. λόγος PP:MMT<br />
ήταν ίσος με 20:1. Τα νανοσύνθετα δοκίμια περιείχαν 4.8–16.7 % κ.β. PPy. Για σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων<br />
παρασκευάστηκαν και σύνθετα υλικά PP/PPy που περιείχαν το ίδιο ποσοστό PPy.<br />
Τόσο τα σύνθετα, όσο και τα νανοσύνθετα δοκίμια παρασκευάστηκαν με δύο διαφορετικούς τρόπους: (i) μορφοποίηση σε<br />
θερμοπρέσα στους 180 o C για 2 min (κωδικός CL) και (ii) ανάμειξη των συστατικών (στους 190 o C υπό 75 rpm για χρόνο 10<br />
min) ακολουθούμενη από μορφοποίηση σε θερμοπρέσα (κωδικός CB).<br />
Οι ηλεκτρικές και διηλεκτρικές μετρήσεις εναλλασσομένου ηλεκτρικού πεδίου πραγματοποιήθηκαν με τον Αναλυτή<br />
Alpha Dielectric/Impedance Analyzer της Novocontrol (10 -2 – 10 7 Hz), σε συνδυασμό με το σύστημα ελέγχου της<br />
θερμοκρασίας Novocontrol Quatro Cryosystem (123–<br />
303 K).<br />
Αποτελέσματα δομικού χαρακτηρισμού [2, 3] έδειξαν<br />
ότι η τελική μορφολογία των υπό μελέτη υλικών<br />
εξαρτάται από την μέθοδο παρασκευής και<br />
επεξεργασίας των δοκιμίων. Τα δοκίμια που έχουν<br />
παρασκευαστεί με μορφοποίηση σε θερμοπρέσα<br />
(κωδικός CL) εμφανίζουν συσσωμματώματα<br />
πολυπυρρόλης και πολυπυρρόλης/μονμοριλονίτη στα<br />
σύνθετα και νανοσύνθετα συστήματα, αντίστοιχα. Αυτά<br />
τα συσσωμματώματα έχουν ανομοιογενή κατανομή στο<br />
εσωτερικό της μήτρας του πολυπροπυλένιου.<br />
Αντίθετα, τα δοκίμια που έχουν παρασκευαστεί<br />
αρχικά με ανάμειξη των συστατικών και μετά με<br />
μορφοποίηση σε θερμοπρέσα (κωδικός CB), εμφανίζουν<br />
τελείως διαφορετική μορφολογία. Στα σύνθετα υλικά η<br />
φάση της πολυπυρρόλης βρίσκεται, με την μορφή<br />
μικρών νησίδων, ομοιογενώς κατανεμημένη στην μήτρα<br />
του πολυπροπυλένιου. Στα νανοσύνθετα υλικά η<br />
ανάμειξη των συστατικών προκαλεί διάσπαση των<br />
συσσωμματώματων πολυπυρρόλης/μονμοριλονίτη σε<br />
μικρότερα τμήματα και έχει ως τελικό αποτέλεσμα την<br />
πιο ομοιογενή κατανομή των στρωμάτων μονμοριλονίτη<br />
στο εσωτερικό της μήτρας του πολυπροπυλένιου.<br />
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται σχηματικά η μορφολογία<br />
των υπό μελέτη συστημάτων και για τους δύο<br />
διαφορετικούς τρόπους παρασκευής [4]. Είναι εμφανής<br />
η διαφορετική μορφολογία μεταξύ των σύνθετων και<br />
των νανοσύνθετων υλικών που έχουν παρασκευαστεί με διαφορετικό τρόπο.<br />
Σχήμα 1. Σχηματική αναπαράσταση της μορφολογίας των<br />
σύνθετων και νανοσύνθετων συστημάτων που<br />
μελετήθηκαν.<br />
171
Από όλα τα παραπάνω είναι φανερός ο σημαντικός ρόλος που παίζει η μέθοδος παρασκευής των δοκιμίων στη δομή και<br />
την μορφολογία των σύνθετων και νανοσύνθετων συστημάτων. Η προσθήκη της πολυπυρρόλλης και των εγκλεισμάτων<br />
πολυπυρρόλης/μονμοριλονίτη στην μήτρα του πολυπροπυλένιου έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία και την εμφάνιση<br />
διεπιφανειών μεταξύ των διαφορετικών φάσεων. Οι διεπιφάνειες οφείλονται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δύο φάσεων,<br />
δρουν ως πυρήνες κρυστάλλωσης στα υλικά. Επιπλέον καθορίζουν τη χωρική κατανομή (τοπολογία) των εγκλεισμάτων και<br />
τις φυσικές ιδιότητες των δοκιμίων. Συνεπώς, τόσο οι διεπιφάνειες, όσο και η τελική κατανομή των εγκλεισμένων<br />
συσσωμματωμάτων στο εσωτερικό της ημικρυσταλλικής πολυμερικής μήτρας, εξαρτώνται σε σημαντικό βαθμό από την<br />
επιλογή των υλικών και τον τρόπο παρασκευής τους. Διαφορετική μέθοδος παρασκευής οδηγεί σε συστήματα με αισθητά<br />
διαφορετική μορφολογία και ιδιότητες.<br />
Τα αποτελέσματα μετρήσεων της αγωγιμότητας συνεχούς έδειξαν ότι τα σύνθετα συστήματα που έχουν παρασκευαστεί με<br />
την μέθοδο CL έχουν υψηλότερες τιμές της ηλεκτρικής αγωγιμότητας σε σύγκριση με τα δοκίμια που έχουν παρασκευαστεί<br />
με την μέθοδο CB. Βρέθηκε επίσης ότι η προσθήκη μονμοριλονίτη (νανοσύνθετα συστήματα) έχει ως αποτέλεσμα την<br />
περαιτέρω αύξηση των τιμών της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, ιδίως στα δοκίμια με υψηλή περιεκτικότητα σε πολυπυρρόλη.<br />
Η μελέτη της συμπεριφοράς των συστημάτων αυτών περιγράφεται από τη θεωρία διαφυγής (percolation theory). Πιο<br />
συγκεκριμένα βρέθηκε ότι το κατώφλι διαφυγής (percolation threshold) για τα σύνθετα PP/PPy συστήματα που έχουν<br />
παρασκευαστεί με την μέθοδο CL είναι μία τάξη μεγέθους μικρότερο σε σύγκριση με το κατώφλι διαφυγής των σύνθετων<br />
PP/PPy συστημάτων που έχουν παρασκευαστεί με την μέθοδο CB. Είναι επομένως εμφανής η σημασία και η επίδραση που<br />
έχει η μέθοδος παρασκευής στις ηλεκτρικές ιδιότητες των δοκιμίων.<br />
Η μελέτη του μηχανισμού αγωγιμότητας έδειξε ότι τα συστήματα υπακούουν στο πρότυπο του Mott [5], που θεωρεί<br />
κινήσεις των φορέων φορτίου με άλματα μεταβλητής κλίμακας (variable range hopping, VRH). Η εξάρτηση της<br />
αγωγιμότητας συνεχούς από τη θερμοκρασία δίνεται από την εξίσωση 1:<br />
⎡<br />
− 2 ⎛ T ⎞<br />
= Κ ⋅ Τ<br />
1/<br />
0<br />
0<br />
⋅ exp⎢−<br />
⎜ ⎟<br />
⎢⎣<br />
⎝ T ⎠<br />
1/ 4<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
σ (1)<br />
Από την προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων στην εξίσωση (1) υπολογίζεται η απόσταση των αλμάτων των φορέων<br />
φορτίου στους 300 Κ (R) και η αντίστοιχη ενέργεια ενεργοποίησης (w). Ενδεικτικές τιμές των μεγεθών αυτών, για το το<br />
σύνθετο δοκίμιο PP/16.7PPy, είναι: R= 1.54 nm, και w= 1.20×10 -2 eV, αντίστοιχα.<br />
[1] Omastová M., Pionteck J., Košina S., Eur. Polym. J. 32 (1996) 681.<br />
[2] Omastová Μ., Mravčáková M., Pionteck J., Häussler L., Chodák I., Polym. Eng. Sci. 46 (2006) 1069.<br />
[3] Mravčáková M., Omastová M., Pötschke P., Pozsgay A., Pukánszky B., Pionteck J., Polym. Adv. Technol. 17 (2006) 715.<br />
[4] Kripotou S., Apekis L., Rapti Ch., Vartzeli-Nikaki K., Pissis P., Mravčáková M., Omastová M., Int. J. Polym. Mater. 56<br />
(2007) 865.<br />
[5] Mott N.F., Electronic processes in noncrystalline materials, Oxford University Press, London, 1979.<br />
Η παρούσα εργασία ενισχύθηκε οικονομικά από το κοινό ερευνητικό και τεχνολογικό πρόγραμμα μεταξύ Ελλάδας–<br />
Σλοβακίας: ‘‘Αγώγιμα νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά: επίδραση της κατεργασίας στις ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητές<br />
τους’’ της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Τεχνολογίας (ΓΓΕΤ).<br />
172
Νανοϋβρίδια Πολυμερούς – Ανοργάνου : Μελέτη Δομής και Δυναμικής<br />
σε Περιορισμένη Γεωμετρία<br />
Σ. Φωτιάδου 1* , Κ. Χρυσοπούλου 2 , Σ. Χ. Αναστασιάδης 1,2 , Κ. Ανδρικόπουλος 3 , Δ. Χριστόφιλος 3 , Γ. Κουρούκλης 3 , Β. Frick 4<br />
1 Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 54124 Θεσσαλονίκη<br />
2<br />
Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Laser, Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας, 71110, Ηράκλειο Κρήτης<br />
3 Γενικό Τμήμα Πολυτεχνικής Σχολής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 54124, Θεσσαλονίκη<br />
4 Institute Laue – Langevin, F38042, Grenoble, France<br />
*sapfo@auth.gr<br />
Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της δομής και δυναμικής νανοσύνθετων υλικών πολυμερούς /<br />
πολυστρωματικών πυριτιούχων πηλών. Από την ανάμειξη πολυμερών με πολυστρωματικούς πυριτιούχους πηλούς και<br />
ανάλογα με τις αλληλεπιδράσεις των πολυμερικών αλυσίδων με το ανόργανο υλικό, είναι δυνατόν να προκύψουν τρεις<br />
διαφορετικές νανοδομές: η φασικά διαχωρισμένη (phase separated) στην οποία τα δύο συστατικά δεν είναι αναμείξιμα, η<br />
δομή παρεμβολής (intercalated) στην οποία οι πολυμερικές αλυσίδες παρεμβάλλονται ανάμεσα στα στρώματα του πηλού<br />
σχηματίζοντας πολυμερικά υμένια πάχους 0.8-2.5nm και η διεσπαρμένη δομή (exfoliated) στην οποία η στρωματική δομή<br />
του πηλού καταστρέφεται και τα στρώματα του ανόργανου υλικού διασπείρονται στην πολυμερική μήτρα [1]. Τα υλικά αυτά<br />
παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφ’ενός λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων που τα καθιστούν κατάλληλα για αρκετές<br />
τεχνολογικές εφαρμογές, και αφ’ετέρου λόγω του γεγονότος ότι οι δομές παρεμβολής συγκεκριμένα προσφέρουν τη<br />
δυνατότητα μελέτης της επίδρασης του ισχυρού περιορισμού στη μορφολογία και στη δυναμική των πολυμερικών αλυσίδων,<br />
χρησιμοποιώντας συμβατικές αναλυτικές τεχνικές σε μακροσκοπικά δείγματα [2]. Στην παρούσα εργασία παρασκευάστηκαν<br />
νανοσύνθετα υβρίδια PEO/Na + -MMT και PHEGMA/Na + -MMT και μελετήθηκε η δομή και η δυναμική τους με Περίθλαση<br />
Ακτίνων Χ, Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης, Φασματοσκοπία Raman και Οιωνεί Ελαστική Σκέδαση Νετρονίων.<br />
Το ανόργανο υλικό που χρησιμοποιήθηκε είναι ο φυσικός μοντμοριλλονίτης νατρίου (Na + -MMT) ο οποίος<br />
αναμείχθηκε με ένα υδρόφιλο, κρυσταλλικό πολυμερές, το πολυ(αιθυλενοξείδιο), PEO, (M n =100000, Τ g =-67°C, T m =65°C)<br />
και ένα υδρόφιλο, άμορφο πολυμερές ο πολυ(μεθακρυλικός εστέρας της εξα(αιθυλενογλυκόλης)) PHEGMA (M n =6100, Τ g =-<br />
60°C). Και για τις δύο περιπτώσεις παρασκευάστηκαν δειγμάτα στα οποία η συγκέντρωση του πολυμερούς μεταβαλλόταν<br />
από 0 - 100% έτσι ώστε να μελετηθεί η επίδραση της σύστασης στην τελική δομή. Η παρασκευή των δειγμάτων έγινε με<br />
ανάμειξη είτε από διαλύμα είτε από τήγμα. H δομή των νανοϋβριδίων μελετήθηκε με Περίθλαση Ακτίνων Χ (XRD) και<br />
Φασματοσκοπία Raman (RS), η θερμική τους συμπεριφορά με Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC), ενώ για τη<br />
μελέτη της δυναμικής των δειγμάτων, πραγματοποιήθηκαν πειράματα ασύμφωνης, οιωνεί ελαστικής σκέδασης νετρονίων<br />
(QENS) στο φασματόμετρο οπισθοσκέδασης ΙΝ16 του ILL στη Γαλλία.<br />
Στο Σχήμα 1 φαίνονται μετρήσεις XRD για τα νανοσύνθετα υλικά PEO/Na + MMT διαφορετικών συστάσεων οι οποίες<br />
δείχνουν ότι όταν η συγκέντρωση του PEO είναι μικρότερη από 30% κ.β., οι πολυμερικές αλυσίδες σχηματίζουν<br />
μονοστιβάδες (2θ=6.6 o →d 001 =13.4Å) ή διπλοστιβάδες (2θ=4.8→d 001 =18.4Å) στις γαλαρίες του ανόργανου υλικού, ενώ<br />
περαιτέρω αύξηση της συγκέντρωσης του PEO οδηγεί στην ύπαρξη αποκλειστικά διπλοστιβάδων [3]. Επιπλέον σε<br />
συγκεντρώσεις μικρότερες του 70% κ.β., η απουσία των κορυφών που αντιστοιχούν στην κρυσταλλική φάση του PEO στα<br />
διαγράμματα XRD, σε συνδυασμό με την απουσία της ενδόθερμης μετάβασης που αντιστοιχεί στην τήξη του πολυμερούς<br />
στο διάγραμμα του DSC, αλλά και την ύπαρξη ευρείων κορυφών στο φάσμα Raman (Σχήμα 2) αποκαλύπτουν ότι οι<br />
παρεμβαλλόμενες αλυσίδες του PEO βρίσκονται σε άμορφη κατάσταση. Όταν η συγκέντρωση του πολυμερούς γίνει<br />
μεγαλύτερη από 70% κ.β., το PEO που βρίσκεται έξω από τις πλέον γεμάτες γαλαρίες κρυσταλλώνεται.<br />
Intensity (a.u.)<br />
10 7<br />
10 6<br />
PEO content<br />
10 5<br />
100%<br />
10 4<br />
95%<br />
10 3<br />
90%<br />
80%<br />
10 2<br />
70%<br />
50%<br />
10 1<br />
40%<br />
10 0<br />
30%<br />
20%<br />
10 -1<br />
10%<br />
10 -2<br />
5%<br />
10 -3<br />
0%<br />
10 -4<br />
0 5 10 15 20 25 30 35<br />
2q ( o )<br />
Σχήμα 1. Φάσματα περίθλασης<br />
ακτίνων Χ νανοσύνθετων υλικών<br />
PEO/Na + -MMT.<br />
Relative Intensity<br />
PEO - melt<br />
(75 o C)<br />
30% PEO - 70% Na + -MMT<br />
PEO - crystal<br />
0 500 1000 1500 3000 3500<br />
Raman Shift [cm -1 ]<br />
Σχήμα 2. Διάγραμμα RS για το PEO<br />
(κρυσταλλικό & τήγμα) και για το<br />
νανοϋβρίδιο 30%PEO/70%Na + -MMT.<br />
Intensity (a.u.)<br />
PHEGMA<br />
10 8<br />
d=18A<br />
content<br />
100%<br />
10 7<br />
90%<br />
10 6<br />
70%<br />
10 5<br />
50%<br />
30%<br />
10 4<br />
20%<br />
10 3<br />
10%<br />
5%<br />
10 2 d=11A<br />
0%<br />
10 9 after annealing at 95 0 C for 2days<br />
10 1<br />
0 5 10 15 20 25 30 35<br />
2θ ( o )<br />
Σχήμα 3. Διάγραμμα XRD για τα<br />
δείγματα PHEGMA/Na + -MMT μετά<br />
από θέρμανση στους 95 ο C για 2ημερες.<br />
173
Το PHEGMA είναι άμορφο πολυμερές και σχηματίζει δομή παρεμβολής με τις αλυσίδες του να περιορίζονται σε<br />
χώρο ~7Ǻ. Στο σύστημα αυτό, η μέθοδος παρασκευής φαίνεται να επηρεάζει την τελική δομή. Όταν η παρασκευή γίνεται με<br />
τη μεθοδο της ανάμειξης από τήγμα, σχηματίζεται δομή παρεμβολής με διαστρωματική απόσταση d 001 =18Ǻ. Αντίθετα, όταν<br />
χρησιμοποιείται η μέθοδος της ανάμειξης μέσω διαλύματος, η διαστρωματική απόσταση του σύνθετου υλικού αυξάνει με<br />
αύξηση της συγκέντρωσης του πολυμερούς. Χρειάζεται θέρμανση στους 95 ο C για 2ημέρες, ώστε όλα τα δείγματα να<br />
αποκτήσουν κοινή διαστρωματική απόσταση, ανεξάρτητα από τη σύστασή τους και συγκεκριμένα ίδια με την τιμή που<br />
προκύπτει από τη μέθοδο της ανάμειξης μέσω τήγματος (Σχήμα 3) [4].<br />
Καθώς στο σύστημα αυτό, τόσο οι περιορισμένες αλυσίδες όσο και αυτές του καθαρού πολυμερούς είναι σε<br />
άμορφη κατάσταση, η σύγκριση της δυναμικής [4] είναι περισσότερο πρέπουσα απ’ότι στην περίπτωση του PEO [5]. Στο<br />
Σχήμα 4 φαίνεται η θερμοκρασιακή εξάρτηση της ελαστικά σκεδαζόμενης έντασης για το ανόργανο υλικό, το πολυμερές και<br />
το σύνθετο νανοϋβρίδιο με σύσταση 30% PHEGMA / 70% Na+-MMT για τα διάφορα διανύσματα σκέδασης. Τα<br />
αποτελέσματα για το ανόργανο υλικό δείχνουν ότι υπάρχει μόνο μια μικρή πτώση της έντασης σε θερμοκρασία που<br />
αντιστοιχεί στη θερμοκρασία τήξης του νερού. Η ένταση για το πολυμερές είναι σχεδόν σταθερή για θερμοκρασίες<br />
μικρότερες από τη θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης (Tg=220K) και παρουσιάζει μια απότομη πτώση μέχρι το μηδέν<br />
στους επόμενους 100οC. Το σύνθετο υλικό, τέλος, παρουσιάζει μια συνεχή πτώση της έντασης που ξεκινά από<br />
θερμοκρασίες χαμηλότερες από το Tg του πολυμερούς, γεγονός που υποδηλώνει αφενός την ύπαρξη δυναμικής σε<br />
θερμοκρασίες που το καθαρό πολυμερές είναι ακόμα ακίνητο και αφετέρου δυναμική σε θερμοκρασίες που η δυναμική του<br />
καθαρού πολυμερούς είναι πολύ γρήγορη και ξεφεύγει από τα όρια της τεχνικής. Τα ανωτέρω φαίνονται καλύτερα στην<br />
εξάρτηση από την θερμοκρασία της μέσης τετραγωνικής μετατόπισης (msd), η οποία υπολογίζεται από τη σχέση<br />
Ι = Ι ο exp(-q 2 /6 ) (Σχήμα 5).<br />
S(q)<br />
S(q)<br />
S(q)<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
Na + -MMT<br />
0.0<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
PHEGMA<br />
0.0<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
30% PHEGMA/70% Na + -MMT<br />
0.0<br />
0 50 100 150 200 250 300 350<br />
Temperature (K)<br />
Σχήμα 4. Ελαστικά σκεδαζόμενη ένταση για το<br />
ανόργανο υλικό, το καθαρό PHEGMA και το σύνθετο<br />
PHEGMA/MMT<br />
q<br />
q<br />
q<br />
(Å 2 )<br />
6<br />
PHEGMA<br />
30% PHEGMA<br />
5<br />
Silicate<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
T g<br />
-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400<br />
Temperature (K)<br />
Σχήμα 5. Τιμές της μέσης τετραγωνικής μετατόπισης<br />
για το ανόργανο υλικό, το PHEGMA και το<br />
νανοσύνθετο υλικό σε συνάρτηση με την θερμοκρασία.<br />
Η μέτρηση του ασύμφωνου παράγοντα δομής S(q,ω) για το πολυμερές, τον πηλό και το σύνθετο υλικό σε διαφορετικές<br />
θερμοκρασίες, για διάνυσμα σκέδασης q=1.29Ǻ -1 , δείχνει αρκετά διαφορετική θερμοκρασιακή εξάρτηση. Για την περίπτωση<br />
του καθαρού PHEGMA, ο παράγοντας δομής περιέχει μια ελαστική συνεισφορά που μειώνεται έντονα με τη θερμοκρασία<br />
και ένα οιωνεί-ελαστικό τμήμα, του οποίου η δυναμική επιταχύνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Η δυναμική αυτή<br />
αποδίδεται στην τοπική κίνηση που εμφανίζεται σε θερμοκρασίες υψηλότερες από το T g του πολυμερούς. Τέλος, ο<br />
ασύμφωνος παράγοντας σκέδασης για το σύνθετο υλικό παρουσιάζει μια ασθενέστερη θερμοκρασιακή εξάρτηση, ενώ<br />
ταυτόχρονα οι χρόνοι χαλάρωσης παρουσιάζουν επίσης ασθενέστερη εξάρτηση από το διάνυσμα σκέδασης σε σχέση με το<br />
καθαρό PHEGMA.<br />
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ<br />
[1] Giannelis E. P., Krishnamoorti R., Manias E., Adv. Polym. Sci. 138 :107 (1999)<br />
[2] Vaia R. A., Vasudevan S., Krawiec W., Scanlon L. G., Giannelis E. P. Adv. Mater. 7:154 (1995)<br />
[3] Elmahdy M. M.,Chrissopoulou K.,Afratis A., Floudas G., Anastasiadis S. H., Macromolecules 39:5170 (2006)<br />
[4] Fotiadou S., Chrissopoulou K., Anastasiadis S. H, Frick, B., in preparation (2007)<br />
[5] Chrissopoulou et.al. European Physics J, Special Topics, 141:267 (2007)<br />
Ευχαριστίες: Μέρος της εργασίας επιχορηγήθηκε από την Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας (Πρόγραμμα<br />
ΠΑΒΕΤ 05PAB96, Πρόγραμμα ΠΕΝΕΔ 03ΕΔ581) και την Ευρωπαϊκή Ένωση (Πρόγραμμα STREP NMP3-CT-2005-<br />
506621)<br />
174
Hybrid Materials from Giant Compound Block Copolymer Micelles Encapsulating Gold<br />
Nanoparticles<br />
Chris Mantzaridis 1 , Stergios Pispas 1<br />
1 Theoretical and Physical Chemistry Institute, National Hellenic Research Foundation, 48 Vass. Constantinou Ave., 11635<br />
Athens, Greece<br />
*xmantzar@eie.gr<br />
In the past few years a growing attention has been given to nanostructured materials. The key factor which evoked<br />
this attention was the fact that in the nano scale (1-100 nm) new properties can be present. These properties exhibit an strong<br />
dependency on the size of a certain structural unit.The main phenomena that evolve in the case of semiconductor/metal<br />
nanoparticles is the plasmon resonance absorption band. The search for new materials involving semiconductor/metal<br />
nanoparticles and polymers still continues. Such hybrid materials combine the optical properties of the inorganic component<br />
and the mechanical properties of the polymeric component and can be found in a variety of nanostructures that are introduced<br />
due to the nanophase separation in block copolymer systems.<br />
In the first part of the current work the micelles of a diblock copolymer poly(styrene-b-2-vinyl pyridine) (PS-<br />
P2VP) were used as a nanoreactor for the creation of gold nanoparticles. In the second step the micelles containing gold<br />
nanoparticles were encapsulated inside the core of the micelles of another diblock copolymer poly(styrene-b-isoprene) which<br />
was diluted in n-heptane. In this solvent the copolymer creates micelles with a core of polystyrene and a corona of<br />
polyisoprene. The fact that the core of the micelles is polystrene allowed us to insert the compound material inside the core,<br />
due to the affinity with the corona of the first micelles that is polystyrene also. In sheme 1 the overall experimental procedure<br />
is depicted. The creation of such novel nanostructures was stidied in solution and in balk state by static and dynamic light<br />
scattering, UV visible spectroscopy and electron microscopy. The results of the methods showed the succesful synthesis of<br />
the designed materials.<br />
175
PS<br />
HAuCl 4<br />
P2VP<br />
Ion loading<br />
PSP2VP micelles<br />
in toluene<br />
PSP2VP micelles<br />
loaded with Au ions<br />
PS<br />
PI<br />
NH 2 4<br />
Reduction<br />
C o disso lu tio n in tolue ne<br />
PSP2VP micelles<br />
loaded with Au<br />
nanoparticles<br />
Solvent<br />
evaporation<br />
Redissolution<br />
in heptane<br />
Giant hybrid compound block copolymer<br />
micelles in heptane<br />
Sheme 1: Schematic showing the procedure for the creation of large compound block copolymer micelles encapsulating gold<br />
nanoparticles.<br />
176
Nonlinear Optical Response of Hybrid Block Copolymer Micelles<br />
Encapsulating Metal Nanoparticles<br />
Meristoudi A. 1 , Pispas S. 1 , Vainos N. 1,2 , Iliopoulos K. 3,4 , Couris S. 3,4<br />
1 Theoretical and Physical Chemistry Institute, National Hellenic Research Foundation,<br />
48Vass. Constantinou Ave., Athens 11635, Greece<br />
2 University of Patras, Materials science Department, Patras 26504, Greece<br />
3 Institute of Chemical Engineering and High Temperature Chemical Processes, Foundation for Research and Technology-<br />
Hellas, P.O. Box 1414, Patras 26504, Greece<br />
4 University of Patras, Department of Physics, Patras 26504, Greece<br />
*amerist@eie.gr<br />
Research on metallic nanoparticles incorporated into polymer matrixes has attracted immense attention since these materials<br />
exhibit in general fascinating properties, and in particular large third-order nonlinear optical properties [1]. The synthesis and<br />
spectroscopic characterisation of such materials is reported in this work.<br />
The preparation of the block copolymer based hybrid organic-inorganic materials occurs in solution, using a<br />
selective solvent for one of the polymer’s blocks causing the formation of micelles, which are then loaded by the addition of<br />
various amounts of salt precursors containing the metal cations. The salts are preferentially dissolved into the micelles’ core<br />
due to the polar environment. Addition of a reducing agent, such as hydrazine, causes the reduction of the cations to metal<br />
nanoparticles [2]. The nonlinear optical response of both bulk solutions and thin films of composite materials obtained by<br />
spin coating is investigated here.<br />
Poly(isoprene-b-acrylic acid) block copolymers (PI-PAA) were synthesized by anionic polymerization and post<br />
polymerization hydrolysis. The particular block copolymers form micelles in THF with poly(acrylic acid) cores and<br />
poly(isoprene) coronas, which can be used as nanoreactors for the templated synthesis of Ag and Au nanoparticles from salt<br />
precursors, via chemical reduction. Poly(styrene-b-2-vynilpyridine) block copolymers (PS-P2VP) were also synthsized by<br />
anionic polymerization through sequential addition of monomers. In this case, no post-polymerization functionalization was<br />
performed since the pyridine groups of the P2VP block can interact directly with metal precursors, especially with HAuCl 4 ,<br />
due to the coordination ability of the nitrogen in the pyridine ring.<br />
Micellization<br />
Nanosized<br />
micelles<br />
+ 5+<br />
Metal loading (Ag , Au )<br />
Reduction<br />
Metal loaded<br />
micelles<br />
Nanoparticle<br />
loaded micelles<br />
Evaporation<br />
of solvent<br />
Nanostructured hybrid films<br />
: coordinating block : Metal ions<br />
: “sensing” block<br />
: Metal nanoparticles<br />
Scheme 1. Synthetic protocol for in situ preparation of Ag and Au nanoparticles in block<br />
copolymer solutions in selective solvents<br />
The micellization and metal loading of the block copolymers was monitored by dynamic light scattering (DLS) [3,<br />
4] and IR spectroscopy. Further spectroscopic characterization was performed by UV-vis spectroscopy, transmission electron<br />
microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM).<br />
177
The nonlinear optical response of Ag and Au nanoparticles encapsulated in hybrid block copolymer micelles was<br />
investigated by means of the Optical Kerr Effect (OKE) [5] and the Z-scan techniques [6]. The OKE technique provided the<br />
Reχ (3) values of the samples, as well as its temporal evolution, whereas the Z-scan technique allowed the simultaneous<br />
investigation of both the magnitude and the sign of the real and imaginary parts of the third-order susceptibility χ (3) (i.e.<br />
Reχ (3) , Imχ (3) respectively). For the needs of these studies a mode locked Nd:YAG laser was employed, delivering 35 ps laser<br />
pulses at 532 nm. A variety of systems with different polymers, encapsulating the metal nanoparticles, as well as with<br />
different polymer/metal ratios were systematically investigated. Moreover, in the case of solutions, the dependence of the<br />
nanoparticles concentration in the corresponding solvent (e.g. THF, toluene) on the nonlinear optical properties was also<br />
examined.<br />
All studied samples were found to exhibit very large nonlinear optical response (order of χ (3) , 10 -13 esu). This fact<br />
can be attributed not only to the large inherent third-order nonlinear optical response of the metal nanoparticles, but also to<br />
the surface plasmon resonance (SPR) feature, which is characteristic of such systems, where the metal nanoparticles are not<br />
allowed to aggregate and form “macroscopic-scale” clusters. In the case of solutions this is feasible by using a polymer,<br />
whereas in the case of films, thin layer construction, followed by post-treatment (e.g. annealing) ensures that the percolation<br />
threshold is not exceeded and as a result the surface plasmon resonance will be present. The presence of the SPR in principle<br />
can increase the nonlinear optical response of the sample by enhancing the local electric field at the vicinity of the<br />
nanoparticles with the surrounding dielectric. During the present work it was found that increasing the polymer/metal ratio<br />
resulted in decrease of the nonlinear optical response (scheme 2). Moreover, very good linear dependence of the Reχ (3) values<br />
on the metal nanoparticles concentration in the solvent was found, as theoretically predicted [7].<br />
The large third-order nonlinear optical response of these nanoparticle systems, combined with the fact that<br />
changing preparation parameters, as well as applying post-treatment can affect the nonlinear optical response makes them<br />
very promising candidates for a variety of photonic applications in optical telecommunications, optical computing, optical<br />
data storage, information processing, etc.<br />
2,5 PS:Ag 2:1<br />
PS:Ag 4:1<br />
2,0<br />
χ (3) (10 -13 esu)<br />
1,5<br />
1,0<br />
0,5<br />
0,0<br />
0 2 4 6 8 10<br />
Concentration (mM)<br />
Scheme2. χ (3) as a function of the nanoparticles concentration. It is obvious that increase of the<br />
polymer/metal ratio decreases the nonlinear optical response<br />
References<br />
[1] R.Shenhar, T.B.Norsten, V.M.Rotello, Adv.Mater.2005, 17, No 6<br />
[2] J.Li, L. Shi, Y.An, Y. Li, X.Chen, H.Dong, Polymer 2006, 47, 8480-8487<br />
[3] S.Mössmer, J.Spatz, M.Möller, T.Aderle, J.Scmidt, W.Burchard, Macromolecules 2000, 33, 4791-4798<br />
[4] M.Vamvakaki, D.Palioura, A.Spyros, P.Armes, S.H.Anastasiadis, Macromolecules 2006, 39, 5106-5112<br />
[5] P. Ho, R.R. Alfano, Phys. Rev. A, 1979, 20, 2170-2187<br />
[6] M. Sheik-Bahae, A. Said, T. Wei, D. Hagan, E.V. Stryland, IEEE J. Quantum Electron. 1990, 26, 760-769<br />
[7] E. Koudoumas, M. Konstantaki, A. Mavromanolakis, X. Michaut, S. Couris, S. Leach, J. Phys. B: At. Mol. Opt.<br />
Phys., 2001, 34, 1-14<br />
178
Μελέτη του Μηχανισµού Θερµικής ∆ιάσπασης του πολυ(τερεφθαλικού αιθυλενεστέρα)<br />
(ΡΕΤ) Ενισχυµένου µε Νανοσωµατίδια SiO 2<br />
Γ. Αντωνιάδης 1 , Κ. Χρυσάφης 1* , Κ. Μ. Παρασκευόπουλος 1 , A. Βασιλείου 2 και ∆. Μπικιάρης 2<br />
1<br />
Τµήµα Φυσικής, Τοµέας Φυσική Στερεάς Κατάστασης, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, GR 54124<br />
Θεσσαλονίκη, Ελλάς<br />
2<br />
Τµήµα Χηµείας, Εργαστήριο Οργανικής Χηµικής Τεχνολογίας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, GR 54124<br />
Θεσσαλονίκη, Ελλάς.<br />
*E-mail: hrisafis@physics.auth.gr<br />
Εισαγωγή. Ο πολυ(τερεφθαλικός αιθυλενεστερας) [Poly(ethylene terephthalate) (PET)] χρησιµοποιείται ευρέως<br />
σαν υλικό συσκευασίας για νερό, χυµούς και κυρίως για µη αλκοολούχα ανθρακούχα ποτά. Η πλήρωση των φιαλών µε τα<br />
τελευταία απαιτεί υψηλή πίεση του CO 2 , µέχρι 0,4 MPa. Επειδή όµως τα τοιχώµατα του PET είναι διαπερατά από το CO 2<br />
αυτό διαφεύγει µειώνοντας το χρόνο ζωής του προϊόντος. Η προσθήκη νανοσωµατιδίων συνήθως ενισχύει τις ιδιότητες<br />
συγκράτησης αερίου µιας πολυµερούς µήτρας. Πρόσφατα αναφέρθηκε η προσθήκη SiO 2 σε PET καταλληλο για φιάλες<br />
ανθρακούχων ποτών για την ενίσχυση των µηχανικών του ιδιοτήτων [1]. Στη βιβλιογραφία για την κινητική µελέτη της<br />
θερµικής διάσπασης του ΡΕΤ παρουσιάζονται αρκετά διαφορετικές τιµές για την Ενέργεια Ενεργοποίησης που πιθανόν να<br />
οφείλονται στη φύση των υλικών που µελετήθηκαν αλλά και στις διαφορετικές µεθόδους υπολογισµού [2-6]. Αντίστοιχη<br />
ασάφεια εµφανίζεται και στη φύση των µηχανισµών που συνήθως χρησιµοποιούνται. Στη περίπτωση των νανοπρόσθετων µε<br />
SiO 2 ελάχιστα στοιχεία για την κινητική µελέτη της διάσπασης υπάρχουν [7, 8]. Ο σκοπός αυτής της εργασίας είναι η µελέτη<br />
της θερµικής σταθερότητας του ΡΕΤ µετά την προσθήκη νανοσωµατιδίων SiO 2 και η κινητική µελέτη των παραχθέντων<br />
υλικών.<br />
Πειραµατικό µέρος. Το PET παρασκευάσθηκε µε τη µέθοδο πολυσυµπύκνωσης τήγµατος δύο σταδίων. Σ’ αυτό<br />
προστέθηκε, το SiO 2 σε συγκεντρώσεις 1, 2, 3, 4 και 5% w/w, σε αδρανή ατµόσφαιρα αργού (50mL/min), στους 280 ο C και<br />
αναδεύτηκε για 20 min, προκειµένου να επιτευχθεί οµοιογενής διασπορά του SiO 2 στο τήγµα του PET. Όλα τα δείγµατα<br />
πολυεστέρα, που είχαν λευκό χρώµα, αλέστηκαν σε µύλο άλεσης, πλύθηκαν µε τη µεθανόλη, και ξηράθηκαν στους 50 ο C για<br />
24 ώρες σε φούρνο κενού. Οι µετρήσεις Θερµοβαρυµετρίας έγιναν µε ένα όργανο της εταιρίας SETARAM (Set-Sys TG-<br />
DTA) από τη θερµοκρασία περιβάλλοντος µέχρι τους 600 o C και ταχύτητες θέρµανσης 5, 10, 15 και 20 o C/min.<br />
Αποτελέσµατα-Συζήτηση. Στο σχήµα 1 παρουσιάζονται οι µεταβολές της µάζας (%) και της παραγώγου της<br />
µάζας του PET ως προς τη θερµοκρασία, µε ρυθµό θέρµανσης 10 o C/min. Στο σχήµα φαίνεται ότι το PET παρουσιάζει<br />
αρκετά καλή θερµική σταθερότητα, αφού για ρυθµό θέρµανσης 10 ο C/min, µέχρι τους 350 ο C διασπάσθηκε περίπου το 1,2 %<br />
της µάζας του δείγµατος. Μετά από αυτήν την θερµοκρασία αποσυντίθεται γρήγορα και χάνει περισσότερο από το 80 % της<br />
αρχικής µάζας του κοντά στους 500 ο C. Από την κορυφή της πρώτης παραγώγου βρέθηκε ότι η θερµοκρασία στην οποία ο<br />
ρυθµός αποσύνθεσης του PET γίνεται υψηλότερος, είναι η Τp=436,3 ο C (σχήµα 1). Η εισαγωγή του SiO 2 στο ΡΕΤ έχει σαν<br />
αποτέλεσµα να αυξάνει το ποσοστό του υπολείµµατος στο βαθµό που το SiO 2 δεν διασπάται στη περιοχή αυτή των<br />
θερµοκρασιών.<br />
Μάζα (%)<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
300 400 500 600<br />
Θερµοκρασία ( o C)<br />
0,0<br />
-0,2<br />
-0,4<br />
-0,6<br />
-0,8<br />
-1,0<br />
-1,2<br />
Παράγωγος Μάζας<br />
Ενέργεια Ενεργοποίησης (J/mol)<br />
280<br />
260<br />
240<br />
220<br />
200<br />
PET-Ozawa<br />
PET-Friedman<br />
PET/SiO 2 -Ozawa<br />
PET/SiO 2 -Friedman<br />
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0<br />
Βαθµός Μετατροπής<br />
Σχήµα 1. Μεταβολή της µάζας (%) και ρυθµός<br />
µεταβολής της µάζας ως προς τη θερµοκρασία, µε ρυθµό<br />
θέρµανσης β=10 0 C/min, για το PET.<br />
Σχήµα 2. Εξάρτηση της ενέργειας ενεργοποίησης (E)<br />
από το βαθµό µετατροπής (α)<br />
Η ενέργεια ενεργοποίησης (Ε α ) υπολογίσθηκε µε τις ισοµετατροπικές µεθόδους O.F.W., Friedman καθώς και τη<br />
µέθοδο Kissinger, σε πειραµατικά δεδοµένα που λήφθηκαν µε διαφορετικούς ρυθµούς θέρµανσης. Στο σχήµα 2 φαίνεται η<br />
µεταβολή της Ε ως προς το ποσοστό αποικοδόµησης της µάζας (α) για το ΡΕΤ και για µια από τις στοιχειοµετρίες µε<br />
179<br />
1
νανοσωµατίδια. Όπως µπορούµε να παρατηρήσουµε η Ε αυξάνεται µε την αύξηση του α. Οι τιµές που προέκυψαν από τον<br />
υπολογισµό µε τις δύο µεθόδους OFW και Friedman έχουν την ίδια αυξητική τάση και µεταβάλλονται περίπου στην ίδια<br />
περιοχή τιµών. Το γεγονός ότι η Ε δεν µεταβάλλεται σηµαντικά σε σχέση µε το α (σχήµα 2) αποτελεί ένδειξη ότι η θερµική<br />
διάσπαση του PET και των νανοσύνθετων µε SiO 2 µπορεί να περιγραφή κινητικά µε τη χρήση ενός µόνο µηχανισµού. Η<br />
τιµή της Ε όπως υπολογίστηκε µε τη µέθοδο Kissinger είναι 257,5 kJ/mol και αντιστοιχεί στις υψηλότερες τιµές του βαθµού<br />
α. Οι τιµές που υπολογίστηκαν µε τις µεθόδους αυτές είναι ανάλογες µε τιµές που υπάρχουν στη βιβλιογραφία.<br />
100<br />
100<br />
Μάζα (%)<br />
80<br />
60<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
Μάζα (%)<br />
80<br />
60<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
40<br />
40<br />
20<br />
300 350 400 450 500<br />
Θερµοκρασία ( o C)<br />
Σχήµα 3. Πειραµατικά δεδοµένα και καµπύλες<br />
προσαρµογής για αντίδραση ενός µηχανισµού, για όλους<br />
τους ρυθµούς θέρµανσης, για το PET.<br />
20<br />
300 350 400 450 500<br />
Θερµοκρασία ( o C)<br />
Σχήµα 4. Πειραµατικά δεδοµένα και καµπύλες<br />
προσαρµογής για αντίδραση ενός µηχανισµού, για όλους<br />
τους ρυθµούς θέρµανσης, για το PET-2%SiO 2 .<br />
Προκειµένου να προσδιορισθεί πλήρως ο µηχανισµός της θερµικής διάσπασης του PET και των νανοσύνθετων υλικών<br />
πρέπει να υπολογιστούν οι κινητικές παράµετροι (ενέργεια ενεργοποίησης Ε και προεκθετικός παράγοντας Α) και η<br />
συνάρτηση µετατροπής f(α). Για τον προσδιορισµό της συνάρτησης µετατροπής χρησιµοποιήσαµε τη µέθοδο «προσαρµογής<br />
µοντέλου» η οποία δεν προϋποθέτει την γνώση της συνάρτησης f(α) εκ των προτέρων για να υπολογιστεί το Ε και το Α.<br />
Σύµφωνα µε τη βιβλιογραφία [2, 3] για τη κινητική περιγραφή της διάσπασης του ΡΕΤ χρησιµοποιήθηκαν µηχανισµός<br />
πρώτης ή νιοστής τάξης και µε βάσει αυτούς υπολογίστηκε η ενέργεια ενεργοποίησης. Επίσης για τη βελτίωση της<br />
ταυτοποίησης µε τους µηχανισµούς αυτούς χρησιµοποιήθηκαν διάφορες µέθοδοι βελτιστοποίησης της ταυτοποίησης [4-6].<br />
Με τη µέθοδο προσαρµογής µοντέλου ελέγχθηκε η δυνατότητα ταυτοποίησης των πειραµατικών δεδοµένων, για τη περιοχή<br />
θερµοκρασιών περίπου µέχρι τους 500 ο C, µε τη βοήθεια 16 διαφορετικών συναρτήσεων f(α). Από τα αποτελέσµατα<br />
προέκυψε ότι η καλύτερη ταυτοποίηση µπορεί να επιτευχθεί µε ένα µηχανισµό αυτοκατάλυσης ν-στης τάξης: f(α)=(1-<br />
α) n (1+Kx), όπου α είναι το ποσοστό αποικοδόµησης της µάζας, n η τάξη της αντίδρασης, x το προϊόν που καταλύει και K η<br />
σταθερά κατάλυσης. Η προσαρµογή στα πειραµατικά δεδοµένα είναι πολύ καλή σε ολόκληρη την περιοχή τιµών του α τόσο<br />
για το ΡΕΤ όσο και για το δείγµα µε 2% SiO 2 . Οι τιµές που υπολογίστηκαν για το ΡΕΤ είναι: ενέργεια ενεργοποίησης<br />
E=223,5 kJ/mol, ο προεκθετικός παράγοντας lnA=14,1 sec -1 , n=1,5 και lnΚ=0,72 και αντίστοιχα για το PET-2%SiO 2<br />
ενέργεια ενεργοποίησης E=218,2 kJ/mol, ο προεκθετικός παράγοντας lnA=13,7 sec -1 , n=1,46 και lnΚ=0,67. Όπως φαίνεται<br />
από τα αποτελέσµατα αυτά οι τιµή της ενέργειας ενεργοποίησης που υπολογίστηκε για το µηχανισµό αυτό είναι στη περιοχή<br />
τιµών που υπολογίστηκαν ανεξάρτητα µε τις ισοµετατροπικές µεθόδους και για τα δύο υλικά.<br />
Με βάσει τα αποτελέσµατα της ταυτοποίησης φαίνεται ότι για την κινητική περιγραφή της διάσπασης του ΡΕΤ σε αυτή<br />
την περιοχή θερµοκρασιών αρκεί ένας µόνο µηχανισµός ο οποίος υποστηρίζεται και από τα συµπεράσµατα της εξάρτησης<br />
της ενέργειας ενεργοποίησης από το α.<br />
Συµπεράσµατα. Η εισαγωγή των νανοσωµατιδίων SiO 2 στο ΡΕΤ έχει σαν αποτέλεσµα να αυξάνει το ποσοστό του<br />
υπολείµµατος. Η ενέργεια ενεργοποίησης αυξάνεται σχετικά µε την αύξηση του ποσοστού µετατροπής. Η θερµική διάσπαση<br />
του ΡΕΤ και των νανοσύνθετων υλικών µπορεί να περιγραφεί µε ένα µηχανισµό αυτοκατάλυσης ν-στης τάξης και η ενέργεια<br />
ενεργοποίησης που προκύπτει για το µηχανισµό αυτό στο PET-2%SiO 2 είναι λίγο µικρότερη από την αυτή για το ΡΕΤ.<br />
Αναφορές<br />
[1] WO 120982 A1 (2005), The Coca-Cola Company, invs.: Shi Y., Pappas P.<br />
[2] Saha B., Ghoshal A.K., Chem. Eng. J. 111 (2005) 39-43<br />
[3] Holland B. J., Hay J.N. , Thermochim. Acta 388 (2002) 253-273<br />
[4] Saha B., Maiti A.K., Ghoshal A.K., Thermochιm. Acta 444 (2006) 46-52<br />
[5] Saha B.and Ghoshal A. K., Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45, 7752-7759<br />
[6] Martın I.-Gullon, Esperanza M., Font R., J. Anal. Appl. Pyrolysis, 58-59 (2001) 635-650<br />
[7] Bikiaris D., Karavelidis V., Karayannidis G., Macromol. Rapid Commun. 2006, 27, 1199-1205<br />
[8] Jin Zheng, Ping Cui, Xingyou Tian, Kang Zheng, J. Appl. Polym. Sci., Vol. 104, 9-14 (2007)<br />
180<br />
2
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΙΣΧΥΡΗΣ<br />
ΔΕΣΜΕΥΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ<br />
ΦΟΡΤΙΟΥ ΣΤΟ DNA<br />
Hawke L., Kalosakas G.*, Simserides C.<br />
University of Patras, Materials Science Department, Panepistimiopolis, Rio, GR-26504, Patras, Greece<br />
*georgek@upatras.gr<br />
Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του γραμμικού συνδυασμού των ατομικών τροχιακών (LCAO) και τα στοιχεία<br />
μήτρας του Harrison [1,2] για τα ατομικά τροχιακά p z των ζευγών βάσεων του DNA, υπολογίζουμε τις ιδιοτιμές<br />
της ενέργειας και τις αντίστοιχες κυματοσυναρτήσεις για τις HOMO και LUMO μοριακές καταστάσεις των<br />
ζευγών βάσεων AT και GC.<br />
Έπειτα υπολογίζουμε τα στοιχεία μήτρας των Slater-Koster [3] μεταξύ διαδοχικών ζευγών βάσεων που δίνουν τις<br />
παραμέτρους της μεθόδου της ισχυρής δέσμευσης (tight-binding). Οι παράμετροι αυτοί περιγράφουν την<br />
μεταφορά φορέων (ηλεκτρονίων ή οπών) μεταξύ διαδοχικών ζευγών βάσεων [4] και μπορούν να χρησιμοποιηθούν<br />
σε μεσοσοκοπικά φαινομενολογικά μοντέλα μεταφοράς φορτίου στο γενετικό υλικό [5-10] για μεγαλύτερης<br />
κλίμακας προσομοιώσεις.<br />
[1] W. A Harrison, “Electronic structure and the properties of solids’’, Dower, New York (1989)<br />
[2] E. N. Οικονόμου, “Φυσική στερεάς κατάστασης”, τόμος Ι, Π.Ε.Κ. (1997)<br />
[3] J. C. Slater and G. F. Koster, Phys. Rev. 94, 1498 (1954)<br />
[4] R. G. Endres, D. L. Cox and R. R. P. Singh, Ren. Mod. Phys. 76, 195 (2004)<br />
[5] S. V. Rakhmanova and E. M. Conwell, J. Phys. Chem. B 105, 2056 (2001)<br />
[6] G. Kalosakas, K. Ø. Rasmussen and A. R. Bishop, J. Chem.Phys. 118, 3731 (2003).<br />
[7] D. Hennig, Eur. Phys. J. B 30, 211 (2002).<br />
[8] Z. G. Yu and X. Song, Phys. Rev. Lett. 86, 6018 (2001).<br />
[9] G. P. Triberis, C. Simserides and V. C. Karavolas, J. Phys.:Condens. Matter 17, 2681 (2005).<br />
[10] R.Bruinsma, G.Grüner,M.R., D’ Orsogna, and J. Rudnick Phys Rew.Lett. 85, 4393 (2000).<br />
181
Bioactive Glass/Nanodiamonds system produced by the sol-gel Technique:<br />
Study of Bioactive behaviour<br />
Goudouri O.M. 1 , Stavrev S. 2 , Chatzistavrou X. 1 , Kantiranis N. 3 , Zorba T. 1 ,<br />
Koidis P. 4 and Paraskevopoulos K.M. 1*<br />
1 Solid State Physics Section, Physics Department, 3 Geology Department,<br />
4 School of Dentistry, Department of Fixed Prosthesis and Implant Prosthodontics,<br />
Aristotle University of Thessaloniki, 54124 Thessaloniki, Greece<br />
2 Department of Space Materials, Space Research Institute, Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria<br />
*kpar@auth.gr<br />
Introduction<br />
A bioactive material is one that elicits a specific physiological response at interfaces with tissues, a property known as<br />
bioactivity. The bone bonding ability occurs through the development of a biological apatite layer (HCAp) when the materials are<br />
exposed to body fluids or Simulated Body Fluids (SBF). The first bioactive material reported was a four-component glass<br />
composed, through the melting process, of SiO 2 , CaO, Na 2 O and P 2 O 5 by Hench et al. in 1971 [1] . Recently, in vitro studies have<br />
shown that simpler compositions such as SiO 2 -CaO-P 2 O 5 , SiO 2 -CaO and pure silica can also develop a HCA layer. Li et al.<br />
showed that SiO 2 -CaO-P 2 O 5 glass powders produced by sol-gel technique are more bioactive than the melt-derived glasses of the<br />
same composition. The higher bioactivity of the sol-gel-derived glasses is related to the textural features of the gels, that is, pore<br />
size and pore volume associated with the large surface area [2] .<br />
The primary disadvantage of bioactive glasses is their mechanical weakness and low fracture toughness due to an amorphous<br />
two-dimensional glass network. This disadvantage in addition to the fact that the tensile bending strength of most compositions is<br />
in the range of 40-60MPa, make them unsuitable for load-bearing applications [3] . In order to improve its mechanical properties<br />
there have been several attempts to produce composites of bioactive glasses and other constituents. Nanodiamonds (ND), on the<br />
other hand, represent a promising material for obtaining superhard composites and are well known for their excellent contribution<br />
in the mechanical behaviour [4] . Each ND particle, like any solid particle, is a supramolecule with a single-crystal diamond core<br />
surrounded by a shell (“coat”) consisting of functional groups. The nature of these functional groups determines the physical and<br />
chemical properties of nanodiamonds [5] .<br />
In the present work, we have produced a bioactive glass/nanodiamond (BG/ND) system by the sol-gel method, in order to<br />
combine the properties of the constituent materials and to investigate how in this mixture is affected the bioactivity of the sol-gelderived<br />
bioactive glass. The sol-gel method was selected, instead of a sintering method, because of the nature of nanodiamonds. It<br />
is well known that nanodiamonds undergo oxidation when treated in air at temperatures about 450 o C, which causes a rapid mass<br />
loss [6] .<br />
Materials and Methods<br />
Nanodiamonds, which have particle size in the range of 3-6nm, are produced by detonation of explosive mixtures and are dry<br />
cleaned in a special furnace with a catalysator mélange. The bioactive glass in system SiO 2 -CaO-P 2 O 5 (60% w.t. SiO 2 , 36%w.t.<br />
CaO and 4%w.t. P 2 O 5 ) is prepared as described by Zhong et al. [7] . During the gelation the mixture was continuously stirred for the<br />
first 3 hours. Finally, the BG/ND system is prepared by the same procedure as pure BG, while in the mixture is added 0.144g<br />
(3%) nanodiamonds. Pure BG and the BG/ND system then were ground into powders with a particle size range 20-40μm. The<br />
powders were then characterized by X-ray diffraction (XRD) and FTIR spectroscopy.<br />
The bioactivity of materials is commonly examined by in vitro procedures involving the dissolution of glasses in aqueous<br />
media that Simulate Body Fluid, like c-SBF, that is prepared as described by Ohtuki et al [8] . In each experiment, 75mg powder of<br />
both the pure BG and the BG/ND system were immersed in 50ml c-SBF for 6, 12 and 24 hours respectively. After filtration, the<br />
powders were rinsed with distilled water, dried and a quantity of 0.002g with 0.2g of KBr was pressed each time in a vacuum<br />
press at 7t in order to produce a pellet with 13mm diameter and 0.8mm thickness. The pellets were then characterized with<br />
Infrared Spectroscopic Analysis (FTIR).<br />
The XRD measurements were carried out using a Philips (PW1710) diffractometer with Ni-filtered CuKα radiation. The<br />
counting statistics of the XRD study were: step size 0.05 o 2θ, start angle 5 o , end angle 85 o and scan sped 0.01 o 2θ/sec. The FTIR<br />
spectra were collected using a Bruker IFS113v FTIR spectrometer, in transmission mode in MIR region (400-4000cm -1 ) and with<br />
a resolution of 2cm -1 .<br />
Results and discussion<br />
In Fig. 1 the XRD pattern of the BG/ND system and that of pure BG and ND are presented. As can be observed, the XRD<br />
diagram of pure BG shows a broad peak between 16-38 ο 2theta a less intense between 10-15 o 2theta. In addition, we can observe<br />
the presence of a crystalline phase that is identified as the phase of dicalsium silicate (Ca 2 SiO 4 ) in percentage of 25% that is<br />
verified by the FTIR spectrum, as mentioned below. In the XRD pattern of pure ND, except for the characteristics peaks of<br />
182
diamond, there are identified graphite and carbon, while the amorphous material is also significant (26%). The diamond peaks<br />
show a significant base (2theta) which means that the structure of this phase is probably crypocrystallic and also are symmetrical<br />
which means that the diamond phase is well crystallized.<br />
The BG/ND sample presents two strong peaks at about 10-13 o 2theta and 25-37 o 2theta, while there are two less intense<br />
peaks at about 17-24 o 2theta and 28-55 o 2theta. Significantly, the first peak (10-13 o 2theta) is less intense to the pure BG sample,<br />
which indicates a possible transition from the amorphous state to a primary amorphous-cryptocrystallic state. Additionally, the<br />
amorphous part of the pure ND sample affects the total amount and the morphology of amorphous in the BG/ND sample, while<br />
the peak between 28-55 o 2theta can be attributed to the cryptocrystallic structure of diamond that appears between 43-44 ο 2theta.<br />
Amorphous<br />
SCS: Sodium Calcium Silicate, Ca SiO<br />
86-0399 ICDD card<br />
D: Diamond, C, 06-0675 ICDD card<br />
G: Graphite, C, 75-2078 ICDD card<br />
C: Carbon, C, 26-1069 ICDD card<br />
C<br />
G<br />
ND pure<br />
D<br />
SCS<br />
SCS<br />
5 15 25 35 45 55 65 75<br />
SCS<br />
Amorphous<br />
SCS<br />
SCS BG/ND<br />
SCS SCS<br />
SCS SCS SCS<br />
SCS<br />
SCS<br />
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 BG pure 80<br />
Amorphous<br />
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80<br />
D<br />
Fig. 1. XRD patterns of the BG/ND system<br />
and of pure BG and ND<br />
In Fig. 2 are presented the FTIR spectra of the BG/ND system and pure<br />
BG before and after the immersion in c-SBF, for 6, 12 and 24 hours. In the<br />
spectra of both samples before the immersion, is observed a broad trend<br />
between 840 and 1370cm -1 that can be attributed to the amorphous phase of the<br />
samples. The two shoulders at 850 and 965 cm -1 can be assigned to the<br />
crystalline phase of dicalcium silicate (Ca 2 SiO 4 ) [9] . Finally, the strong band at<br />
460cm -1 occurs due to the bending mode of Si-O-Si.<br />
After 6 hours of soaking,<br />
a new band appears at 585cm -1<br />
in both BG/ND system and<br />
pure BG, which corresponds to<br />
the antisymmetric vibrational<br />
mode of P-O in amorphous<br />
calcium phosphate phase.<br />
After 12 hours in c-SBF, the<br />
IR spectrum of both samples is<br />
analogous to that observed<br />
after 6 hours. However, after<br />
24 hours a double peak at 568<br />
and 602cm -1 is developed to<br />
both samples, that are<br />
attributed to the bending of P-O mode and proves the development of a<br />
crystalline phase of HCAp layer [10] . Comparing the bioactive response of both<br />
samples with that of the commercial sol-gel derived bioactive glass [7] (Bioglass®<br />
58S) proves a retardation of our samples, that is probably caused by the growth<br />
of the crystalline phase of dicalcium silicate (Ca 2 SiO 4 ).<br />
Conclusions<br />
The XRD pattern of the BG/ND system indicates that the nanodiamonds<br />
result in the re-arrangement of the BG amorphous phase, producing an<br />
amorphous phase with a primary amorphous-cryptocrystallic structure. The fact<br />
that this new phase is also highly bioactive, even though there is a small<br />
retardation of bioactive response in comparison with pure Bioglass® 58S, makes<br />
the sol-gel-derived BG/ND system a promising bioactive composite.<br />
2 4<br />
References<br />
[1]. Hench LL, Splinter RJ, Allen WC., J Biomed Mater Res, 2, 117, 1971<br />
[2]. Saravanapavan P., Jones J., Pryce R., Hench L., J Biomed Mater Res A., 66,<br />
110, 2003<br />
[3]. Hench L.L. and Andersson O. in An introduction to Bioceramics, editors:<br />
Hench L.L. and Wilson J., World Scientific, 41, 1993<br />
[4]. Ekimov E.A., Gromnitskaya E.L., Gierlotka S., Lojkowski W., Palosz B.,<br />
Swiderska-Sroda A., Kozubowski J.A. and Naletov A.M., J. of Materials<br />
science letters, 21, 1699 , 2002<br />
[5]. Kulakova I. I., Physics of the Solid State, 46, 636, 2004<br />
[6]. Xu K. and Xue Q., Physics of the solid state, 46, 649, 2004<br />
[7]. Zhong J., Greenspan D., J Biomed Mater Res, 53, 694, 2000<br />
[8]. Ohtsuki C., Kushitani H., Kokubo T., Kotani S., Yamamuro T., J Biomed Mater Res, 25, 1363, 1991<br />
400 600 800 1000 1200 1400 1600<br />
[9]. Henning O., Cements: the Hydrated Silicates and Aluminates in The Infrared Spectra of Minerals, editor: Farmer V.C.<br />
London, Mineralogical Society, 1974<br />
[10]. Kontonasaki E., Zorba T., Papadopoulou L., Pavlidou E., Chatzistavrou X.., Paraskevopoulos K., Koidis P., Cryst. res.<br />
technol., 37, 1165, 2002<br />
Absorbance<br />
24h<br />
12h<br />
6h<br />
0h<br />
wavelength (cm -1 )<br />
BG/ND<br />
pure BG<br />
Fig.2. FTIR spectra of pure BG and the<br />
BG/ND system before and after 6, 12 and<br />
24h of immersion in c-SBF<br />
183
Energy Loss Rates of Hot Electrons in Semiconducting Carbon Nanotubes<br />
Margarita Tsaousidou *<br />
Materials Science Department, University of Patras, Patras 26 504, Greece<br />
*Email: rtsaous@upatras.gr<br />
The study of the energy relaxation provides significant information about the carrier-phonon coupling in low-dimensional<br />
semiconductors [1]. In the present paper we calculate the energy loss rate, P, of hot 1D electrons in semiconducting singlewall<br />
carbon nanotubes (SWCNTs) due to their coupling to stretching and breathing phonons. A brief description of the<br />
theoretical formalism is given and numerical calculations of P are performed for electron temperatures in the range 4-300 K<br />
and for various values of the Fermi energy E F . These results can be particularly useful for steady-state electric field heating<br />
or time-dependent experiments [2].<br />
The SWCNT can be regarded as a long and infinitesimally thin cylinder of radius R. The electrons are free to move along<br />
the direction of the nanotube axis (z-direction) while their motion in the xy-plane is quantized. The electron spectrum consists<br />
of several 1D subbands associated with the quantized electron motion. We assume that the electrons are in internal thermal<br />
equilibrium at a temperature T e higher than the lattice temperature T lat and their distribution is described by the Fermi-Dirac<br />
distribution function. This approximation, the so-called electron temperature model, is valid when the electron-electron<br />
relaxation time is much less than the energy loss time of the electrons. For simplicity reasons we consider only electronphonon<br />
(e-p) scattering within the lowest 1D electron subband (quantum limit). The Fermi level is assumed to be close to the<br />
ground subband minimum in order to eliminate non-parabolicity effects. The e-p interaction is described via a deformation<br />
potential. It can be shown that for intrasubband scattering within the ground subband only the stretching and the breathing<br />
phonon modes contribute to the e-p coupling. In the long-wavelength limit the stretching mode has a linear dispersion while<br />
the breathing mode is dispersionless [3].<br />
The average energy-loss rate due to e-p scattering is given by [4]<br />
P =<br />
1<br />
N<br />
∑<br />
q<br />
ω<br />
where, N is the total number of electrons, ω q is the frequency of a phonon with wave vector q (q is along the z-axis), and<br />
dN q /dt is the rate of change of the phonon distribution due to phonon emission and absorption processes. The above equation<br />
can be written in the following convenient form:<br />
q<br />
dΝ<br />
dt<br />
1<br />
ep 2<br />
P = ∑ ω<br />
| H ( q) | [ N q ( Te<br />
) − N q ( Tlat<br />
)] Im χ(q,<br />
ω<br />
N<br />
q<br />
q q )<br />
where, |H ep (q)| is the e-p coupling matrix element, N q (T) is the Bose-Einstein distribution at temperature T and Im χ(q,ω q ) is<br />
the imaginary part of the electronic polarizability function [5]. For qR
leading to an exponential decrease of P with the<br />
inverse of electron temperature.<br />
The contribution of the breathing phonons becomes<br />
important at higher temperatures. The electron power<br />
loss due to emission of breathing phonons is<br />
proportional to exp(-ћω b /k B<br />
TB<br />
e) where ω b is the phonon<br />
frequency for the breathing mode. ω b is constant for<br />
qR
Σύνθεση και Χαρακτηρισμός Διαλυμάτων Τροποποιημένων Νανοσωλήνων Άνθρακα<br />
Μέσω Προσρόφησης Μακρομορίων Πρωτεϊνικής Φύσης<br />
Ειρήνη Γούναρη 1 , Ευάγγελος Καρούτσος 1 και Δημήτριος Τάσης 1*<br />
1 Τμήμα Επιστήμης Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 26504 Ρίο Πάτρας<br />
*dtassis@upatras.gr<br />
Οι νανοσωλήνες άνθρακα (ΝΑ) θεωρούνται από πολλούς ερευνητές η ιδανική νανοδομή για τη σύνθεση υβριδιακών υλικών<br />
με εξωτικές ιδιότητες. Πιθανές εφαρμογές των μονοδιάστατων αυτών νανοκυλίνδρων είναι η μηχανική ενίσχυση<br />
πολυμερικών μητρών αλλά και η μεταφορά ηλεκτρικού ρεύματος σε ηλεκτρονικές συσκευές [1]. Ωστόσο, αρκετά ζητήματα<br />
πρέπει να επιλυθούν πριν οι γραφιτικές νανοδομές ενσωματωθούν σε σύνθετα υλικά με πλήρη επιτυχία. Οι ΝΑ είναι εντελώς<br />
αδιάλυτοι σε όλους τους διαλύτες, λόγω των διαμοριακών δυνάμεων van der Waals και της μεγάλης ειδικής επιφάνειας του<br />
υλικού.<br />
Για να βελτιωθεί η χημική συγγένεια με τα διαλυτικά μέσα, διάφορες χημικές τροποποιήσεις της γραφιτικής επιφάνειας<br />
έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια [2]. Στις περισσότερες περιπτώσεις, δύο χημικές προσεγγίσεις χρησιμοποιούνται<br />
ευρέως για την τροποποίηση των νανοκυλίνδρων. Στην πρώτη, τα πλευρικά τοιχώματα και/ή τα ανοικτά άκρα των ΝΑ<br />
δύναται να τροποποιηθούν ομοιοπολικά μέσω γνωστών οργανικών αντιδράσεων. Το βασικό μειονέκτημα των ομοιοπολικών<br />
προσθηκών στο γραφιτικό δίκτυο είναι η μείωση της αγωγιμότητας των ΝΑ, λόγω μερικής καταστροφής της συζυγίας<br />
δεσμών. Εναλλακτικά, η μη ομοιοπολική προσρόφηση ή τύλιγμα διάφορων λειτουργικών μορίων στην επιφάνεια των ΝΑ<br />
έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό υπερμοριακών συμπλόκων στη στερεά ή και υγρή φάση. Το κύριο πλεονέκτημα της μη<br />
ομοιοπολικής προσέγγισης είναι η διατήρηση της συζυγίας των δεσμών άνθρακα-άνθρακα του γραφιτικού πλέγματος. Αυτό<br />
σημαίνει ότι οι ιδιότητες των ΝΑ δύναται να μεταφερθούν ακέραιες ως ιδιότητες πλέον του σύνθετου υλικού.<br />
Ένα τυπικό παράδειγμα χημικού είδους που προσροφάται σε γραφιτικές επιφάνειες είναι συστήματα που περιέχουν<br />
ταυτόχρονα υδρόφοβο και υδρόφιλο τμήμα (surfactants) [3]. Τέτοιες ενώσεις έχουν την ικανότητα να διασπείρουν ομογενώς<br />
τους ΝΑ σε υδατικά ή οργανικά μέσα, εμποδίζοντας την συσσωμάτωση των νανοκυλίνδρων. Αν και έχει επιτευχθεί αρκετή<br />
πρόοδος στο χειρισμό των ΝΑ σε οργανικά διαλύματα/αιωρήματα, υπάρχει αυξημένο ενδιαφέρον στους ερευνητές για<br />
βιολογικές εφαρμογές του νανο-υλικού όπως πχ βιο-αισθητήρες [4]. Έχει δειχθεί ότι υδατικά αιωρήματα των ΝΑ<br />
συμμετέχουν σημαντικά σε πεδία της βιο-ιατρικής επιστήμης [5].<br />
Πρόσφατα, έχει μελετηθεί η αλληλεπίδραση των ΝΑ με διάφορα αμφίφιλα συνθετικά πεπτίδια σε υδατικό περιβάλλον και<br />
έχει αναφερθεί ότι τέτοιου είδους βιομόρια έχουν την ιδιότητα να επιδιαλυτώνουν τους ΝΑ και επιπλέον να πετυχαίνουν<br />
διαχωρισμό του υλικού ανάλογα με τις διαμέτρους των νανοκυλίνδρων [6]. Σε αντίθεση, εμείς μελετούμε τη δυνατότητα<br />
διασποράς ΝΑ σε υδατικό περιβάλλον χρησιμοποιώντας εμπορικά διαθέσιμα βιομόρια πρωτεϊνικής φύσης. Χρησιμοποιούμε<br />
ως παράγοντα διασποράς την αλβουμίνη από ορό αίματος βοοειδούς. Μία σειρά από φασματοσκοπικές τεχνικές<br />
χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των υδατικών αιωρημάτων των ΝΑ, όπως UV-Vis, FTIR, AFM, SEM και Raman.<br />
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι σταθερά αιωρήματα από τέλεια απομονωμένους ΝΑ δύναται να σχηματιστούν παρουσία<br />
περίσσειας αλβουμίνης, λόγω προσρόφησης των υδρόφοβων αλληλουχιών του πρωτεϊνικού μακρομορίου στη γραφιτική<br />
επιφάνεια των νανοκυλίνδρων. Επιπλέον, οι διάφορες δραστικές ομάδες των αμινοξέων μπορούν να λειτουργήσουν ως<br />
χημικές γέφυρες για περαιτέρω τροποποίηση του νανοσύνθετου υλικού.<br />
[1] Baughman R. H., Zakhidov A. A., de Heer W. A., Science 297 (2002) 787.<br />
[2] Tasis D., Tagmatarchis N., Bianco A., Prato M., Chem. Rev. 106 (2006) 1105.<br />
[3] Islam M. F., Rojas E., Bergey D. M., Johnson A. T., Yodh A. G., NanoLett. 3 (2003) 269.<br />
[4] Wang J., Electroanalysis 17 (2005) 7.<br />
[5] Katz E., Wilner I., ChemphysChem. 5 (2004) 1084.<br />
[6] Ortiz-Acevedo A., Xie H., Zorbas V., Sampson W. M., Dalton A. B., Baughman R. H., Draper R. K., Musselman I. H.,<br />
Dieckmann G. R., J. Am. Chem. Soc. 127 (2005) 9512.<br />
Η μελέτη είναι στα πλαίσια της προπτυχιακής διπλωματικής εργασίας της κ. Ειρ. Γούναρη, φοιτήτριας του Τμήματος<br />
Επιστήμης των Υλικών Πανεπ. Πατρών. Ιδιαίτερη μνεία αποδίδεται στη συνεισφορά των κ.κ. Α. Βανακάρα (Επίκ.<br />
Καθηγητής), Γ. Καλόσακα (Λέκτορας), Ουρανίας Παύλου (ΠΔ407/80) και Κ. Παπαγγελή (Λέκτορας) για τις<br />
εποικοδομητικές συζητήσεις και την αμέριστη βοήθειά τους.<br />
186
Επίδραση Yψηλών Πιέσεων Στο Φάσμα Raman 2 ης Tάξης Νανοσωλήνων Άνθρακα<br />
Απλού Και Διπλού Τοιχώματος<br />
K. Παπαγγελής 1 *, I. Αρβανιτίδης 2 , Δ. Χριστόφιλος 3 , Κ. Σ. Ανδρικόπουλος 3 , Σ. Βες 4 και Γ. Α. Κουρούκλης 3<br />
1 Τμήμα Επιστήμης Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 26504 Ρίο Πάτρας, Ελλάδα<br />
2 Γενικό Τμήμα Θετικών Επιστημών, ΑΤΕΙ Θεσσαλονίκης, 57400 Σίνδος, Ελλάδα<br />
3 Τομέας Φυσικής, Γενικό Τμήμα, Πολυτεχνική Σχολή, Α.Π.Θ., 54124 Θεσσαλονίκη, Ελλάδα<br />
4 Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τμήμα Φυσικής, Α.Π.Θ.,54124, Θεσσαλονίκη, Ελλάδα<br />
*kpapag@upatras.gr<br />
Η εφαρμογή της φασματοσκοπίας Raman σε υλικά βασισμένα στους νανοσωλήνες άνθρακα (ΝΑ) παρέχει σημαντικές<br />
πληροφορίες για τις δομικές, δονητικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες τους. Ο μονοδιάστατος περιορισμός των φωνονικών και<br />
ηλεκτρονικών καταστάσεων των ΝΑ και οι συνεπαγόμενες ανωμαλίες van Hove στη συνδυασμένη πυκνότητα καταστάσεων<br />
για οπτικές μεταβάσεις επιτρέπουν την εξαιρετικά εύκολη καταγραφή φασμάτων Raman 2ης τάξης (με την συμμετοχή δύο<br />
φωνονίων ή ενός φωνονίου και την ελαστική σκέδαση από επιφανειακές ατέλειες των νανοσωλήνων) σε συνθήκες διπλού<br />
συντονισμού [1].<br />
Στην παρούσα εργασία μελετάται η επίδραση υψηλών υδροστατικών πιέσεων μέχρι τα 10 GPa στις κορυφές Raman G΄<br />
δεσμίδων νανοσωλήνων άνθρακα διπλού (DWCNTs) και των μητρικών μονού τοιχώματος (SWCNTs) με τη χρήση της<br />
γραμμής διέγερσης ενός laser He-Ne στα 632.8 nm. Στους SWCNTs η κορυφή G΄ στα 2633 cm -1 αποτελεί δεύτερη αρμονική<br />
του επαγόμενου από τις ατέλειες της γραφιτικής δομής D τρόπου δόνησης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 στους DWCNTs<br />
εκτός της κορυφής στα 2633 cm -1 καταγράφεται μια ασθενέστερη κορυφή στα 2588 cm -1 . Η κορυφή αυτή αποδίδεται στην<br />
απόκριση των εσωτερικών νανοσωλήνων. Με την αύξηση της πίεσης παρατηρείται μετατόπιση των G΄ κορυφών των<br />
DWCNTs προς μεγαλύτερες ενέργειες, αύξηση του συχνοτικού διαχωρισμού τους (Σχήμα 1α) και σημαντική μείωση της<br />
έντασης της κορυφής G΄ που αντιστοιχεί στους εξωτερικούς νανοσωλήνες. Ο ρυθμός μετατόπισης των G΄ κορυφών των<br />
DWCNTs και SWCNTs είναι σχεδόν γραμμικός παρουσιάζοντας ένα μικρό συντελεστή δεύτερης τάξης σε παραβολική<br />
προσαρμογή. Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται οι γραμμικοί και παραβολικοί συντελεστές πίεσης των DWCNTs και<br />
SWCNTs, ύστερα από προσαρμογή στα πειραματικά δεδομένα.<br />
(α)<br />
DWCNT<br />
(β)<br />
λ exc = 632.8 nm (1.96 eV)<br />
1bar-downstroke<br />
2800<br />
Raman Intensity (arb. units)<br />
9.7 GPa<br />
6.6 GPa<br />
1.3 GPa<br />
1 bar<br />
Raman Shift (cm -1 )<br />
2750<br />
2700<br />
2650<br />
G´<br />
out<br />
G´<br />
in<br />
2600<br />
2600 2700 2800 2900<br />
Raman Shift (cm -1 )<br />
0 2 4 6 8 10<br />
Pressure (GPa)<br />
Σχήμα 1. (α) Φάσματα Raman στην G΄ περιοχή των DWCNTs σε θερμοκρασία δωματίου και για διάφορες πιέσεις, (β)<br />
εξάρτηση από την πίεση των συχνοτήτων των G΄ κορυφών των SWCNTs και DWCNTs.<br />
Δεδομένης της σύνθετης προέλευσης του G΄ τρόπου δόνησης και του γεγονότος ότι οι εφαρμογή της εξωτερικής πίεσης<br />
τροποποιεί τις συνθήκες συντονισμού, η πολύ μεγαλύτερη τιμή του γραμμικού συντελεστή πίεσης της G΄ κορυφής που<br />
αντιστοιχεί στους εξωτερικούς νανοσωλήνες σε σχέση με τους εσωτερικούς αποδίδεται στην ελάττωση της πίεσης που<br />
δέχονται οι εσωτερικοί νανοσωλήνες λόγω της προστασίας που τους παρέχεται από τους εξωτερικούς. Σημειώνεται ότι<br />
ανάλογη συμπεριφορά έχει παρατηρηθεί για τους εν φάση ακτινικούς και τους εφαπτομενικούς G τρόπους δόνησης [2,3].<br />
Η μελέτη του ίδιου δείγματος DWCNTs με γραμμή διέγερσης στα 514.5nm έδωσε αμιγώς γραμμικούς συντελεστές πίεσης<br />
οι οποίοι είναι 16.7 cm -1 /GPa για τους εξωτερικούς και 7.3 cm -1 /GPa για τους εσωτερικούς νανοσωλήνες άνθρακα [4]. Ο<br />
συντελεστής πίεσης των εξωτερικών νανοσωλήνων είναι μικρότερος από τον αντίστοιχο στη παρούσα μελέτη, ενώ το<br />
αντίθετο συμβαίνει για τους εσωτερικούς. Εστιαζόμενοι στη μηχανική απόκριση των DWCNTs η παραπάνω παρατήρηση<br />
187
μπορεί να ερμηνευτεί με δεδομένο ότι με τη διέγερση στα 632.8nm είμαστε σε συντονισμό με νανοσωλήνες που έχουν<br />
μεγαλύτερες αποστάσεις εσωτερικών–εξωτερικών νανοσωλήνων συγκριτικά με αυτούς που συντονίζονται στα 514.5nm.<br />
Δηλαδή σε αυτή την περίπτωση λαμβάνει χώρα ασθενέστερη υποστήριξη των εξωτερικών ΝΑ από τους εσωτερικούς καθώς<br />
και μεγαλύτερη προάσπιση της εξωτερικής πίεσης από τους εξωτερικούς ΝΑ. Η εν λόγω θεώρηση είναι σε συμφωνία με<br />
πρόσφατα πειραματικά αποτελέσματα που αφορούν τους ακτινικούς τρόπους δόνησης [5]. Σε αυτό το πλαίσιο η απουσία<br />
παραβολικού όρου στην εξάρτηση από την πίεση των G΄ κορυφών των DWCNTs με διέγερση στα 514.5nm αποδίδεται στις<br />
ισχυρότερες αλληλεπιδράσεις των εσωτερικών–εξωτερικών νανοσωλήνων στο υπό μελέτη δείγμα.<br />
Τέλος, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ο γραμμικός συντελεστής πίεσης της G΄ κορυφής που αντιστοιχεί στους<br />
εξωτερικούς νανοσωλήνες των DWCNTs είναι μεγαλύτερος από αυτό των SWCNTs. Λαμβάνοντας υπόψη την υποστήριξη<br />
που παρέχουν οι εξωτερικοί νανοσωλήνες λόγω της αλληλεπίδρασης τους με τους εσωτερικούς το εν λόγω πειραματικό<br />
δεδομένο είναι σε αντίθεση με την αναμενόμενη συμπεριφορά. Το γεγονός αυτό μπορεί να κατανοηθεί αν ληφθεί υπόψη η<br />
μεταβολή στις συνθήκες συντονισμού που προκαλεί η αλληλεπίδραση εσωτερικών-εξωτερικών νανοσωλήνων.<br />
Πίνακας 1 Συχνοτικές θέσεις και συντελεστές πίεσης των SWCNTs και DWCNTs που<br />
ελήφθησαν με λ=632.8nm γραμμή διέγερσης.<br />
ω i (cm -1 ) ∂ω i /∂P (cm -1 /GPa) ∂ 2 ω i /∂P 2 (cm -1 /GPa 2 )<br />
SWCNT 2634 17.6 -0.25<br />
DWCNT<br />
G '<br />
in<br />
2588 5.3 0.37<br />
G '<br />
out<br />
2633 23.0 -0.50<br />
[1] M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, R. Saito, and A. Jorio, Phys. Rep. 409, 47 (2005).<br />
[2] J. Arvanitidis, D. Christofilos, K. Papagelis et al., Phys. Rev. B 71, 125404 (2005).<br />
[3] P. Puech, H. Hubel, D. J. Dunstan et al., Phys. Rev. Lett. 93, 095506 (2004).<br />
[4] K. Papagelis, J. Arvanitidis, D. Christofilos et al., Phys. Stat. Sol. (b) 244, 116 (2007).<br />
[5] D. Christofilos, J. Arvanitidis, G. A. Kourouklis et al., Phys. Rev. B, submitted.<br />
188
Υδατοδιαλυτοί Νανοσωλήνες Άνθρακα Μέσω Διεργασιών<br />
Οξειδοαναγωγικού Ριζικού Πολυμερισμού<br />
Σίμος Παπάζογλου 1 , Διαμαντούλα Λάμπου 2 , Γεωργία Κανδυλιώτη 2 , Δημήτριος Τάσης 1 και Κωνσταντίνος Παπαγγελής 1*<br />
1 Τμήμα Επιστήμης Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 26504 Ρίο Πάτρας<br />
2 ΕΙΧΗΜΥΘ, 26504 Ρίο Πάτρας<br />
*kpapag@upatras.gr<br />
Η δυναμική των νανοσωλήνων άνθρακα (ΝΑ) σε μία ποικιλία τεχνολογικών εφαρμογών, όπως ως ίνες ενίσχυσης σε σύνθετα<br />
υλικά, έχει ήδη καταγραφεί στη διεθνή βιβλιογραφία [1]. Επιπλέον, σε πρόσφατες μελέτες έχει δειχθεί ότι οι ΝΑ δύναται να<br />
παρουσιάζουν ερευνητικό ενδιαφέρον και στο πεδίο της βιο-ιατρικής επιστήμης [2]. Αρκετά ζητήματα όμως χρειάζονται<br />
επίλυση ώστε οι γραφιτικοί νανοκύλινδροι να μπορέσουν να ενσωματωθούν σε λειτουργικές συσκευές πχ βιο-αισθητήρων.<br />
Το αρχικό υλικό, όπως παράγεται από τους ειδικούς φούρνους, αποτελείται από περιπλεγμένους νανοσωλήνες που<br />
αλληλεπιδρούν μέσω δυνάμεων van der Waals. Τα συσσωματώματα αυτά είναι πρακτικά αδιάλυτα σε όλη τη γκάμα των<br />
ευρέως χρησιμοποιούμενων διαλυτών και αυτό έχει ως συνέπεια το δύσκολο χειρισμό του υλικού.<br />
Ένας τρόπος να ξεμπλέξει κάποιος τους περιπλεγμένους ΝΑ σε προσωρινή βάση είναι να βαπτίσει ένα αιώρημα του<br />
υλικού σε μπάνιο υπερήχων. Εναλλακτικά, μπορεί κάποιος να τροποποιήσει χημικά τα γραφιτικά τοιχώματα των ΝΑ,<br />
προκαλώντας επιδιαλύτωση και σχηματισμό σταθερού διαλύματος/αιωρήματος [3]. Η χημική τροποποίηση του υλικού<br />
μπορεί να γίνει μέσω γνωστών αντιδράσεων ομοιοπολικής προσθήκης στους διπλούς δεσμούς του γραφιτικού πλέγματος ή<br />
μέσω φυσικής προσρόφησης χημικών ειδών λόγω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων.<br />
Όσο αφορά τη διαλυτότητα των ΝΑ, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι η προσάρτηση μακρομοριακών αλυσίδων στη<br />
γραφιτική επιφάνεια θα έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό τροποποιημένου υλικού με υψηλές τιμές διαλυτότητας. Η<br />
ομοιοπολική προσάρτηση πολυμερικών αλυσίδων σε ΝΑ έχει επιτευχθεί με δύο συνθετικές προσεγγίσεις. Στην πρώτη,<br />
αρχικά συντίθεται το πολυμερές με δραστική ομάδα στη μία άκρη του και ακολούθως συμβαίνει χημική αντίδραση μέσω<br />
προσθήκης σε διπλό δεσμό των τοιχωμάτων των ΝΑ (grafting to). Στη δεύτερη, σε ένα αρχικό στάδιο οι ΝΑ τροποποιούνται<br />
με λειτουργικές ομάδες-εκκινητές και ακολούθως λαμβάνει χώρα in situ πολυμερισμός παρουσία μονομερούς (grafting<br />
from). Η τελευταία προσέγγιση θεωρείται πιο ελκυστική για το σχηματισμό σταθερών αιωρημάτων των ΝΑ, λόγω του πολύ<br />
μικρότερου μεγέθους του μονομερούς για την αντίδραση με τους περιπλεγμένους νανοσωλήνες. Σε πρόσφατες μελέτες έχουν<br />
αναφερθεί διάφοροι τύποι πολυμερισμών που έχουν εφαρμοστεί στη συνθετική προσέγγιση grafting from. Τέτοιοι είναι ο<br />
ριζικός και ανιονικός πολυμερισμός [4,5].<br />
Σχήμα 1. Συνθετική αλληλουχία ομοιοπολικής τροποποίησης νανοσωλήνων άνθρακα<br />
Σε αυτή την εργασία, περιγράφουμε μία καινούρια συνθετική προσέγγιση για προσάρτηση υδρόφιλων πολυμερικών<br />
αλυσίδων πολυ(ακρυλικού οξέος) σε ΝΑ μέσω διεργασιών οξειδοαναγωγικού ριζικού πολυμερισμού (βλέπε Σχήμα 1) [6].<br />
Μία σειρά από φασματοσκοπικές τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των τροποποιημένων ΝΑ, όπως UV-Vis,<br />
FTIR, AFM, SEM, XPS, TGA και Raman. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι σταθερά υδατικά αιωρήματα από τέλεια<br />
απομονωμένους ΝΑ δύναται να σχηματιστούν, λόγω προσάρτησης των υδρόφιλων αλυσίδων στη γραφιτική επιφάνεια των<br />
νανοκυλίνδρων. Επιπλέον, οι καρβοξυλικές ομάδες του πολυμερούς μπορούν να λειτουργήσουν ως χημικές γέφυρες για<br />
περαιτέρω τροποποίηση του νανοσύνθετου υλικού ή και ως πυρήνες κρυστάλλωσης βιο-ανόργανων υλικών (ασβεστίτης) [7].<br />
[1] Baughman R. H., Zakhidov A. A., de Heer W. A., Science 297 (2002) 787.<br />
[2] Bianco A., Kostarelos K., Prato M., Curr. Opin. Chem. Biol. 9 (2005) 674.<br />
[3] Tasis D., Tagmatarchis N., Bianco A., Prato M., Chem. Rev. 106 (2006) 1105.<br />
[4] Yao Ζ., Braidy Ν., Botton G. Α., Adronov A., J. Amer. Chem. Soc. 125 (2003) 16015.<br />
[5] Viswanathan G., Chakrapan N., Yang H., Wei B., Chung H., Cho K., Ryu C. Y., Ajayan P. M., J. Amer. Chem. Soc. 125<br />
(2003) 9258.<br />
[6] Tasis D., Papagelis K., Prato M., Kallitsis I., Galiotis C., Macromol. Rapid Commun. (2007) in press.<br />
[7] Tasis D., Pispas S., Galiotis C., Bouropoulos N., Mater. Lett. (2007) in press.<br />
189
Nανοσυνθέτα Εποξειδικής Ρητίνης Με Υψηλού Ογκομετρικού Κλάσματος<br />
Τροποποιημένους Νανοσωλήνες Άνθρακα Ως Ενίσχυση<br />
Δ. Καστάνης 1 , Ι. Παρθένιος 1 , Δ. Τάσης 2 , Κ. Παπαγγελής 2 , Κ. Γαλιώτης 1,2*<br />
1 ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ, 26504 Ρίο, Πάτρα<br />
2 Τμήμα Επιστήμης των Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 26504 Ρίο, Πάτρα<br />
*c.galiotis@iceht.forth.gr<br />
Μέχρι σήμερα πολλές τεχνικές παραγωγής έχουν προταθεί για νανοσύνθετα υλικά βασισμένα σε νανοσωλήνες άνθρακα<br />
(CNTs) [1]. Οι κλασσικές μέθοδοι για πολυμερή νανοσύνθετα χαμηλού ογκομετρικού κλάσματος σε ΝΑ περιλαμβάνουν την<br />
ανάμιξη τήγματος (melt blending), έκχυση σε καλούπι μέσω διαλύματος (solution casting), ανάμιξη διαλυμμάτων (solution<br />
mixing), απευθείας ανάμιξη (direct mixing) και in-situ πολυμερισμό [2]. Όμως, η χρήση των παραπάνω τεχνικών έχει ως<br />
αποτέλεσμα τον διαχωρισμό φάσεων μεταξύ του πολυμερούς και των CNTs, την χαμηλή διαβροχή των CNTs και την<br />
χαμηλή διεπιφανειακή διατμητική αντοχή μεταξύ πολυμερικής μήτρας και CNTs.<br />
Η τεχνική που προτείνεται περιλαμβάνει τον διαποτισμό μίας ενισχυτικής ξηρής στρώσης τροποποιημένων CNTs σε μορφή<br />
φιλμ νανοσωλήνων (buckypaper), ώστε να παραχθούν νανοσύνθετα εποξειδικής μήτρας υψηλού ογκομετρικού κλάσματος<br />
σε CNTs. Η παραγωγική διαδικασία περιλαμβάνει τρία στάδια: την χημική τροποποίηση των νανοσωλήνων άνθρακα [3,4],<br />
την παραγωγή των φιλμ [5,6] και την κατασκευή νανοσύνθετων εποξειδικής ρητίνης σε συνθήκες αυτόκλειστου φούρνου.<br />
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η τεχνική παρασκευής νανοσύνθετων υλικών υψηλής περιεκτικότητας σε CNTs ενώ<br />
ιδιαίτερη έμφαση θα δωθεί στις μηχανικές ιδιότητες των παραγόμενων υλικών.<br />
[1] M.S.P. Schaffer, A.H. Windle, Adv. Mater. 11 (1999) 937.<br />
[2] Park C, Ounaies Z, et al., Chem. Phys. Lett. 364 (2002) 303.<br />
[3] Chen J, Hamon MA, Hu H, Chen Y, Rao AM, Eklund PC, Haddon RC., Science 282 (1998) 95.<br />
[4] Garg A, Sinnott SB.. Chem. Phys. Lett. 295 (1998) 273.<br />
[5]A.G. Rinzler et al., Appl. Phys. A 67 (1998) 29.<br />
[6] M. Endo et al., Nature 433 (2005) 476.<br />
190
Pillared Graphites – A New 3D Network Nanostructure for enhanced Hydrogen Storage<br />
Dimitrakakis K. Georgios 1 , Tylianakis Emmanuel 2 and Froudakis George E. 1*<br />
1 Department of Chemistry, University of Crete, P.O. Box 2208, Heraklion, Crete, 71003, Greece<br />
2 Materials Science and Technology Department, University of Crete, P.O. Box 2208, Heraklion, Crete, 71003, Greece<br />
* frudakis@chemistry.uoc.gr<br />
Hydrogen is considered to be one of the most promising energy fuels. It can be stored in fuel cells in order to make easier<br />
and safer its transportation and usage in mobile applications. After the synthesis of Carbon Nanotubes (CNTs) [1] the<br />
scientific research has been focused on them, as they are believed to be a good candidate material for reversible hydrogen<br />
storage [2-4]. So far, the results have shown [5-7] that in ambient conditions, the hydrogen storage capacity of pristine CNTs<br />
is far below the gravimetric and volumetric targets that have been set by the U.S. Department of Energy (D.O.E.) [8].<br />
Doping CNTs with alkali metals like Lithium has as a result higher storage capacity [9-13] but even that remains far away<br />
from the D.O.E. targets. All these have lead to the proposal of new candidate structures based on carbon [14-16]. In the<br />
present work a novel three dimensional (3D) carbon based architecture is proposed as a new enhanced hydrogen storage<br />
material. The proposed structure consists of parallel graphite sheets build in such a way that they use CNTs as pillars for the<br />
connection. The resulted 3D networked nanostructure can be seen in Figure 1. Ab-initio calculations were performed to<br />
show the possibility of forming such a structure. They were done using the Density Functional Theory (DFT) level and the<br />
PBE functional. Our calculations showed that something like this is theoretically feasible and thus we continued to see how<br />
such a structure interacts with hydrogen atoms. In addition, more calculations were carried out when this structure was<br />
doped with a lithium atom. Furthermore, Monte – Carlo calculations were conducted to measure the ability of this structure<br />
to adsorb hydrogen. The uptake depends on both intertube and intersheet distance and also on the tube’s curvature. The<br />
results were encouraging compared with previous studies. A 50% enhancement is observed related to graphene sheets and<br />
nanotubes. Finally, when this novel material is doped with Li ions the volumetric uptake reaches 49 gr H 2 /Lit, fulfilling the<br />
DOE’s target i.e. 45 gr H 2 /Lit [8].<br />
Figure 1<br />
191
[1] S. Iijima, Nature 354, 56 (1991)<br />
[2] A. C. Dillon, K. M. Jones, T. A. Bekkedahl, C. H. Kiang, D. S. Bethune and M. J. Heben, Nature 386, 377 (1997)<br />
[3] C. Liu, Y.Y. Fan, M. Liu, H. T. Cong, H. M. Cheng and M. S. Dresselhaus, Science 286, 1127 (1999)<br />
[4] Y. Ye, C. C. Ahn, C. Witham, B. Fultz, J. Liu, A.G. Rinzler, D. Colbert, K. A. Smith and R. E. Smalley, Appl. Phys. Lett.<br />
74, 2307 (1999)<br />
[5] A. Züttel, Mater. Today 9, 24 (2003)<br />
[6] S. Orimo, A. Züttel, L. Schlapbach, G. Majer, T. Fukunaga and H. Fujii, J. Appl. Crystallogr. 356, 716 (2003)<br />
[7] M. Hirscher and M. Becher, J. of Nanoscience and Nanotechnology 3, 3 (2003)<br />
[8] Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program: Multiyear Research, Development and Demonstration<br />
Plan: Planned program activities for 2003 – 2010; U.S. Department of Energy, February 2005, Chapter 3.3, Revision 1,<br />
2005 http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/mypp/pdfs/storage.pdf<br />
[9] G. E. Froudakis, Nanoletters 1, 531 (2001)<br />
[10] Z. H. Zhu, G. Q. Lu and S. C. Smith, Carbon 42, 2509 (2004)<br />
[11] E.-C. Lee, Y.-S. Kim, Y.-G. Jin and K. J. Chang, Phys. Rev. B 66, 073415 (2002)<br />
[12] Y. L. Zhao, R. Q. Zhang and R. S. Wang, Chem. Phys. Lett. 398, 62 (2004)<br />
[13] I. Cabria, M. J. Lόpez and J. A. Alonso, J. Chem. Phys. 123, 204721 (2005)<br />
[14] P. F. Weck, E. Kim, N. Balakrishnan, H. Cheng and B. I. Yakobson, Chem. Phys. Lett. 439, 354 (2007)<br />
[15] J. M. Romo-Herrera, M. Terrones, H. Terrones, S. Dag and V. Meunier, Nanoletters 7, 570 (2007)<br />
[16] A. Kuc, L. Zhechkov, S. Patchkovskil, G. Seifert and T. Heine, Nanoletters 7, 1 (2007)<br />
192
Grand Canonical Monte Carlo Method for Predicting Hydrogen Adsorption<br />
Tyllianakis Emmanuel 1* , Klontzas Emmanuel 2 , Dimitrakakis K. Georgios 2 , Mpourmpakis Giannis 2 and Frudakis George E. 2<br />
1 Material Science and Technology Department, University of Crete, P.O. Box 2208, Heraklion, Crete, 71003, Greece<br />
2 Department of Chemistry, University of Crete, P.O. Box 2208, Heraklion, Crete, 71003, Greece<br />
*tilman@materials.uoc.gr<br />
A lot effort has been devoted for the study of interaction between hydrogen and nanostructures, in an effort for the hydrogen<br />
uptake to be calculated. From theoretical point of view, the only way to study this hydrogen adsorption is the Grand<br />
Canonical Monte Carlo method, since it permits the total number of particles adsorbed to fluctuate, whereas the chemical<br />
potential, μ, the cell volume, V, and the temperature, T, are kept constant i.e. (μ, V, T) ensemble. In this way, the pressure<br />
and temperature experimental conditions can be simulated, since the chemical potential is explicitly calculated for the<br />
specific thermodynamic state.<br />
Three types of motions occur during the simulation i.e. particle displacement, creation, and destruction. These different<br />
steps are executed with equal frequency. In a creation step, the position of the new particle is chosen randomly within pore<br />
volume V and its potential energy U is calculated. Finally these steps are accepted with the probability min(1; P) with<br />
⎛ U − μ ⎞ V<br />
⎛U<br />
− μ N<br />
P = exp<br />
⎜−<br />
⎟<br />
P<br />
creation<br />
destruction<br />
⎝ kBT<br />
⎠ N + 1<br />
k<br />
BT<br />
⎟ ⎞<br />
⎛ U1<br />
−U<br />
2<br />
⎞<br />
= exp<br />
⎜<br />
P =<br />
⎝ ⎠ V<br />
⎜−<br />
⎟<br />
displacement<br />
exp<br />
⎝ k<br />
BT<br />
⎠<br />
Prior to the GCMC simulation, the exact value of chemical potential for the specific thermodynamic condition is needed, as<br />
referred earlier. For that purpose the Widom test particle method [1] is implemented for bulk hydrogen, at densities that<br />
correspond to that condition. The basic idea of this method is to try to insert at regular intervals, a particle at a random<br />
position. The particle is assumed to have no difference on the rest of the system, but it has an energy, the average of which is<br />
used for the calculation of chemical potential.<br />
The correct form of the function that describes the non-bonded interactions is the central point of this method and to that<br />
direction a lot of classical effective potentials have been used. Among them the Lennard-Jones is the one, most widely used.<br />
According to this potential, the interaction between a pair of particles i and j separated by a distance r is given by the equation<br />
12<br />
6<br />
⎡⎛<br />
σ<br />
⎤<br />
ij<br />
⎞ ⎛σ<br />
ij<br />
⎞<br />
V ⎢⎜<br />
⎟ − ⎜ ⎟ ⎥<br />
ij<br />
= 4 ⋅ε<br />
ij<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎣⎝<br />
rij<br />
⎠ ⎝ rij<br />
⎠ ⎦<br />
where i and j denote hydrogen or carbon particles. ε describes the potential depth and σ is the size potential parameters.<br />
Besides this potential, some other functions have also been used like the Silvera-Goldman [2], the Crowell-Brown [3] etc.<br />
The main disadvantage of these potentials is the use of uniform parameters for a given pair of heteroatoms and hence the<br />
absence of varying these values according to the particularities of the system under examination. For that purpose, Monte<br />
Carlo method has often to corporate with accurate ab initio methods for the exact value of these parameters to be calculated.<br />
In addition to these potential some other terms are used also to describe other kind of interactions like electrostatic<br />
interactions, or the contributions of quantum effects which have been proven to contribute significally [4] especially at lower<br />
temperatures.<br />
The application of GCMC methods allows us to compare the efficiency of different nano-structures to adsorb hydrogen and<br />
study the contributions of some factors to that uptake. In that sense, a variety of simulations on different systems has been<br />
performed, including from graphene sheets and carbon nanotubes, that were the first systems to attract the scientific interest<br />
concerning hydrogen uptake, to more novel materials proposed like carbon nanoscrolls and metal organic frameworks. Some<br />
representative results from these calculations can be seen at Figures 1-5.<br />
Figure 1: GCMC calculations for (9-9) nanotube arrays with 0.7 nm intertube distance at pressure of 10 MPa and<br />
temperatures of 77, 175 and 293 K.<br />
193
Figure 3: GCMC calculations for undoped and Li ion doped nanoscroll at 10 MPa and 293 K.<br />
Figure 4: Top view and side view of snapshots from GCMC calculation on new proposed material for hydrogen adsorption.<br />
Figure 5: Snapshots from GCMC calculation on Li – doped metal organic framework, IRMOF-14.<br />
[1] B. Widom. Some topics in the theory of fluids. J. Chem. Phys., 39, 2802, (1963).<br />
[2] I.F. Silvera and V.V. Goldman, J. Chem. Phys., 69, 1, (1978).<br />
[3] A. D. Crowell and J. S. Brown, Surf. Sci. 123, 296 (1982).<br />
[4] P. Kowalczyk, R. Hołyst, A. P. Terzyk and P. A. Gauden, Langmuir, 22, 1970 (2006).<br />
[5] P. Kowalczyk, H. Tanaka, R. Hołyst, K. Kaneko, T. Ohmori and J. Miyamoto, J. Phys. Chem, 109 17174 (2005).<br />
194
Θεωρητική Μελέτη Αποθήκευσης Υδρογόνου στα Υπερ-Νανοπορώδη Υλικά της<br />
Οικογένειας IRMOF.<br />
Κλώντζας Εμμανουήλ. Φρουδάκης E. Γεώργιος * ,<br />
Τμήμα Χημείας, Σχολή Θετικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο Κρήτης, Τ.Θ. 2208, 71003 Βούτες, Ηράκλειο Κρήτης.<br />
*frudakis@chemistry.uoc.gr<br />
Η χρήση του Υδρογόνου ως εναλακτική πηγή ενέργειας έχει ελκύσει το ενδιαφέρον τόσο της<br />
επιστημονικής κοινότητας όσο και της ανθρώπινης κοινωνίας. Κι αυτό γιατί αυτή η πηγή<br />
ενέργειας χαρακτηρίζεται από πλεονεκτήματα όπως φιλικότητα προς το περιβάλλον,<br />
οικονομία και ανεξαρτησία στην παραγωγή του. Στην προσπάθεια που γίνεται για τη<br />
χρησιμοποίηση του Υδρογόνου σε καθημέρινες δραστηριότητες, ένα από τα σημαντικά<br />
προβλήματα που έχουν ανακύψει είναι και η αποθήκευση του με ασφάλεια σε κατάλληλες<br />
αποθηκευτικές δεξαμενές. Σημαντικές προσπάθειες έχουν γίνει για την εύρεση κατάλληλων<br />
υλικών, των οποίων η χρήση εντός κάποιας συμβατικής δεξαμενής, θα εξασφάλιζε την<br />
δραστική αύξηση των ποσών του αερίου που θα μπορούσαν να αποθηκευτούν σε ήπιες<br />
συνθήκες.<br />
Το Υδρογόνο είναι δυνατόν να προσροφήθει σε κάποιο υλικό με δυο τρόπους, με<br />
φυσιορόφηση ή με χημειορόφηση. Στην πρώτη περίπτωση, η διαδικασία προσρόφησης και<br />
εκρόφησης πραγματοποιείται χωρίς την ύπαρξη ενεργειακών φραγμάτων. Χαρακτηριστικά<br />
υλικά της πρώτης κατηγορίας είναι τα μικρο-νανοπορώδη υλικά, όπως οι Ζεόλιθοι[1] και οι<br />
νανοσωλήνες[2][3], ενώ της δεύτερης τα μεταλλικά και χημικά Υδρίδια[4]. Μετρήσεις<br />
αποθήκευσης Υδρογόνου σε διαφορους τύπους Ζεόλιθων και υλικών με βάση των Άνθρακα<br />
έδειξαν ότι δεν είναι ικάνα να αποθηκεύσουν ικάνες ποσότητες αερίου (σύμφωνα με τους<br />
στόχους που έχουν προκαθοριστεί από το Τμήμα Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών<br />
(DOE)[5]. Τα τελευταία χρόνια εμφανίστηκε μια νέα κατηγορία μικροπορωδών υλικών που<br />
δημιουργούνται από τη συναρμογή μετάλλων και οργανικών μορίων. Τα υλικά αυτά είναι<br />
ευρύτερα γνωστά σαν Isorecticlular Metal-Organic Frameworks (IRMOF’s)[6][7] και<br />
εμφανίζουν μια σειρά από επιθυμητές ιδιότητες, όπως μεγάλη ειδική επιφάνεια, θερμική<br />
σταθερότητα, ρυθμιζόμενες διαστάσεις πόρων και ανοιγμάτων. Ο σκελετός τους αποτελείται<br />
από δομικές μονάδες Zn 4 O που γεφυρώνονται με κατάλληλα δικαρβοξυλικά οργανικά μόρια<br />
και δημιουργείται ένα 3D δίκτυο πόρων. Το μέγεθος των πόρων μεταβάλλεται ανάλογα με το<br />
μέγεθος των οργανικών μορίων, με αποτέλεσμα να έχει προκύψει μια ολόκληρη οικογένεια<br />
αυτών των υλικών (IRMOF-1 έως IRMOF-20).<br />
Λόγω των ιδιαίτερων ιδιοτήτων τους μελετήθηκαν για αποθήκευση Υδρογόνου, όπου<br />
τα πρώτα αποτελέσματα ήταν πολύ ενθαρυντικά. Ο τρόπος αλληλεπίδρασης του Υδρογόνου<br />
με τα υλικά αυτά δεν ήταν ξεκάθαρος και έτσι επιλέξαμε να μελετήσουμε την αλληλεπίδραση<br />
του Υδρογόνου με το σκελετό των IRMOF με υπολογιστικές μεθόδους από πρώτες αρχές και<br />
Θεωρίας Συναρτησιακού Πυκνότητας (DFT) . Λόγω του μεγέθους του μεγάλου αριθμού<br />
ατόμων του σκελετού, επιλέξαμε να μελετήσουμε το σύστημα μας στηριζόμενοι στη μέθοδο<br />
των συσσωματωμάτων. Επιλέξαμε να μελετήσουμε χωριστά την αλληλεπίδραση του<br />
Υδρογόνου με τα διάφορα πιθανά κέντρα αλληλεπίδρασης στις δυο δομικές μονάδες. Ειδικά<br />
για την Zn 4 O δομική μονάδα, υιοθετήσαμε διάφορα γεωμετρικά μοντέλα για να μελετήσουμε<br />
τη μεταβολή της αλληλεπίδρασης του Υδρογόνου με τα διάφορα κέντρα αλληλεπίδρασης.<br />
Για κάθε πιθανό κέντρο, συμπεριλάβαμε στη μελέτη μας δυο πιθανές γεωμετρίες<br />
προσέγγισης του Υδρογόνου. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του<br />
υπολογιστικού πακέτου TURBOMOLE[8].<br />
Τα αποτελέσματα των υπολογισμών[9][10] έδειξαν ότι τα κέντρα αλληλεπίδρασης που<br />
εντοπίζονται γύρω απο το Zn 4 O υπερτερούν σε ενέργεια δέσμευσης από αυτά των οργανικών<br />
195
μερών, εμφανίζοντας παρόμοιες ενέργειες αλληλεπίδρασης του Υδρογόνου μεταξύ τους. Οι<br />
τιμές των ενεργειών αλληλεπίδρασης κατατάσσουν το είδος της αλληλεπίδρασης ως ασθενής<br />
φυσιορόφηση, που οφείλεται κυρίως στην πρόκληση στιγμιαίων διπολικών ροπών λόγω της<br />
πολωσιμότητας των ατόμων Οξυγόνου. Στη συνέχεια μελετήσαμε την αλληλεπίδραση<br />
Υδρογόνου με διάφορα πιθανά οργανικά μόρια, είτε αυξανοντας τον αριθμό των δακτυλίων<br />
είτε με την εισαγωγή ετεροατόμων (Β, Ν, Ο, S)[]. Για την πρώτη περίπτωση, παρατηρήσαμε<br />
αύξηση του αριθμού των κέντρων δέσμευσης χώρις αύξηση της ενέργειας αλληλεπίδρασης,<br />
ενώ στη δεύτερη περίπτωση αντικατάσταση ατόμων απο Άζωτο αύξησε την ενεργεια<br />
αλληλεπίδρασης.<br />
[1] P. Nachtigall, E. Garrone, G.T. Palomino, M.R. Delgado, D. Nachtigallova and C.O.<br />
Arean, Phys. Chem. Chem. Phys., 2006, 8, 2286-2292<br />
[2] G. Mpourmpakis and G.E. Froudakis, Catalysis Today, 2007, 120, 341<br />
[3] G. Mpourmpakis, G.E. Froudakis, G.P. Lithoxoos and J. Samios, Nano Lett., 2006, 6,<br />
1581-1583<br />
[4] M. Fichtner, Advanced Engineering Materials, 2005, 7, 443-455<br />
[5] See U.S DOE website, http://www.eere.energy.gov<br />
[6] N.L. Rosi, J. Eckert, M. Eddaoudi, D.T. Vodak, J. Kim, M. O’Keeffe and O.M. Yaghi,<br />
Science 2003, 300, 1127-1129<br />
[7] J.L.C. Rowsell and O.M. Yaghi, Angew. Chem., Int. Ed., 2005, 44, 4670-4679<br />
[8] Turbomole version 5.8, http://www.turbomole.com<br />
[9] E. Klontzas, A. Mavrandonakis, G.E Froudakis, Y. Carissan and W. Klopper, Submitted<br />
[10] E. Klontzas, G.E Froudakis, in preparation<br />
196
Μορφοποιημένα Λεπτά Μεταλλικά Υμένια πάνω σε Φωτονικό Κρύσταλλο Si για<br />
Εκπομπή Υπερύθρου Υψηλής Απόδοσης.<br />
Π. Θεοδώνη 1* , Π. Μπαγιάτη 1 , Μ. Χατζηχρηστίδη 1 , A. Σπηλιώτης 2 , Β. Βαμβακάς 1 , Ι. Ράπτης 1 και Ν. Παπανικολάου 1<br />
1 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, NCSR “Δημόκριτος”, Αγ. Παρασκευή, Αθήνα, 15310, Ελλάδα<br />
2 Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, NCSR “Δημόκριτος”, Αγ. Παρασκευή, Αθήνα, 15310, Ελλάδα<br />
* e-mail: ptheod@phys.uoa.gr , Τηλ: +30-210 6503245.<br />
Λεπτά μεταλλικά υμένια με περιοδική διάταξη οπών μικρότερων του μήκους κύματος παρουσιάζουν εξαιρετικά μεγάλο<br />
συντελεστή διέλευσης, υψηλότερο από αυτόν που αναμένεται στην συνήθη διάθλαση [1]. Το φαινόμενο παρατηρήθηκε σε<br />
οπτικές αλλά και σε υπέρυθρες συχνότητες (IR). Ο συνδυασμός τέτοιων μεταλλικών υμενίων με οπές διαστάσεων<br />
μικρομέτρου, με φωτονικούς κρυστάλλους παρουσιάζει ενδιαφέρουσα θερμική εκπομπή που διαφέρει πολύ από το φάσμα<br />
του μέλανος σώματος [2]. Τα υμένια αυτά έχουν ενδιαφέρουσες εφαρμογές ως θερμικοί εκπομποί σε θερμοφωτοβολταϊκά<br />
αλλά και ως χημικοί αισθητήρες στο υπέρυθρο. Σύμφωνα με το νόμο του Kirchhoff η θερμική εκπομπή ισούται με την<br />
απορρόφηση (Α) επομένως αποδοτικοί εκπομποί υπερύθρου, στενού εύρους συχνοτήτων πρέπει να έχουν αντίστοιχη<br />
απορρόφηση η οποία συνδέεται με τον συντελεστή ανάκλασης (R) και τον συντελεστή διέλευσης (T), A= 1-R-T.<br />
(a)<br />
(b)<br />
0.4<br />
0.3<br />
Transmittance<br />
0.2<br />
0.1<br />
2,0 1,1 1,0 2,2 1,2 0,2<br />
1,1 0,1<br />
0.0<br />
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22<br />
Wavelenght (μm)<br />
Σχήμα 1. Εικόνα SEM των δομών που κατασκευάστηκαν με οπτική<br />
λιθογραφία: (a) Τετραγωνικό πλέγμα οπών σε υπόστρωμα Si<br />
επιστρωμένο 100 nm Al. Η διάμετρος των οπών είναι 2.5 μm και η<br />
σταθερά του πλέγματος είναι 5μm. (b) Η δομή μετά την εγχάραξη του<br />
Si σε βάθος 5μm.<br />
∼<br />
Σχήμα 2. Φάσμα διέλευσης IR ενός λεπτού<br />
υμενίου (100 nm) Al μορφοποιημένο με<br />
τετραγωνικό πλέγμα (πλεγματική σταθερά 5 μm)<br />
οπών διαμέτρου 2.5 μm πάνω σε υπόστρωμα Si<br />
380 μm. Οι οριζόντιες γραμμές σημειώνουν τα<br />
μήκη κύματος επιφανειακών πλασμονίωνπολαριτονίων<br />
για διεπιφάνεια Al/Si (μαύρο<br />
συνεχές) και Al/air (μπλε διακεκομμένο).<br />
Κατασκευάσαμε περιοδικές δομές οπών σε λεπτά υμένια Al πάνω σε Si. Χρησιμοποιήσαμε οπτική λιθογραφία στο Si,<br />
επιμετάλλωση με 100 nm Al και στη συνέχεια lift-off σε υπερήχους που έδωσε τη δομή των οπών στο Al πάνω σε<br />
ομοιόμορφο υπόστρωμα Si όπως φαίνεται στην Σχήμα 1a. Ο συντελεστής διέλευσης στο υπέρυθρο μετρήθηκε με<br />
φασματογράφο FTIR και το φάσμα (Σχήμα 2) παρουσιάζει ενισχυμένη διέλευση μέχρι 35% κοντά στις συχνότητες των<br />
επιφανειακών πλασμονίων-πολαριτονίων (ΕΠΠ) που προβλέπονται για μια διεπιφάνεια Al/Si ενώ μικρότερες κορυφές<br />
παρατηρούνται στις συχνότητες ΕΠΠ για διεπιφάνεια Al/Αέρα. Το Si στη συνέχεια εγχαράχτηκε χρησιμοποιώντας το Al ως<br />
μάσκα με μια πηγή πλάσματος υψηλής πυκνότητας τύπου helicon, μέχρι βάθους 5 μm (Σχήμα 1b). Το φάσμα ανάκλασης IR<br />
παρουσιάζεται στο Σχήμα 3. Ο συντελεστής ανάκλασης εμφανίζει μια απότομη πτώση και φθάνει σε ένα ελάχιστο για μήκος<br />
κύματος περίπου 5.7 μm. Παράλληλα ο συντελεστής διέλευσης είναι μικρός επομένως η πτώση στην ανάκλαση αντιστοιχεί<br />
σε αυξημένη απορρόφηση. Η δομή απορροφά σε ένα στενό εύρος συχνοτήτων στο υπέρυθρο και αναμένεται να έχει<br />
αντίστοιχο φάσμα θερμικής εκπομπής. Το φάσμα εξαρτάται από το μέγεθος των οπών, ενώ το βάθος τους φαίνεται να έχει<br />
λιγότερη επίδραση. Προκειμένου να διευκρινιστεί ο ρόλος του λεπτού μεταλλικού υμενίου κατασκευάσαμε και φωτονικούς<br />
κρυστάλλους Si (περιοδικές δομές οπών), χωρίς μεταλλική επίστρωση χρησιμοποιώντας την ίδια γεωμετρία. Τα φάσματα<br />
παρουσιάζονται στο Σχήμα 4. Ο συντελεστής ανάκλασης είναι μικρός, περίπου 20%, και εμφανίζει ελάχιστο για μήκη<br />
κύματος λίγο μικρότερα από τη σταθερά του πλέγματος (5 μm). Ταυτόχρονα, ο συντελεστής διέλευσης έχει ελάχιστο στην<br />
ίδια περιοχή μηκών κύματος. Είναι σαφές ότι ο φωτονικός κρύσταλλος Si είναι υπεύθυνος για την απορρόφηση κοντά στα 6<br />
μm ενώ το μέταλλο καθιστά τη δομή ιδιαίτερα ανακλαστική για τα μήκη κύματος μεγαλύτερα από 10 μm<br />
197
1.0<br />
Reflectance<br />
1.1<br />
1.0<br />
0.9<br />
0.8<br />
0.7<br />
0.6<br />
0.5<br />
0.4<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
0.0<br />
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22<br />
Wavelength (μm)<br />
Transmittance<br />
Reflectance<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
0.0<br />
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22<br />
Wavelength (μm)<br />
Σχήμα 3. Φάσμα ανάκλασης ΙR της δομής που φαίνεται στο<br />
Σχήμα 1b.<br />
Σχήμα 4. Φάσματα διέλευσης και ανάκλασης υπερύθρου<br />
ενός φωτονικού κρυστάλλου Si με οπές αέρα βάθους 5 μm,<br />
διαμέτρου 2.5 μm σε τετραγωνικό πλέγμα πλεγματικής<br />
σταθεράς 5μm.<br />
Διερευνήσαμε επίσης την επίδραση του μεγέθους των οπών στα φάσματα IR. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι γενικά<br />
μικρότερες οπές οδηγούν σε χαμηλότερα ελάχιστα του συντελεστή ανάκλασης μαζί με μια μετατόπιση προς το κυανό.<br />
Επιπλέον, αντικαταστήσαμε το Al με Au και πήραμε παρόμοια φάσματα IR.<br />
Συμπερασματικά, κατασκευάσαμε περιοδικές δομές οπών διαμέτρου μερικών μικρομέτρων σε Si επιστρωμένο με Al. Οι<br />
δομές απορροφούν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε μια στενή περιοχή μηκών κύματος κοντά στην πλεγματική σταθερά<br />
και αναμένεται να εμφανίζουν θερμική εκπομπή σε στενή περιοχή συχνοτήτων στο υπέρυθρο.<br />
[1] T.W. Ebbesen, H.J. Lezec, H.F. Ghaemi, T. Thio, P.A. Wolff, Nature 391, 667 (1998)<br />
[2] R. Biswas, C.G. Ding, I. Puscasu, M. Pralle, M. McNeal, J. Daly, A. Greenwald, E. Johnson, Phys. Rev. B 74, 045107<br />
(2006)<br />
198
Οπτικές Ιδιότητες Περιοδικών Δομών Μεταλλικών Νανοφλοιών<br />
Τσερκέζης Χ. 1* , Γκαντζούνης Γ. 1 και Στεφάνου Ν. 1<br />
1 Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Πανεπιστήμιο Αθηνών, Πανεπιστημιούπολη Ζωγράφου, 157 84 Αθήνα<br />
*ctserk@phys.uoa.gr<br />
Η οπτική απόκριση μεταλλικών νανοφλοιών είναι πολύ πιο σύνθετη από αυτή συμπαγών μεταλλικών νανοσωματιδίων, διότι<br />
μπορούν να διεγερθούν πλασμόνια τόσο στην εξωτερική όσο στην εσωτερική επιφάνεια του φλοιού, η δε ιδιοσυχνότητά τους<br />
ρυθμίζεται κατά βούληση με κατάλληλη επιλογή διαστάσεων και υλικών [1, 2]. Τα πλασμόνια στις δυο επιφάνειες του<br />
μεταλλικού φλοιού (ε Μ =1−ω p 2 /[ω(ω+iγ)]) αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, δίνοντας συζευγμένες καταστάσεις, μία σε<br />
χαμηλότερη συχνότητα (τύπου σωματιδίου) και μία σε υψηλότερη (τύπου κοιλότητας). Η αλληλεπίδραση και οι<br />
συνεπαγόμενες μετατοπίσεις των ιδιοσυχνοτήτων αυξάνονται όσο μεγαλώνει η αλληλοεπικάλυψη, π.χ. όσο μειώνεται το<br />
πάχος του φλοιού, και είναι πιο εμφανείς για τις διπολικές καταστάσεις λόγω της σχετικά μεγάλης χωρικής τους έκτασης. Το<br />
φαινόμενο αυτό καταδεικνύεται στο σχήμα 1 στην<br />
περίπτωση των διπολικών πλασμονικών συντονισμών,<br />
για σφαιρικό σωματίδιο σταθερής εξωτερικής ακτίνας<br />
S=c/ω p αποτελούμενο από πυρήνα SiO 2 (ε=2.1) ακτίνας<br />
S 1 καλυμμένο με μεταλλικό φλοιό πάχους D. Όλοι οι<br />
υπολογισμοί στην εργασία αυτή έγιναν με τη μέθοδο<br />
στρωματικής πολλαπλής σκέδασης [3]. Απουσία<br />
αλληλεπίδρασης μεταξύ των δύο καταστάσεων, δηλαδή<br />
για απειροστά μικρό πυρήνα, ο διπολικός συντονισμός<br />
πλασμονίων τύπου σωματιδίου βρίσκεται σε συχνότητα<br />
0.518ω p (τη διπολική πλασμονική ιδιοσυχνότητα ενός<br />
ομοιογενούς μεταλλικού σωματιδίου ακτίνας S=c/ω p )<br />
Σχήμα 1. Σφαιρικό σωματίδιο σταθερής ακτίνας S=c/ω p ,<br />
αποτελούμενο από πυρήνα SiO 2 και μεταλλικό φλοιό, στον<br />
αέρα. Μεταβολή της θέσης των διπολικών πλασμονικών<br />
συντονισμών συναρτήσει του πάχους του φλοιού.<br />
ενώ ο διπολικός συντονισμός πλασμονίων τύπου<br />
κοιλότητας σε συχνότητα 0.698ω p (τη διπολική<br />
πλασμονική ιδιοσυχνότητα μιας μικρής σφαίρας SiO 2 σε<br />
μέταλλο), όπως αναμενόταν. Όσο το D μειώνεται, τόσο<br />
περισσότερο μετατοπίζονται οι αντίστοιχες<br />
ιδιοσυχνότητες.<br />
Θεωρούμε τώρα ένα τετραγωνικό πλέγμα, πλεγματικής σταθεράς a 0 =3c/ω p , των παραπάνω σωματιδίων με S 1 =0.7c/ω p<br />
και D=0.3c/ω p στον αέρα και αγνοούμε αρχικά τις απώλειες. Ο (2l+1)-πλός εκφυλισμός των πλασμονικών καταστάσεων του<br />
μεμονωμένου μεταλλικού νανοφλοιού αίρεται λόγω αλληλεπίδρασης με τους άλλους νανοφλοιούς του επιπέδου. Για<br />
κυματάνυσμα κάθετο στο επίπεδο, οι καταστάσεις έχουν τη συμμετρία των μη αναγωγίσιμων αναπαραστάσεων της ομάδας<br />
C 4v : Δ 1 , Δ 2 , Δ 1΄, Δ 2΄, Δ 5 [4]. Σύμφωνα με τη θεωρία ομάδων, μια διπολική κατάσταση ανάγεται σε μία κατάσταση Δ 1 και μία<br />
Δ 5 , μια τετραπολική σε μία Δ 2 , μία Δ 1΄, μία Δ 2΄ και μία Δ 5 , κ.ο.κ. Ένα επίπεδο ΗΜ κύμα που διαδίδεται κάθετα στο επίπεδο<br />
των νανοφλοιών έχει συμμετρία Δ 5 και κατά συνέπεια μόνο καταστάσεις του επιπέδου των νανοφλοιών με αυτή τη<br />
συμμετρία μπορούν να διεγερθούν από εξωτερικά<br />
προσπίπτον κύμα. Καταστάσεις διαφορετικής<br />
συμμετρίας είναι ανενεργές˙ πρόκειται για δέσμιες<br />
καταστάσεις του συστήματος που φθίνουν εκθετικά στο<br />
μηδέν έξω από το επίπεδο των νανοφλοιών. Οι<br />
ανενεργές καταστάσεις αντιστοιχούν σε πόλους του<br />
πίνακα σκέδασης στον πραγματικό άξονα των<br />
συχνοτήτων ενώ οι οπτικά ενεργές, συμμετρίας Δ 5 , σε<br />
πόλους στο κάτω μιγαδικό ημιεπίπεδο (το φανταστικό<br />
μέρος του πόλου προσδιορίζει τον αντίστροφο χρόνο<br />
ζωής της αντίστοιχης κατάστασης). Για παράδειγμα, η<br />
διπολική πλασμονική κατάσταση τύπου σωματιδίου ενός<br />
μεμονωμένου νανοφλοιού δίνει μια δέσμια κατάσταση<br />
Σχήμα 2 Τετραγωνικό πλέγμα (a 0 =3c/ω p ) νανοσωματιδίων<br />
από πυρήνα SiO 2 (S 1 =0.7c/ω p ) και μεταλλικό φλοιό<br />
(D=0.3c/ω p ) στον αέρα. Πάνω: Συντελεστής διέλευσης για<br />
κάθετη πρόσπτωση αν αγνοηθεί η απορρόφηση. Κάτω:<br />
Συντελεστές διέλευσης και απορρόφησης για κάθετη<br />
πρόσπτωση αν ληφθεί υπόψη η απορρόφηση στο μέταλλο<br />
(γ=0.025ω p ).<br />
συμμετρίας Δ 1 σε συχνότητα 0.416ωp και μια κατάσταση<br />
συντονισμού συμμετρίας Δ 5 σε συχνότητα 0.361ω p με<br />
αντίστροφο χρόνο ζωής 0.040ω p . Όμοια, η διπολική<br />
πλασμονική κατάσταση τύπου κοιλότητας δίνει μια<br />
δέσμια κατάσταση Δ 1 σε συχνότητα 0.863ω p και μια<br />
κατάσταση συντονισμού Δ 5 σε συχνότητα 0.844ω p με<br />
αντίστροφο χρόνο ζωής 0.042ω p . Καθώς αυξάνεται το l,<br />
οι ιδιοκαταστάσεις τύπου σωματιδίου και τύπου<br />
κοιλότητας πλησιάζουν η μία την άλλη δημιουργώντας<br />
ένα πυκνό, σχεδόν συνεχές φάσμα. Όπως όμως φαίνεται<br />
στο σχήμα 2, συντονισμοί με μεγάλους χρόνους ζωής<br />
χάνονται λόγω απορρόφησης και ουσιαστικά μόνο η<br />
διπολική και η τετραπολική κατάσταση εκδηλώνονται<br />
199
στο συντελεστή διέλευσης. Αντίστοιχες κορυφές εμφανίζονται στο φάσμα απορρόφησης.<br />
Θεωρούμε τώρα έναν κρύσταλλο fcc ως επαλληλία επιπέδων (001) των παραπάνω νανοφλοιών. Η πλεγματική του<br />
σταθερά είναι a = 2a<br />
= 3 2c<br />
/ ω και η απόσταση μεταξύ διαδοχικών επιπέδων (001) d=a/2. Αγνοούμε την απορρόφηση<br />
Σχήμα 3 Αριστερά: Φωτονική δομή ζωνών ενός κρυστάλλου<br />
fcc ( a = 3 2 c / ω ) νανοσωματιδίων από πυρήνα SiO 2<br />
p<br />
0<br />
(S 1 =0.7c/ω p ) και μεταλλικό φλοιό (D=0.3c/ω p ) χωρίς<br />
απορρόφηση, στον αέρα, κατά τη διεύθυνση [001]. Οι παχιές<br />
και οι λεπτές γραμμές δείχνουν τις διπλά εκφυλισμένες και τις<br />
μη εκφυλισμένες ζώνες, αντίστοιχα. Δεξιά: Συντελεστής<br />
διέλευσης για κάθετη πρόσπτωση σε πλακίδιο από N L =8<br />
επίπεδα (001) αυτού του κρυστάλλου.<br />
p<br />
στο μέταλλο για να έχουν σαφή έννοια οι ζώνες συχνοτήτων που υπολογίζουμε. Στο σχήμα 3 δείχνουμε τη φωτονική δομή<br />
ζωνών κατά τη διεύθυνση [001], όπου η συμμετρία των ζωνών είναι αυτή της ομάδας C 4v [4]. Οι ζώνες Δ 1 , Δ 2 , Δ 1΄, Δ 2΄ είναι<br />
μη εκφυλισμένες και οι Δ 5 διπλά εκφυλισμένες. Η επιφάνεια (001) του κρυστάλλου αυτού είναι επίπεδο κατοπτρικής<br />
συμμετρίας και επομένως παρουσιάζουμε μόνο τις ζώνες για θετικό k z . Σε χαμηλές συχνότητες, που δεν δείχνουμε στο<br />
σχήμα, παίρνουμε μια γραμμική καμπύλη διασποράς,<br />
συμμετρίας Δ 5 , όπως αναμένεται για διάδοση σε<br />
ομοιογενές ενεργό μέσο. Σε υψηλότερες συχνότητες<br />
βλέπουμε επίπεδες ζώνες που προέρχονται από τις<br />
καταστάσεις επιφανειακών πλασμονίων των<br />
νανοφλοιών. Η συνιστώσα Δ 5 αυτών των ζωνών<br />
υβριδοποιείται με τις ζώνες Δ 5 του ενεργού μέσου, για<br />
να δώσουν τις ζώνες Δ 5 που παρουσιάζονται στο σχήμα<br />
3. Χάσματα συχνοτήτων ανοίγουν λόγω υβριδισμού<br />
μεταξύ της εκτεταμένης ζώνης και των επίπεδων ζωνών<br />
της ίδιας συμμετρίας. Ο υβριδισμός είναι ισχυρότερος<br />
για τη ζώνη διπολικού συντονισμού, λόγω της<br />
μεγαλύτερης χωρικής έκτασης των αντίστοιχων<br />
καταστάσεων, και το χάσμα που προκύπτει είναι<br />
ευρύτερο. Οι διπολικές καταστάσεις πλασμονίων των<br />
νανοφλοιών δίνουν μια τριπλά εκφυλισμένη κατάσταση<br />
(συμμετρίας Γ 15 ) στο κέντρο της ζώνης Brillouin, που<br />
διαχωρίζεται σε μια ζώνη Δ 1 και μια Δ 5 κατά τη<br />
διεύθυνση [001]. Οι αντίστοιχες τετραπολικές<br />
καταστάσεις δίνουν μια τριπλά εκφυλισμένη (Γ 25΄) και<br />
μια διπλά εκφυλισμένη (Γ 12 ) κατάσταση στο κέντρο της<br />
ζώνης Brillouin˙ αυτές διαχωρίζονται σε μια ζώνη Δ 2΄<br />
και μια Δ 5 , καθώς και σε μια ζώνη Δ 1 και μια Δ 2 κατά<br />
μήκος της διεύθυνσης [001], αντίστοιχα. Δύο χάσματα<br />
ανοίγουν ως αποτέλεσμα του υβριδισμού μεταξύ της<br />
εκτεταμένης ζώνης ενεργού μέσου και των παραπάνω<br />
ζωνών συντονισμού Δ 5 . Οι μη εκφυλισμένες ζώνες κατά<br />
τη διεύθυνση [001] προέρχονται από ασθενή<br />
αλληλεπίδραση μεταξύ των αντίστοιχων δέσμιων καταστάσεων διαδοχικών επιπέδων (001). Πράγματι, υπολογίζοντας τις<br />
ιδιοκαταστάσεις κάθετα σε πλακίδιο από N L =8 τέτοια επίπεδα νανοφλοιών, στην περιοχή συχνοτήτων κάθε μιας από αυτές<br />
τις ζώνες βρίσκουμε 8 ιδιοσυχνότητες οι οποίες, αν σχεδιαστούν συναρτήσει του ανηγμένου κυματαριθμού k z =κπ/(Ν L +1)d,<br />
κ=1, 2, …, Ν L , (N L =8), αναπαράγουν τις αντίστοιχες καμπύλες διασποράς του άπειρου κρυστάλλου, όπως φαίνεται με<br />
ανοικτούς κύκλους στο σχήμα 3 για τη χαμηλότερη μη εκφυλισμένη ζώνη. Όπως ήδη αναφέραμε, οι μη εκφυλισμένες ζώνες<br />
κατά μήκος της διεύθυνσης [001] του κρυστάλλου δεν μπορούν να διεγερθούν από εξωτερικά προσπίπτον κύμα, διότι δεν<br />
έχουν την κατάλληλη συμμετρία. Στο σχήμα 3, εκτός από τις συνηθισμένες ζώνες συχνοτήτων (πραγματικό k z ) δείχνουμε και<br />
τις γραμμές πραγματικής συχνότητας για μιγαδικές ιδιοτιμές k z που αντιστοιχούν στις διπλά εκφυλισμένες ζώνες. Αυτές οι<br />
γραμμές είναι οι αναλυτικές επεκτάσεις στο μιγαδικό επίπεδο k z των ζωνών πάνω και κάτω από τα χάσματα. Η γραμμή<br />
πραγματικής συχνότητας της κατάλληλης συμμετρίας (Δ 5 στην παρούσα περίπτωση) με το μικρότερο φανταστικό μέρος<br />
στην περιοχή ενός χάσματος καθορίζει την εξασθένιση του πεδίου: lnT(ω)=−2dN L Im[k z (ω)] + σταθερά κατά την αντίστοιχη<br />
διεύθυνση. Αυτό πράγματι παρατηρείται στο συντελεστή διέλευσης: εντός του πρώτου χάσματος, η γραμμή καθορίζει τη<br />
διέλευση κάτω από τη συχνότητα 0.386ω p ενώ η γραμμή καθορίζει τη διέλευση πάνω από αυτή τη συχνότητα. Οι δομές<br />
συντονισμού στο συντελεστή διέλευσης από πεπερασμένο πλακίδιο του κρυστάλλου, στην περιοχή από 0.45ω p έως 0.47ω p ,<br />
οφείλονται σε πλασμονικούς συντονισμούς νανοφλοιών μεμονωμένων επιπέδων που αλληλεπιδρούν ασθενώς μεταξύ τους.<br />
Είναι αξιοσημείωτο ότι οι συντονισμοί του πλακιδίου εμφανίζονται σε συχνότητες κατά μήκος της γραμμής πραγματικής<br />
συχνότητας που αντιστοιχούν σε Re[k z ]=κπ/(Ν L +1)d, κ=1, 2, …, Ν L , όπου N L =8 είναι ο αριθμός των επιπέδων στο πλακίδιο,<br />
όπως φαίνεται με ανοιχτούς κύκλους στο σχήμα 3. Σε χαμηλές συχνότητες, που δεν δείχνουμε στο σχήμα, ο συντελεστής<br />
διέλευσης εμφανίζει ταλαντώσεις Fabry-Perot λόγω πολλαπλής σκέδασης στις επιφάνειες του πλακιδίου. Η περίοδός τους<br />
είναι k z d/π=1/8, όπως αναμένεται για το δεδομένο πάχος πλακιδίου.<br />
[1] Prodan E., Radloff C., Halas N. J., Nordlander P., Science 302 (2003) 419.<br />
[2] Teperik T. V., Popov V. V., Garcia de Abajo F. J., Phys. Rev. B 69 (2004) 155402.<br />
[3] Stefanou N., Yannopapas V., Modinos A., Comput. Phys. Commun. 113 (1998) 49; 132 (2000) 189.<br />
[4] Cornwell J. F. Group Theory and Electronic Energy Bands in Solids. Amsterdam, North-Holland, 1969.<br />
200
Fishnet Structure: The Occurrence of Left-Handed Behavior Over a Wide Range of<br />
Geometrical Parameters<br />
Irini Tsiapa, Nikos Katsarakis*, Maria Kafesaki, George Kenanakis, Costas M. Soukoulis, Eleftherios N. Economou<br />
Institute of Electronic Structure and Laser (IESL), Foundation for Research & Technology-Hellas (FORTH), P.O. Box 1527,<br />
Vassilika Vouton, 711 10 Heraklion, Crete, Greece<br />
*katsan@iesl.forth.gr<br />
Left-handed metamaterials (LHMs), i.e. artificial materials that exhibit both negative effective electrical permittivity, ε and<br />
magnetic permeability, µ, over a common frequency band, have received recently a lot of attention due to their interesting<br />
electromagnetic (EM) properties that create new perspectives for the manipulation of electromagnetic waves (negative<br />
refraction, evanescent wave amplification, perfect lensing etc). Here, we have carried out a systematic study of the so-called<br />
fishnet design in the microwave frequency region, and have demonstrated its advanced performance, namely its ability to<br />
produce left-handed behavior over a wide range of structure parameters. The role of the various geometrical parameters on<br />
the resonance frequency and strength has been investigated by means of free-space microwave measurements and<br />
simulations using the Finite Integration Technique, employed through the MicroWave Studio commercial software.<br />
[1] S. Zhang, W. Fan, N. C. Panoiu, K. J. Malloy, R. M. Osgood, and S. R. J. Brueck, Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 137404.<br />
[2] S. Zhang, W. Fan, K. J. Malloy, S. R. Brueck, N. C. Panoiu, and R. M. Osgood, Opt. Express 13 (2005) 4922.<br />
[3] J. Zhou, L. Zhang, G. Tuttle, Th. Koschny, and C. M. Soukoulis, Phys. Rev. B 73 (2006) 041101.<br />
201
¿ÔÖØÑÒØÓÐØÖÐÒÒÖÒ¸ÌÒÓÐÓÐÙØÓÒÐÁÒ×ØØÙØÓÖظ ½¼¼¿ÀÖÐÓÒ¸ÖÒÁÒ×ØØÙØÓÐØÖÓÒËØÖÙØÙÖÒÄ×Ö¸ źÐØÖÓÙ½¾¸ÆºÄÞÖ×½¿¸ÒºÈºÌ×ÖÓÒ×½ ½ÔÖØÑÒØÓÈÝ×׸ÍÒÚÖ×ØÝÓÖظȺǺÓܾ¾¼¸ ¾ÌÒÓÐÓÐÙØÓÒÐÁÒ×ØØÙØÓÖØØÊØÝÑÒÓÒ¸ º×иÈÖÚÓи½¼¼ÊØÝÑÒÓ¸ÖØ¸Ö ÇÊÌÀ¸ÈºÇºÓܽ¾¸½½½¼ÀÖÐÓÒ¸Ö ×ÖØÖØÖ×ÒËÊÊÔÐÒ×<br />
ÅÒØÑØÑØÖÐ×´ÅÅ×µÖÒÓÚÐØÝÔ×ÓÑØÖÐ×ØØÜØÒØÚÖÖØÓÒ½℄º ÁÒÔÖØÙÐÖ¸ÑØÖÐ×ÓÑÔÓ×ÝÖÖÝ×ÓÛÖ×Ò×ÔÐعÖÒÖ×ÓÒØÓÖ×´ËÊʵÖÖÖÖ× ÐعÒÑØÖÐ×´ÄÀŵ¸ÔÓ××××ÒÒØÚÔÖÑÐØÝÒÐØÖÔÖÑØØÚØݺÀÖÛ ÙÐØØ׸ÔÖØÑÒس×ØÖÙØÙÖÓÒ×ØØÙÒØ×ÐÅØÖ¸ ÍÒÚÖ×ØØÖÐÓÒ¸ÚºÓÒи¹¼¼¾ÖÐÓÒ¸ËÔÒ ÈºÇºÓܽ¼¸ËØÚÖÓÑÒÓ׸½¼¼¸ÀÖÐÓÒ¸ÖظÖ<br />
Ñ××ÓÒÔÖÓÔÖØ×ÓØ×Ý×ØѺÊÒØÐÝ×ÖÓÙÒÒÒÓÒÐÒÖÑØÑØÖÐ×Ò½¿℄º ÓÒÒØÖØÓÒÅÅ×ØØÖÒÓÒÐÒÖ×ÛÐÐ××ÖغÏÐÒÓÒÐÒÖØÝÖ×ÙÐØ×Ò×йÓÙ×Ò¸ ×ÖØÒ××ÒÙ×ÐÓÐÞØÓÒÒ×Ö×ÙÐØØÖÓÑÒØÓÒÐ×ÒØÒÖØÓÒÓÒÓÒÐÒÖÐÝ ÐÓÐÞÑÓ×ÓØØÝÔÓ×ÖØÖØÖ´µ¾℄ºÌ×ÑÓ×ÑÝÐØÖÔÖÓÔØÓÒÒ ÑÖÐÔÝ×׺ÙÓºÖ<br />
ÊÄÓ×ÐÐØÓÖÛØ×йÒÙØÒĸÇÑÖ××ØÒÊÒÔØÒºÌÙÒØ×ÖÒÓÒÐÒÖ ÙØÓØÃÖÖÐØÖÒØÔØÓÖÛØÔÖÑØØÚØÝÕÙÐØÓ¯´¾µ¯¼ ÛÖ×ØÐØÖÓÑÔÓÒÒØÓØÔÔÐŬи×ÖØÖ×ØÐØ֬и¯Ø ÐÒÖÔÖÑØØÚØݸ¯¼ØÔÖÑØØÚØÝÓØÚÙÙѸҫ¦½ÓÖÖ×ÔÓÒÒØÓ×йÓÙ×ÒÒ ×йÓÙ×ÒÒÓÒÐÒÖØݸÖ×ÔØÚÐݺ×Ö×ÙÐظØËÊÊ×ÕÙ֬йÔÒÒØÔØÒ ´¾µ¯´¾µ¸ÛÖ×ØÖÓØÖÓ××¹×ØÓÒÓØËÊÊÛÖ¸×ØÐØ֬РÒÙÐÓÒØËÊÊ×ÐظÒ×Ø×ÞÓØ×ÐغËÒ´ÍÒѵÉÒÑÍÒѸØÖ ÉÒÑ×ØÓÖÒØÔØÓÖÓØҢѹØËÊÊ× ÏÓÒ×ÖØÛÓÑÒ×ÓÒд¾µÖÖÝÓÆÜÆÒØÐËÊÊ×℄ºÙÒØ×ÕÙÚÐÒØØÓÒ<br />
ÉÒѽ·«Í¾ÒÑ ¯·«¾¾¡¸<br />
Ò¢ÑØËÊʸÒͺÆÓÖÒËÊÊ×ÖÓÙÔÐÙØÓÑÒØÔÓйÔÓÐÒØÖØÓÒ ØÒ¢ÑØËÊÊÓ¾×׸ ØÖÓÙØÖÑÙØÙÐÒÙØÒźÌÖÓÖØÝÒÑ×ÓÖØÖÉÒÑÒØÙÖÖÒØÁÒÑ ÛÖ¯¼¯´µ×ØÐÒÖÔØÒ¸ÍÒÒÑ×ØÚÓÐØÖÓ××Ø×ÐØÓØ ¿¯Í¾ÍÒÑÒѽ¾Æ ÉÒÑ ØÁÒÑ´¾µ ´½µ<br />
ÍÒÑ×ÚÒÜÔÐØÐÝÖÓÑÕº´½µºÍ×ÒØÖÐØÓÒ× Í¸ÁÒÑÁÒѸÉÒÑÉÕÒѸÕ׺´¾µ¸´¿µÒÒÓÖÑÐÞØÓ¸ÕÒÑ ÛÖ×ØÐØÖÓÑÓØÚÓִѵÒÙÒËÊÊÙØÓØÔÔЬÐÒ´ÉÒѵ ÄÁÒÑ Ø·ÊÁÒÑ·´ÉÒѵÅÜÁÒ Ø·ÁÒ·½Ñ<br />
Ø·ÅÝÁÒÑ Ä¸Ø¸Á͸É͸ ¾ Ø·ÁÒÑ·½ ½<br />
ÒÑ´¿µ Ø·<br />
ÙØÒ×ÅÜÒÅÝÖÒÓØÒÒÖÐÕÙиÔÒÒÓÒØÓÒ¬ÙÖØÓÒºÌÔÖÑØÖÓØ ÓÙÔÐÒ×ÛÐÐ×ØÐÓ××ÓÆÒØÖÐÙÐØ×Ðݾ℄¸ÒÓÙÒ¼¼¾¸¼¼½Ö×ÔØÚÐݺ ÒܹÜ×ÒݹÜ×ÖÕÙдÜݵºØÓÒÐÐÝÛ×ØÙÝ××ÛÖÒÒ×ÓØÖÓÔÝ×ÒØÖÓÙ ÁÒØÓÐÐÓÛÒÛÙ×ÔÖÓÓÙÒÖÝÓÒØÓÒ׺ ÛÖÊÐÐ×ØÐÓ××ÓÆÒØÒÅÄ×ØÓÙÔÐÒÔÖÑØÖºÌÑÙØÙÐÒ¹ ÏÓÒ×Ö×ÚÖЫÖÒØÓÒ¬ÙÖØÓÒ×ÓËÊÊ׺Ö×ØÛÓÒ×ÖØ×ÛÖØÓÙÔÐÒ× ´ÜÒ ½Ñ·ÜÒ·½Ñ Òѵ· ´ÝÒÑ ½·ÝÒÑ·½µÒ ´µ·´ÕÒѵ´µ<br />
202
ØÓØÓØÖÖØÓÒº ´Üݵ¸×ÛÐÐ×ÔÐÒÖ¹ÜÐ××ÛÖØÓÙÔÐÒÒÓÒÖØÓÒ×ÓÔÔÓ×Ø×ÒÛØÖ×ÔØ ×ÖÓÙÒÙ×ÒØÒØÓÒØÒÙÓÙ×ÐÑØÒÓÒØÒÙØÓÒÓØØÖÚÐÖØÖºÌÐØØ×Þ× Æ¢Æ½¢½ºÁÒº½ÜØ×Ö×ÓÛÒÓÖÔÐÒÖ×ØØ׸ÜݺϬÒÜØ Ï×ÓÐÚÕº´¿µÒÕº´µÛØÓÙØÔÔЬÐÒÐÓ××´¼¼µºÁÒØ×ÀÑÐØÓÒÒ׸ ¾<br />
´´µ¸´µ¸´µµÓÖ« ¼¼¾¼¸´µ¼¿¸¼¼¾¸´µ¼½¸¼¼¼¸´µ½¼¾¸¼¼¾¸´µ½¼¿¸ Áº½ÀÑÐØÓÒÒ××ÒÔ×ÓØ×ØØÖÙÔÔÖÖÔ×´´µ¸´µ¸´µµÓÖ«·½¸ÛÐØÐÓÛÖÔÒÐ ÔÖÚÓÙ××׺ÌÐÒÖ×ØÐØÝÓؾÀÑÐØÓÒÒ××ØÖÓÙÐÓÕÙØÒÐÝ×׺ ¼¼½¾ÒÓÖ´µ½¼½½¸¼¼¼º ××ÓÛÒÒº¾´µÒ¾´µÛÖØ×ÔØÐ×ÝÑÑØÖÝÓ××Ò××ÓÑÔÖØÓØ ××ÓÐÙØÓÒ×Ð×ÓÒØÔÐÒÛØÒ×ÓØÖÓÔÝ´ÜݵÒÓØ××Ó«·½Ò« º¾´µÒº¾´µÖ×ÔØÚÐݺÒÐÐÝÛÓÒ×ØÖÙØÜØ×ÒØÔÐÒÖ¹ÜÐÓÒ¬ÙÖØÓÒ ½ºÁÒÐÐØ××ÜݺÖÕÙÒÝÒØÔÖÑØÖÓÖÓÖ´µ¼¾¸ ½¸×<br />
Áº¾ÀÑÐØÓÒÒ××ÒÔ×ÓØ×ÒÒ×ÓØÖÓÔÝÔÐÒ´µÒ´µºÌ×´µ×ÓÖ«·½¸¼¿¸ ܼ¼¾Òݼ¼¾¸ÛÐÒ´µ« ×ÒÔ×ÓØ×ÓÖÔÐÒÖ¹ÜÐ×´µÒ´µ´µÓÖ«·½¸¼¿¸Ü¼¼¾ÒÝ ×ÚÖЫÖÒØÚÐÙ×ÓÖÕÙÒ×ÒÓÙÔÐÒ׺×Ü×ØÓÖ×Ý×ØÑ×ÓÕÙÐÓÙÔÐÒØܹÜ×<br />
´×ÑÖ×ÙÐØ××ÒØÙÔÔÖÔÒеÒÑÓÖÓÒÖØÛݺ ÏÒÐÝÞØÔÐÒÖÒØÔÐÒÖ¹ÜÐÓÒ¬ÙÖØÓÒÓÒÓÒÐÒÖ¾ËÊÊ׺ÏÓÙÒ×ÓÖ ½¸½¼¾¸Ü¼¼¾ÒÝ ¼¼¾¾ºÌÐÓÛÖÔÒÐÒÐÐ×××ÓÛ×ØÓÒ¬ÙÖØÓÒ ½¸½¼¾¸Ü¼¼¾Òݼ¼¾ºÀÑÐØÓÒÒ×<br />
Ð×ÓÔÖÓÖÑÚÓÐÙØÓÒÒØÑÒÓÙÒØØ×Ö×ØÐÓÖØÐ×Øؽ¼¿ÌµºÌÙÖÖÒØÓ ÒݹÜ׸ÓÖ×Ý×ØÑ×ÛÖØÓÙÔÐÒ×ÒÓØÕÙи×ÛÐÐ×ÓÖ×Ý×ØÑ×ÛÖØÚÐÙÓØ ÓÙÔÐÒØÓÒÖØÓÒ×ÒØÚÛØÖ×ÔØØÓØÓØÖºÏÓÙÒØØ×ÖÐÒÖÐÝ×ØÐ´Û ¼¼¾½Ò´µ<br />
ËÊʸØØ×ÖÔÖ×ÒØÝØÑÔÐØÙÓÒجÙÖ׸ÔÒÓÒµØÝÔÓÒÓÒÐÒÖØÝ´ÓÙ×¹ Ò«½ÓÖÓÙ×Ò« Ó×ÒØÔÐÒÖÓÒ¬ÙÖØÓÒÖÕÙÐØØÚØ×Ñ×Ò½×׿℄¸℄´«¦½µÛÐÒØ ÔÐÒÖ¹ÜÐÓÒ¬ÙÖØÓÒØ×ÔÔÖÓ¬Ð×ÖØÓØÐÐÝ«ÖÒØÙØÓØÒØÚÚÐÙÓÓÙÔÐÒº ¿℄ƺÄÞÖ׸źÐØÖÓٸҺȺÌ×ÖÓÒ׸ÈÝ׺ÊÚºÄØغ¸½¼´¾¼¼µº ¾℄ʺ˺ÅÃÝÒ˺ÙÖݸÆÓÒÐÒÖØݸ½¾¿´½µº ½℄ºÅºËÓÙÓÙÐ׸˺ÄÒҸźÏÒÖ¸ËÒ¿½¸´¾¼¼µº ℄źÐØÖÓٸƺÄÞÖ×ҺȺÌ×ÖÓÒ׸ÒÔÖÔÖØÓÒº ½µÒµØÝÔÓÓÒ¬ÙÖØÓÒ´ÔÐÒÖÓÖÔÐÒÖ¹ÜеºÌ×ÔÔÖÓ¬Ð×<br />
0.75<br />
0.5 Ixy<br />
0.25<br />
-0.25 0<br />
(a) (b) (c)<br />
5<br />
nx<br />
10<br />
15<br />
5<br />
10<br />
15<br />
ny<br />
1<br />
Ixy0.5<br />
0<br />
5<br />
nx<br />
10<br />
15<br />
5<br />
ny<br />
1.5<br />
Ixy 1<br />
0.5<br />
0<br />
ny<br />
ny<br />
5<br />
5<br />
5<br />
5<br />
5<br />
10<br />
10<br />
nx<br />
nx<br />
nx<br />
15<br />
15<br />
(d) (e) (f)<br />
0.6<br />
0.4<br />
Ixy0.4<br />
15 Ixy<br />
15 0.2 Ixy<br />
0.2<br />
0.2<br />
0.1<br />
0<br />
10 0<br />
10 0<br />
Ixy0.5<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
0<br />
(a)<br />
5<br />
nx<br />
10<br />
15<br />
5<br />
10<br />
0 2 4 6 8 10 12 14<br />
ny<br />
15<br />
0.6<br />
Ixy0.4<br />
0.2<br />
0<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
(b)<br />
5<br />
nx<br />
10<br />
15<br />
5<br />
10<br />
0 2 4 6 8 10 12 14<br />
ny<br />
15<br />
Ixy0.5<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
1<br />
0<br />
(c)<br />
5<br />
nx<br />
10<br />
15<br />
10<br />
15<br />
5<br />
10<br />
0 2 4 6 8 10 12 14<br />
ny<br />
15<br />
5<br />
nx<br />
0.6<br />
Ixy0.4<br />
0.2<br />
0<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
10<br />
(d)<br />
10<br />
5<br />
nx<br />
15<br />
10<br />
15<br />
5<br />
15<br />
10<br />
5<br />
ny<br />
5<br />
15<br />
10<br />
ny<br />
10<br />
0 2 4 6 8 10 12 14<br />
ny<br />
15<br />
15<br />
203
Συναπόθεση Cr - Ni σε Μονοκρύσταλλο NiO(100) και Μελέτη της ∆ιεπιφάνειας<br />
µε Φασµατοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων Ακτίνων-Χ.<br />
E.Συµιανάκης 1 *, Σ.Λαδάς 1<br />
1 Τµήµα Χηµικών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών<br />
και ΙΤΕ /ΕΙΧΗΜΥΘ, 26504 Ρίον, Πάτρα<br />
* manos_simianakis@chemeng.upatras.gr<br />
Η απόθεση µεταλλικών σωµατιδίων και υπέρλεπτων υµενίων πάνω σε επιφάνειες οξειδίων οδηγεί στην<br />
δηµιουργία επαφών µετάλλου-οξειδίου, οι οποίες έχουν σχέση µε σηµαντικές τεχνολογικές εφαρµογές, όπως<br />
µικροηλεκτρονικές και φωτοβολταικές, συσκευές, ανιχνευτές αερίων, στηριγµένοι καταλύτες και σύνθετα υλικά.<br />
Για την απόθεση του Ni πάνω σε επιφάνειες οξειδίων είναι γνωστό ότι η χηµική δραστικότητα του υποστρώµατος<br />
παίζει καθοριστικό ρόλο στη συµπεριφορά των αποτιθέµενων ατόµων [1-4]. Υπάρχει µεγάλο ενδιαφέρον για τα<br />
λεπτά υµένια κράµατος Ni-Cr καθώς χρησιµοποιούνται από την βιοµηχανία των ηλεκτρονικών ως αντιστάσεις,<br />
ενώ νήµατα Ni-Cr χρησιµοποιούνται σε διάφορες εφαρµογές λόγω της µεγάλης αντοχής των κραµάτων Ni-Cr σε<br />
διάβρωση από οξέα. Στη βιβλιογραφία υπάρχουν µελέτες της συµπεριφοράς του Ni και του Cr πάνω σε<br />
επιφάνειες διαφόρων οξειδίων [5-7], ενώ έχουν µελετηθεί και οι τρόποι οξείδωσης λεπτών υµενίων Ni-Cr από την<br />
αέρια φάση [8-11 ].<br />
Στην παρούσα εργασία µελετήθηκε η διεπιφάνεια που σχηµατίζεται κατά την συναπόθεση Cr-Ni, µε την<br />
τεχνική της θερµικής εξάχνωσης από κατάλληλη πηγή υπό συνθήκες περίσσειας Cr , πάνω στην οπτικά λεία<br />
επιφάνεια µονοκρυστάλλου NiO προσανατολισµένη παράλληλα στο κρυσταλλογραφικό επίπεδο (100). Η<br />
διεπιφάνεια µελετήθηκε µε φασµατοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων-Χ (XPS), χρησιµοποιώντας µη<br />
µονοχρωµατική πηγή Al K α (1486,6 eV) και ηµισφαιρικό αναλύτη µε σταθερή ενέργεια διέλευσης 100 eV, σε<br />
περιβάλλον υπερυψηλού κενού (5x10 -10 mbar). Επίσης µελετήθηκε η συµπεριφορά των υµενίων κατά την<br />
ιοντοβολή της επιφάνειας µε ιόντα αργού. Οι αποθέσεις έγιναν διαδοχικά σε θερµοκρασία δωµατίου, ενώ µετά<br />
από κάθε απόθεση ελεγχόταν η κατάσταση της επιφάνειας µε την λήψη φασµάτων XPS, ανεβάζοντας την<br />
θερµοκρασία του δείγµατος στους 635 Κ προκειµένου να αποφευχθεί η παραµόρφωση των φασµάτων λόγω<br />
διαφορικής φόρτισης.<br />
Τα φάσµατα XPS έδειξαν την αναµενόµενη αύξηση της έντασης της κορυφής Ni2p 3/2 του µεταλλικού<br />
νικελίου (Νi 0 ) και την αντίστοιχη ελάττωση για την κορυφή Ni2p 3/2 του οξειδίου που προέρχεται από το<br />
υπόβαθρο (Νi ΝιΟ ). Οµως, η επίσης αυξανόµενη κορυφή Cr2p 3/2 αντιστοιχεί σε Cr 2 O 3 , ενώ δεν παρατηρήθηκε<br />
ποτέ κορυφή µεταλλικού Cr πάνω στην επιφάνεια. Στο σχήµα 1, η µεταβολή του λόγου των εντάσεων των<br />
κορυφών Ο1s/ Νi ΝιΟ 2p3/2 , ως συνάρτηση του αντίστοιχου λόγου των κορυφών Νi 0 2p3/2 / Νi ΝιΟ 2p3/2 που είναι<br />
ένα µέτρο της προόδου της συναπόθεσης, συγκρίνεται µε την αντίστοιχη µεταβολή όταν αποτίθεται µόνον Ni 0 σε<br />
NiO(100)[7]. Στην τελευταία περίπτωση, οι πειραµατικές τιµές βρίσκονται πολύ κοντά σε θεωρητικό µοντέλο που<br />
βασίζεται σε στρωµατική ανάπτυξη υµενίου Νi 0 σε NiO (σχ.1). Κατά τη συναπόθεση Cr-Ni, ο λόγος Ο1s/ Νi ΝιΟ<br />
2p3/2 αυξάνεται εντονότερα λόγω της παρουσίας οξυγόνου από το Cr 2 O 3 . Εφαρµόζοντας ένα µοντέλο<br />
στρωµατικής ανάπτυξης, όπου ένα στρώµα Νi 0 βρίσκεται ανάµεσα στην επιφάνεια του NiO και ενός στρώµατος<br />
Cr 2 O 3 µε σταθερή σχέση του πάχους των δύο στρωµάτων, προέκυψε συµφωνία µε της πειραµατικές<br />
µετρήσεις,µέσα στα όρια του σφάλµατος, τόσο για τον λόγο των εντάσεων των O1s/Ni NiO 2p 3/2 (σχήµα 1), όσο και<br />
για το λόγο Cr Cr2O3 2p 3/2 /Ni NiO 2p 3/2 ως συνάρτηση του λόγου Νi 0 2p3/2 / Νi ΝιΟ 2p3/2 (σχήµα2).<br />
3.6<br />
3.2<br />
Αποθέσεις Ni<br />
Μοντέλο υµενίου Ni σε NiO<br />
Συναποθέσεις Cr-Ni<br />
Μοντέλο υµενίων Cr2O3/Ni 0 σε NiO<br />
HO1s / HNi NiO 2p<br />
3/2<br />
2.8<br />
2.4<br />
2.0<br />
1.6<br />
1.2<br />
0.8<br />
0.4<br />
0.0<br />
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0<br />
ANi 0 2p 3/2<br />
/ANi NiO 2p 3/2<br />
Σχήµα 1: Μεταβολή του λόγου των εντάσεων των κορυφών Ο1s/ Νi ΝιΟ 2p3/2 , ως συνάρτηση του αντίστοιχου<br />
λόγου Νi 0 2p3/2 / Νi ΝιΟ 2p3/2 : () Κατά την απόθεση Νi 0 /NiO , () Κατά τη συναπόθεση Cr-Ni , () Από<br />
θεωρητικό µοντέλο υµενίου Νi 0 /NiO , () Από θεωρητικό µοντέλο διαδοχικών υµενίων Cr 2 O 3 / Νi 0 /NiO.<br />
204
Κατά την ιοντοβολή των διµεταλλικών υµενίων µε ιόντα Ar παρατηρήθηκε ελάττωση του λόγου των<br />
εντάσεων των κορυφών Cr Cr 2 O 32p 3/2 /Ni NiO 2p 3/2 µέχρι µια ελάχιστη τιµή σταθερή σε περαιτέρω ιοντοβολή,<br />
γεγονός που δείχνει ότι στην περιοχή της επιφάνειας υπάρχει µονίµως µια µικρή ποσότητα Cr σε οξειδωµένη<br />
κατάσταση (Cr 2 O 3 ) διαλυµένη µέσα στο NiO.<br />
1.2<br />
Συναποθέσεις Ni 0 -Cr 0 σε NiO<br />
Cr 2 O 3 /Ni 0 σε NiO<br />
HCr Cr2O3 2p 3/2<br />
/ HNi NiO 2p 3/2<br />
0.8<br />
0.4<br />
0.0<br />
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0<br />
ANi 0 2p 3/2<br />
/ANi NiO 2p 3/2<br />
Σχήµα 2: Μεταβολή του λόγου των εντάσεων των κορυφών Cr Cr2O3 2p 3/2 / Ni NiO 2p 3/2 , ως συνάρτηση του<br />
αντίστοιχου λόγου Νi 0 2p3/2 / Νi ΝιΟ 2p3/2 : ()Κατά τη συναπόθεση Cr-Ni, , ()Από θεωρητικό µοντέλο<br />
διαδοχικών υµενίων Cr 2 O 3 / Νi 0 /NiO.<br />
Από την καλή συµφωνία του µοντέλου των δύο διαδοχικών υµενίων µε τα πειραµατικά αποτελέσµατα<br />
εξάγεται το συµπέρασµα ότι η αύξηση του λόγου O1s/Ni NiO 2p 3/2 που παρατηρείται στο σχήµα 1 κατά τις<br />
συναποθέσεις Cr - Ni οφείλεται στο σχηµατισµό ενός συνεχούς λεπτού υµενίου, ή αριθµού σωµατιδίων<br />
µεταλλικού Ni µε ισοδύναµο πάχος παρόµοιο µε αυτό του µοντέλου, το οποίο αναπτύσσεται πάνω στην<br />
επιφάνεια του NiO και το οποίο διαβρέχεται από ένα λεπτό υµένιο Cr2O3. Έχει ενδιαφέρον να σηµειωθεί ότι<br />
µόνη πηγή οξυγόνων για την οξείδωση του αποτιθέµενου Cr 0 είναι τα οξυγόνα του υποστρώµατος και εποµένως<br />
είναι προφανές ότι µέρος τουλάχιστον του µεταλλικού Ni οφείλεται στην αναγωγή του υποστρώµατος από το<br />
αποτιθέµενο Cr. Στη θερµοκρασία των 635 Κ που έγινε το πείραµα δεν αναµένεται σηµαντική οξείδωση του Ni<br />
από το υπόστρωµα [7], ενώ είναι πιθανή, αν και όχι εύκολο να εξακριβωθεί σε αυτό το πείραµα, η δηµιουργία<br />
Ni Οx µε x
Investigation of the Structural, Morphological and Photocatalytic Properties of ZnO<br />
Thin Films and Nanostructures Deposited by Different Chemical Routes<br />
G. Kenanakis 1,2,3,4 , Z. Giannakoudakis 3 , D. Vernardou 1,2,5 , E. Koudoumas 1,6 and N. Katsarakis 1,2,4 *<br />
1 Center of Materials Technology and Laser, School of Applied Technology, Technological Educational Institute of Crete,<br />
710 04 Heraklion, Crete, Greece<br />
2 Science Department, School of Applied Technology, Technological Educational Institute of Crete, 710 04 Heraklion, Crete,<br />
Greece<br />
3 University of Crete, Department of Chemistry, 710 03 Heraklion, Crete, Greece<br />
4 Institute of Electronic Structure and Laser, Foundation for Research & Technology-Hellas, P.O. Box 1527, Vassilika<br />
Vouton, 711 10 Heraklion, Crete, Greece<br />
5 University of Crete, Department of Materials Science and Technology, 710 03 Heraklion, Crete, Greece<br />
6 Electrical Engineering Department, Technological Educational Institute of Crete, 710 04 Heraklion, Crete, Greece<br />
*katsan@iesl.forth.gr<br />
Over the past years, the synthesis of ZnO has been the subject of intense research due to its potential applications in<br />
transparent conducting thin films, ultraviolet emitting diodes, gas sensors and photocatalysts. In this work, ZnO<br />
nanostructures and thin films were synthesized by chemical route techniques. The fabrication of versatile ZnO nanostructures<br />
with controlled morphology and high surface-to-volume ratio was achieved by aqueous chemical growth, a novel, simple,<br />
environmental-friendly and inexpensive method for depositions at mild temperatures. ZnO thin films were obtained either<br />
using a sol-gel / spin-coating method or ultrasonic spraying pyrolysis. All samples were characterized using x-ray diffraction<br />
(XRD), scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared (FTIR) and UV - visible spectroscopy. It is revealed<br />
that the wurtzite ZnO structure is the only crystallographic phase detectable in all cases. The shape and the dimensions of the<br />
nanostructures were found to depend on the growth time and the concentration of the precursor solution. It is seen that ZnO<br />
nanostructures transform from flowerlike to rod like by altering the concentration from 10 -2 M to 10 -3 M at 95 o C.<br />
Transmittance measurements have shown that the ZnO films are transparent in the visible wavelength region and their energy<br />
gap was calculated. Finally, their photocatalytic properties are investigated and discussed over a wide range of growth<br />
parameters.<br />
206
Substrate and Deposition Time Effect on the Hydrophilicity of the Hydrothermally<br />
grown TiO 2 films<br />
Κ. Vlachou, 1 G. Kalogerakis, 1 D. Vernardou, 1,2,3* E. Stratakis, 1,4,5 G. Kenanakis, 2,3,6 E. Koudoumas 2,4 and N. Katsarakis 2,3,5<br />
1 Department of Materials Science and Technology, University of Crete, 710 03 Heraklion, Crete, Greece<br />
2 Center of Materials Technology and Laser, School of Applied Technology, Technological Educational Institute of Crete,<br />
710 04 Heraklion, Crete, Greece<br />
3 Science Department, School of Applied Technology, Technological Educational Institute of Crete, 710 04 Heraklion, Crete,<br />
Greece<br />
4 Electrical Engineering Department, Technological Educational Institute of Crete, 710 04 Heraklion, Crete, Greece<br />
5 Institute of Electronic Structure and Laser, Foundation for Research & Technology-Hellas, P.O. Box 1527, Vassilika<br />
Vouton, 711 10 Heraklion, Crete, Greece<br />
6 Department of Chemistry, University of Crete, 710 03 Heraklion, Crete, Greece<br />
*Dimitra Vernardou, e-mail: dimitra@iesl.forth.gr<br />
Titanium (IV) oxide films were deposited on Corning and ITO substrates for deposition times ranging from 1 hr to 50 hr by a<br />
hydrothermal growth technique, using titanium (IV) isopropoxide, isopropanol and MilliQ water as precursors. The<br />
structural, morphological and optical properties of the films were evaluated by X-ray diffraction (XRD), Raman<br />
spectroscopy, atomic force microscopy (AFM) and UV-Vis spectroscopy respectively. The dark and photoinduced<br />
hydrophilicity of the films were evaluated by means of contact angle measurements. It is demonstrated that as-deposited TiO 2<br />
films grown at 95 o C for deposition period of 50 hr showed a light-induced transition to superhydrophilicity reaching a nearly<br />
zero contact angle. This transition is reversible after dark storage of the UV-irradiated films. The relationship between<br />
material properties and hydrophilic characteristics is discussed in the framework of the application of the grown films for<br />
self-cleaning window coatings.<br />
207
Modification of Perlite Cementitious Samples with Nanostructured Titania<br />
A.I. Kontos 1 , A.G. Kontos 1,2 , M. Fardis 3 , S. Kourkoulis 2 , V. Tsitsias 1 , G. Papavassiliou 3 and P. Falaras 1*<br />
1 Institute of Physical Chemistry, NCSR Democritos, 15310, Aghia Paraskevi, Athens, Greece<br />
2<br />
Faculty of Applied Sciences, National Technical University, 157 80 Athens, Greece<br />
3 Institute of Materials Science, NCSR Democritos, 15310, Aghia Paraskevi, Athens, Greece<br />
*papi@chem.demokritos.gr<br />
Modified cementitious construction materials such as paints, mortars, concrete etc. have recently attracted much interest,<br />
taking advantage of the photoinduced properties of semiconducting nanoparticulate additives [1]. TiO 2 has proved to be very<br />
effective in the reduction of pollutants such as NO x , aromatics, ammonia, and aldehydes as well as bacteria both in air-solid<br />
and liquid–solid interface [2]. For light irradiation of TiO 2 in the near UV, with energy above its band gap, E g =3.2 eV, an<br />
electron is injected from the valence band to the conduction band, leaving a hole in the valence band. The photogenerated<br />
electrons then react with molecular oxygen (O 2 ) to produce superoxide radical anions (٠O 2 - ), and the photogenerated holes<br />
react with water to produce hydroxyl (٠OH) radicals [3]. These highly reactive species are able to decompose a variety of<br />
pollutants and kill microorganisms (bacteria and viruses). The new technology of TiO 2 modified cements aims in the<br />
maintenance of the aesthetic characteristics of concrete structures, particularly those based on white Portland Cement (PC) by<br />
degrading the accumulation of colored organic species which are responsible for discoloration and dirt.<br />
Expanded Perlite (EP) is a light, insulating and fire-resisting material that used as an additive to cement, and Portland cement<br />
with many construction applications. One of the most important is the production of insulating roof decks. Furthermore,<br />
unexpanded crude perlite (CP) is also used as a mineral additive of cement [4]. For the first time, in this report, we present<br />
the photocatalytic modification of perlite cementitious materials and test them for their efficiency in maintaining clean<br />
surfaces. Properties, such as the type of the perlite-cement mixture slurries and the compression strength, as well as<br />
processes, like the hydration and photocatalysis, have been investigated.<br />
The cementitous samples were prepared mixing CP and EP perlite (S&B Industrial minerals S.A.) with PC (Hercules<br />
Cements Co, 42.5N) and were photocatalytically modified using TiO 2 (Degussa P25). The proportions of materials used for<br />
the preparation of CP (P091) concrete were water/PC=0.4, CP/PC=0.4 [4] and TiO 2 /(TiO 2 +PC)=0.05 [5]. For the preparation<br />
of the lightweight expanded perlite concrete, the water/PC content ratio was changed to 0.96; all the rest proportions were<br />
kept the same as before. This water/PC proportion is usually applied in commercial products [6]. Two EP samples were<br />
examined, with grain size 0.3 (P072) and 4.75 mm (P082). The hydration process of the cement samples was followed by the<br />
nuclear magnetic resonance (NMR) relaxometry method. 1 H NMR measurements were carried on a Brucker MSL<br />
spectrometer operating at 200 MHz. T 1 relaxation measurements were done by applying a single 90 o pulse and recording the<br />
relaxed magnetization at various time steps, after.<br />
Compressive strength tests were performed on mortar discs of aspect ratio 2, height 100 mm, under quasi static displacement<br />
control conditions. Results concerning the fracture stress are given in Table I. Addition of Degussa P25 and CP in the<br />
cement blend samples improves the mechanical strength, while the light cementetious samples present an order of magnitude<br />
lower compressive strength than the others. The conclusion concerning the other mechanical properties, like Poisson’s ratio,<br />
modules of elasticity and strain energy density are of similar nature.<br />
Comparison of the different hydration kinetic graphs can give important information on the hydration and physical properties<br />
of the materials as well as the influence of perlite and TiO 2 on the hydration process. The dependence of T 1 upon the<br />
hydration time for Portland Cement (PC) and the modified sample (PC+P25) is shown in fig. 1. All graphs are of similar<br />
shape and present a step like progression where the three periods of hydration (starting, acceleration and hardening period)<br />
are well distinguished. The critical parameters which can be extracted from the graphs are a) the starting (t s ) and the ending<br />
time (t e ) of the acceleration period b) the plateau T 1 value in the initial period (T 1 in ) and c) the T 1 (T 1 fin ) level of steady state<br />
response in the hardening period.<br />
Sample σ (MPa) t s (hours) t e (hours) T in 1 (msec) T fin 1 (msec)<br />
PC 20.36 2.4 28 230 3.1<br />
PC +TiO 2 22.30 1.3 23 140 2.5<br />
CP+PC 25.38 2.1 32 195 3.5<br />
CP+PC+TiO 2 16.20 1.5 19 140 2.5<br />
EP(P072)+PC 2.36 1.7 37 430 4<br />
EP(P072)+PC+TiO 2 1.37 2.4 21 450 5<br />
Table 1. Compression strength and hydration kinetic characteristics of various cementitious samples with portland cement,<br />
expanded or crude perlite and TiO 2 . Kinetic results deduced by NMR T 1 relaxation measurements.<br />
The hydration characteristics of the reference PC and the CP+PC samples, shown also in Table 1, are quite similar. The<br />
addition of TiO 2 in PC or the CP+PC mixture significantly accelerates the whole process and shifts the hydration curve in the<br />
log time scale (t s and t e decrement). Similar effect was observed in PC+TiO 2 samples [2] and indicates interactions between<br />
208
the cement-perlite matrix and the oxide which adds nucleation sites for the hydration process. The shorter relaxation time of<br />
the samples containing TiO 2 in the hardening period suggests that the introduction of the oxide results in a denser pore<br />
structure with smaller crystallites.<br />
In comparison to the PC and the CP+PC samples, the EP+PC and EP+PC+TiO 2 ones show significantly increased T 1 in values<br />
due to the increased amount of water in the mixture (see Table 1). Also the initial period is characterized by almost stable T 1<br />
values and an abrupt starting of the acceleration period. This behaviour is probably related to the porous structure of the EP<br />
which tends to adsorb a high percentage of water that is stored inside and is going to react with the cement gel during the<br />
acceleration period. Comparing to the pure PC, the acceleration period of the EP+PC sample is severely prolonged. The<br />
addition of the oxide (PC+EP+TiO 2 ) reduces the acceleration period duration while the hydration graph stabilizes the step<br />
like form. This resembles the corresponding influence of the TiO 2 in the PC+TiO 2 and CP+PC+TiO 2 samples. On the other<br />
side, the T 1 fin values of both the EP+PC and EP+PC+TiO 2 samples remain bigger than that of the unmodified PC. This is<br />
related to the bigger size of the pores introduced by the expanded perlite in the modified cement matrix which is also<br />
responsible for the light concrete properties on the one side and the deterioration of the mechanical strength on the other.<br />
T 1<br />
(msec)<br />
100<br />
10<br />
PC<br />
PC+TiO 2<br />
Fig. 1. The spin-lattice relaxation time of the<br />
unmodified PC and the modified with TiO 2 cement<br />
samples, for various hydration time periods. Vertical<br />
lines separate the characteristic three regions (initial,<br />
acceleration, hardening) of the cement hydration<br />
kinetics for the unmodified sample.<br />
1<br />
0.1 1 10 100 1000<br />
Hydration Time (Hours)<br />
The photoinduced properties of the cementitious samples, were tested by the degradation of methyl orange (MO) azo-dye<br />
pollutant solution. 28 days after their preparation, the samples were immersed into a bath of 0.5-0.6 10 -4 M dye aqueous<br />
solution and UV irradiated for 9 hours. The light activation of the TiO 2 nanoparticulate additives, resulted in an approximate<br />
30% net pollutant degradation, taking into account the physical adsorption of the dye inside the porous cementitious samples.<br />
It is very interesting that all the perlite modified samples presented better oxidizing effect than the reference PC sample. This<br />
is probably related to the high porosity of perlite which permits the formation of the highly drastic hydroxyl radicals upon the<br />
surface of the modified concrete materials, after UV irradiation [3]. A project that will monitor the ageing of the<br />
photoinduced process is under way.<br />
References<br />
[1] L. Cassar, MRS Bulletin, May 2004, p.1<br />
[2] ] M. Lackhoff, X. Prieto, N. Nestle, F. Dehn and R. Niessner, Appl. Catal. B 43 (2003) 205.<br />
[3] A.I. Kontos, A.G. Kontos, D.S. Tsoukleris, G.D. Vlachos, and P. Falaras,Thin Solid Films, 515 (2007) 7370.<br />
[4] L.-H Yu, H. Ou, and L.-L. Lee, Cem. Concr. Res. 33 (2003) 73-76.<br />
[5] Isocon, A.E., (http://www.isocon.gr/greek/products/perlomin.html)<br />
[6] G. Papavassiliou, F. Milia, R. Rumm, E. Laganas, O. Jarh, A. Sepe, R. Blinc and M.M. Pintar, J. Am. Ceram. Soc. 76<br />
(1993) 2109.<br />
[7] G. Papavassiliou, M. Fardis, E. Laganas, A. Leventis, A. Hassanien, and F. Milia, A. Papageorgiou and E. Chaniotaki, J.<br />
Appl. Phys. 82 (1999) 450.<br />
209
Templated Sol-Gel Synthesis Of TiO 2 Nanoparticles<br />
Presenting Nanowire-Like Structure For Dye-Sensitized<br />
Solar Cells<br />
N. Alexaki, T. Stergiopoulos, A. G. Kontos, D. Tsoukleris, P. Falaras<br />
Institute of Physical Chemistry, NCSR Demokritos, 15310 Aghia Paraskevi Attikis, Athens, Greece<br />
*papi@chem.demokritos.gr<br />
Several works have been directed toward optimizing the efficiency of dye-sensitized solar cells (DSSCs) by developing<br />
novel methods of nanotitania synthesis and deposition on TCO. Functional properties of TiO 2 are influenced by many<br />
factors such as crystallinity, particle size and surface area and all these parameters are related to different conditions of<br />
preparation. Very recently, this work has been focused on preparing nanoparticles in the form of wires and tubes [1].<br />
Sol-gel process is favoured as an appropriate way for preparing nanomaterials because by the correct<br />
template choice, alkoxide precursor concentration, hydrolysis-condensation reaction conditions and sintering<br />
temperature important parameters such as particle size, film thickness and porosity can be readily controlled [2].<br />
Nanocrystalline titania was synthesized by a sol-gel method using tetraisopropyl orthotitanate (TIPT) modified with<br />
acetylacetone (ACA)/alkylamine hydrochloride [3]. In this work, results with hexadecylamine-based synthesis are<br />
reported.<br />
The progress of reaction was observed by XRD and Raman (Figure 1). The reaction seems to end in the first<br />
two days (by forming crystalline titania) and only a slight increase in the particles size from about 4.78 nm to 5.39 nm<br />
was observed.<br />
Figure1: Raman and XRD results of titania powder during the days of reaction<br />
The next step was the preparation of titania films and their incorporation as photoelectrodes into a solar cell<br />
configuration. The films were deposited on TCO by preparing a paste made of pure nanocrystalline titania and water<br />
(ratio 1:2 w/w). Several films were prepared and calcined at different temperatures (400 o C, 450 o C, 500 o C, 550 o C). The<br />
characterization of these titania films was made by XRD and Raman. No particular differences were observed<br />
regarding the films’ morphology and crystallinity. This is why only figures concerning 550 0 C are depicted.<br />
Nevertheless, slight differences were observed related to the particle size and crystalline polymorphism (Table 1).<br />
Temperature ( o C ) Particle size (nm) Rutile ratio (%) Anatase ratio (%)<br />
without calcination 5.39 - 100.00<br />
400 6.47 7.15 92.85<br />
450 7.17 10.34 89.66<br />
500 7.90 14.48 85.52<br />
550 11.88 14.74 85.26<br />
Table 1: Differences of particles size and rutile to anatase ratios with the increase of temperature (taken from XRD<br />
data)<br />
210
SEM image depicts a nanocrystalline network of particles, while AFM microscopy proves that these<br />
nanoparticles are oriented in a parallel way that they form a kind of tubes or wires (Figure 2).<br />
Figure 2: Characteristic SEM (left) and AFM (right) images of titania films calcined at 550 o C.<br />
DSSCs consist of three main parts: a semiconductor thin film electrode on transparent conductive glass<br />
(TCO) sensitized in the visible region by a molecular dye, a second counter electrode made of platinum sputtered on<br />
TCO and a redox electrolyte which ensures electrical connectivity between these two electrodes. Therefore, the final<br />
films were sensitized by the classical N719 dye (Solaronix SA) and were incorporated in a sandwich-type DSSC using<br />
a Dyesol liquid electrolyte (PMII ionic salt). It should be noticed that although slight differences were obtained in<br />
particle size and rutile content, no differences were observed in the I-V measurements. The best solar energy<br />
conversion efficiency (n) attained by titania films calcined at 550 0 C was approximately 2.81% with a J sc of 5.38<br />
mA/cm 2 , a large V oc in the order of 0.786V and a F.F. of 0.66 (Figure 3).<br />
6<br />
5<br />
J<br />
SC<br />
(mA/cm 2 )<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
V oc<br />
=786 mV<br />
J sc<br />
=5,38 mA\cm 2<br />
FF=0,66<br />
n=2,81%<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500 600 700 800<br />
Applied potential vs. Pt (mV)<br />
Figure 3: I-V graph of DSSCs made with the use of nanocrystalline titania film calcined at 550 o C<br />
References:<br />
[1] Adachi M., Murata Y.,Takao J., Jiu J., Sakamoto M., Wang F., J. Am. Chem. Soc. 126 (2004)<br />
14943.<br />
[2] Ngamsinlapasathian S., Sreethawong T., Suzuki Y., Yoshikava S., Solar Energy Materials &<br />
Solar Cells 90 (2006) 2129.<br />
[3] Ngamsinlapasathian S., Sakulkhaemaruethai S., Pavasupree S., Kitiyanan A., Sreethawong T., Suzuki Y.,<br />
Yoshikava S., J. Photochem. Photobiol. A:Chem. 164 (2004) 145.<br />
Acknowledgement<br />
Thanks must be addressed to Leyteris Peykianakis (from University of Patras) for taking the SEM images and Dyesol<br />
company (Australia) for kindly providing the electrolyte. Financial support from PENED1313 “Organic Solar Cells” is<br />
also greatly acknowledged.<br />
211
Παρασκευή Υμενίων Νανοκρυσταλλικού TiO 2 με την Μέθοδο Screen-Printing για<br />
Φωτοευαισθητοποϊημένες Ηλιακές Κυψελίδές<br />
Γ.Καντώνης, Θ. Στεργιόπουλος, Π. Φαλάρας*<br />
Ινστιτούτο Φυσικοχημείας, ΕΚΕΦΕ ‘‘Δημόκριτος’’, Αγ. Παρασκευή 15310, Αθήνα,<br />
*papi@chem.demokritos.gr<br />
Οι φωτοευαισθητοποϊημένες ηλιακές κυψελίδες προσελκύουν ολοένα και περισσότερο επιστημονικό και εμπορικό<br />
ενδιαφέρον ως χαμηλού κόστους διατάξεις μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική [1]. Πολλές εργασίες έχουν<br />
δημοσιευθεί, οι οποίες έχουν ως αντικείμενο μελέτης της αύξηση της απόδοσης μίας ηλεκτροχημικής κυψελίδας<br />
βελτιστοποιώντας τις επιφανειακές κυρίως ιδιότητες του υμενίου του TiO 2 . Η τεχνική της διάταξης των διάτρητων μητρών<br />
(screen printing) έχει αντικαταστήσει τα τελευταία χρόνια τις κλασσικές τεχνικές εναπόθεσης του TiO 2 (doctor blade, dipcoating)<br />
εξαιτίας της μεγάλης ταχύτητας αποτύπωσης που διαθέτει καθώς και της δυνατότητας που παρέχει στην παρασκευή<br />
υμενίων με ελεγχόμενο πάχος και αριθμό στρωμάτων [2-5]. Στην τεχνική αυτή προκειμένου να επιτευχθεί το καλύτερο<br />
δυνατό αποτέλεσμα απαιτείται η ρύθμιση πολλών παραμέτρων όπως η ταχύτητα σάρωσης, η πίεση της σπάτουλας, η επιλογή<br />
της σήτας με πόρους κατάλληλου διαμετρήματος καθώς και η επιλογή της πάστας με τα απαιτούμενα ρεολογικά<br />
χαρακτηριστικά.<br />
Στο εργαστήριό μας χρησιμοπούμε εμπορικά διαθέσιμα υλικά, αλλά παράλληλα συνθέτουμε και νέες πάστες<br />
χρησιμοποιώντας ως πρώτη ύλη κρυσταλλική σκόνη TiO 2 καθώς και τιτανία προερχόμενη από σύνθεση με τεχνικές<br />
λύματος-πηκτής (sol-gel)<br />
.<br />
DEGUSSA P25<br />
SOL-GEL TiO 2<br />
ΑΡΧΙΚΟ TiO 2<br />
+ ΑΙΘΥΛΟ ΚΥΤΤΑΡΙΝΗ<br />
+ ΤΕΡΠΙΝΕΟΛΗ<br />
ΤΕΛΙΚΗ ΠΑΣΤΑ DYESOL εμπορική<br />
SCREEN-PRINTING<br />
ή<br />
DOCTOR-BLADE<br />
Σχήμα 1. Αναπαράσταση των μεθόδων σύνθεσης της πάστας και των τεχνικών εναπόθεσης<br />
Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιώντας την εμπορική πάστα Dyesol 18NRO έχουν παρασκευασθεί υμένια με μία και<br />
με δύο στρώσεις αντίστοιχα. Αφού εναποτεθεί το πρώτο στρώμα της πάστας σε διαφανές αγώγιμο γυαλί, το υμένιο<br />
ξηραίνεται για 6 min στους 125 ο C και στην συνέχεια εναποτίθεται το δεύτερο στρώμα. Το υμένιο που προκύπτει<br />
κατεργάζεται θερμικά στους 525 ο C. Τα τελικά υμένια αφού ευαισθητοποιηθούν με ένα σύμπλοκο ρουθηνίου που απορροφά<br />
ισχύρα στο ορατό, ενσωματώνονται σε υγρές κυψελίδες στρωματικού τύπου με τη βοήθεια ενός δεύτερου αντίθετου<br />
ηλεκτροδίου πλατίνας. Η απόδοση (η) των κυψελίδων μετρείται σε συνθήκες προσομοιωμένου φωτός με ένταση<br />
ακτινοβολίας ενός ήλιου ΑΜ 1,5. Έτσι για το υμένιο με την μία στρώση υπολογίστηκε ολική απόδοση μετατροπής της<br />
ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, n =3,16% με ρεύμα βραχυκυκλώσεως J SC =8,45 mA/cm 2 , φωτοτάση ανοιχτού κυκλώματος<br />
V oc =742 mV και παράγοντα πληρότητας F.F=0.50, ενώ όταν εναποτέθηκε μια δεύτερη στρώση, η απόδοση της κυψελίδας<br />
αυξήθηκε σε n =3,59% με J SC =10,27 mA/cm 2 , V oc =716 mV και F.F=0.49.<br />
212
10<br />
12<br />
8<br />
10<br />
8<br />
J mA/cm 2<br />
6<br />
4<br />
2<br />
V oc<br />
= 742 mV<br />
J sc<br />
= 8,45 mA/cm 2<br />
FF= 0.50<br />
n= 3,16 %<br />
J mA/cm 2<br />
6<br />
4<br />
2<br />
V oc<br />
= 716 mV<br />
J sc<br />
= 10,27 mA/cm 2<br />
FF= 0.49<br />
n= 3,59 %<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500 600 700 800<br />
Applied potential vs Pt (mV)<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500 600 700 800<br />
Applied potential vs Pt (mV)<br />
Σχήμα 2. Ι-V καμπύλες φωτοηλεκτροχημικών κυψελίδων υμενίων TiO 2 παρασκευασμένα με την τεχνική screen-printing από<br />
πάστα Dyesol (18NRO) με μία και δύο στρώσεις αντίστοιχα.<br />
Παράλληλα, νέες πάστες παρασκευάζονται χρησιμοποιώντας κρυσταλλική σκόνη TiO 2 (Degussa P25), η οποία<br />
τροποποιείται με κατάλληλα συμπλεκτικά αντιδραστήρια (αίθυλο-κυτταρίνη) και ρεολογικούς παράγοντες (τερπινεόλη)<br />
ώστε να εναποτεθεί με τον καλύτερο δυνατό τρόπο (ισχυρή πρόσφυση) στο υπόστρωμα. Η πάστα που προκύπτει<br />
επιστρώνεται τόσο με την τεχνική doctor-blade όσο και με την τεχνική screen-printing και τα υμένια που προκύπτουν<br />
κατεργάζονται θερμικά στην ίδια τελική θερμοκρασία. Η φωτοηλεκτροχημική απόδοση των ευαισθητοποιημένων υμενίων<br />
μελετάται σε σχέση με το προκύπτον πάχος των τελικών υμενίων. Είναι εμφανές οτι ένα παχύτερο υμένιο δίνει μεγαλύτερη<br />
απόδοση λόγω του μεγαλύτερου φωτορεύματος που παράγει (Πίνακας 1).<br />
Τεχνική Πάχος υμενίου (μm) V oc (mV) J SC (mA/cm 2 ) F.F n %<br />
Doctor blade 5,8 770 5,47 0,70 2,96<br />
Screen printing 2,3 770 2,94 0,72 1,63<br />
Πίνακας 1. Σύγκριση πάχους των υμενίων και των φωτοβολταϊκών χαρακτηριστικών των κυψελίδων όσον αφορά τις δύο<br />
τεχνικές εναπόθεσης για πάστα που έχει συντεθεί από εμπορικά διαθέσιμη σκόνη TiO 2 .<br />
Επιπλέον, πάστες τιτανίας παρασκευάζονται και με την τεχνική sol-gel χρησιμοποιώντας ως πρόδρομη ένωση<br />
ισοπροποξείδιο του τιτανίου (TIPT) και ως επιφανειοδραστική ουσία την εξαδεκυλαμίνη. Η πάστα που προκύπτει<br />
τροποποιείται με αίθυλο-κυτταρίνη και εναποτίθεται τόσο με doctor-blade όσο και με screen-printing και τα υμένια που<br />
προκύπτουν κατεργάζονται θερμικά στους 525 0 C. Kαι οι δύο τεχνικές παράγουν παρόμοια πάχη υμενίων και γι’ αυτό το<br />
λόγο εδώ οι αποδόσεις των δύο κυψελίδων είναι σχεδόν οι ίδιες (Πίνακας 2).<br />
Τεχνική Πάχος υμενίου (μm) V oc (mV) J SC (mA/cm 2 ) F.F n %<br />
Doctor blade 1,7 757 4,50 0,70 2,38<br />
Screen printing 1,5 755 3,92 0.69 2,04<br />
Πίνακας 2. Σύγκριση πάχους των υμενίων και των φωτοβολταϊκών χαρακτηριστικών των κυψελίδων όσον αφορά τις δύο<br />
τεχνικές εναπόθεσης για πάστα που έχει προέλθει από sol-gel ΤiΟ 2 .<br />
Βιβλιογραφία:<br />
[1] Gratzel M., Nature(London) 414 (2001) 338.<br />
[2] Tsoukleris D.S., Arabatzis I.M., Chatzivasiloglou E., Kontos A.I., Belessi V., Bernard M.C.,<br />
Falaras P., Solar Energy 79 (2005) 422.<br />
[3] Zhang D., Ito S., Wada Y., Kitamura T., Yanagida S., Chemistry Letters 30, (2001), 1042.<br />
[4] Gupta T.K., Cirignano L.J., Shah K.S., Moy L.P., Kelly D.J., Squillante M.R., Entine G., Smestad G.P., Materials<br />
Research Society Symposium Proceedings 581 (2000), 653.<br />
[5] Ito S., Chen P., Comte P., Nazeeruddin M.K., Liska P., Pechy P., Gratzel M. Progress in Photovoltaics (in press).<br />
Financial support from PENED1313 “Organic Solar Cells” is kindly acknowledged.<br />
213
Preparation of YSZ Solid Electrolytes for Solid Oxide Fuel Cells by e-beam Evaporation<br />
Abstract<br />
Zois Sompolos and Panayiotis Yianoulis *<br />
Energy and Environment Laboratory<br />
Physics Department<br />
University of Patras<br />
*yianpan@physics.upatras.gr<br />
The electron-beam evaporation technique has been used to deposit YSZ (ZrO 2 stabilized by 8 wt.% Y 2 O 3 ) thin films<br />
on a variety of porous and non porous substrates. Thin films have been grown on smooth conducting glass, silicon and on<br />
highly porous NiO-YSZ substrates. Films ranging between 1 and 2 μm in thickness have been manufactured. Operating<br />
technical parameters that influence the film properties were studied. The influence of substrate structure and deposition rate<br />
has been investigated. The film thickness has been measured in situ via a quartz crystal monitor and ex situ by a stylus<br />
profilometer. Moreover, the film’s morphology has been studied by scanning electron microscopy and atomic force<br />
microscopy. Samples have been also investigated in terms of chemical composition via x-ray photoelectron spectroscopy. It<br />
has been found that the films had good adhesive qualities, however presented cracks when tempered. Furthermore, the<br />
dependence of electron gun power – and subsequently the rate of deposition – played an important role on film morphology.<br />
The latter presented an interesting crystallite structure in the nm range.<br />
Introduction<br />
Oxide ion conductivity was first observed in ZrO 2 [1] in the 1890s and even though since then, a wide range of<br />
materials, some with superior properties, have been introduced, zirconium oxides remain popular, due to their low electronic<br />
conductivity, low cost and ease of production and process. YSZ is ZrO 2 stabilized by 8 wt.% Y 2 O 3 and is part of the fluoritestructure<br />
family, along with CeO 2 –Ln 2 O 3 electrolytes. A large number of techniques are used to fabricate YSZ films, such as<br />
press heating [2], tape casting [3], chemical vapour deposition [4], sputtering and e-beam deposition [5,6]. Vapour deposition<br />
techniques allow strict control on the film’s thickness, porosity, stoichiometry and growth rate during deposition. The<br />
resulting film is very homogenous and adheres well on the substrate. Using that technique we fabricated thin electrolyte films<br />
with a thickness in the 1 - 2 μm range, in order to achieve high oxygen ion conductivity in a Solid Oxide Fuel Cell device.<br />
Our effort is connected with the ongoing search in many laboratories to prepare solid electrolytes with superior performance.<br />
Experimental<br />
The vacuum chamber that is used to manufacture the specimens consists of a glass cylinder cover, 45cm tall and<br />
30cm in diameter that allows optical control during the deposition process. The glass cover is placed upon a metallic base, on<br />
which there are appropriately designed feed-throughs that allow the installation of sensors and other measurement systems.<br />
For the film deposition we used an electron beam gun. That device consists of a W wire that is being subjected to high<br />
voltage (~ 7 kV) and emits electrodes of high kinetic energy. The resulting electron beam is guided by a computer controlled<br />
combined electromagnetic field to a cupper bowl containing<br />
the material that will be deposited (YSZ), as shown in Fig. 1.<br />
The vacuum chamber is connected to a turbomolecular<br />
and a mechanical pump via a strangulation valve. Pirani and<br />
Penning gauges are used to measure the pressure prior and<br />
during the process. The thickness of the film is controlled<br />
during the deposition by the quartz crystal sensor and verified<br />
by a stylus profilometer ex situ.<br />
Other techniques used to characterize the specimens<br />
morphologically and quantitatively are Scanning Electron<br />
Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM) and X-<br />
ray Photoelectron Spectroscopy (XPS).<br />
Results and Discussion<br />
YSZ films (1 – 2 μm thickness) were deposited on three<br />
different substrates: K-glass (glass covered with a fine<br />
conducting coating based on Sb), optical quartz and NiO-YSZ.<br />
The samples were thoroughly cleaned in ultrasonic bath and<br />
heated before the deposition.<br />
The chamber pressure during deposition was 2×10 -5<br />
mbar and the temperature was that of the environment. The two<br />
ingredients of YSZ have close melting point temperatures<br />
(ZrO 2 : 2700°C and Y 2 O 3 : 2410°C). However, that difference of<br />
approx. 300°C results in a slight variation in the composition of<br />
Figure 1. Vacuum Deposition Device<br />
214
the deposited film in relation to the target material. The latter is ZrO 2 stabilized by 8 wt.% Y 2 O 3 in the form of lumps, ~2mm<br />
in diameter.<br />
The growth rate has been proportional to the electron gun power and for our purposes it has ranged from 5 to 25<br />
Å/sec. However, the deposition process is unstable and takes a lot of effort to keep the rate limited. Films deposited at lower<br />
rates presented better adhesion and uniformity, while films created at higher rates exhibited abnormalities. Different types of<br />
substrates were chosen in order to understand the influence of substrate material and structure on the film growth process. As<br />
seen in Fig. 2 the films possess the property of uniformity, as stated earlier. Only when we examine the film in the nanoscale<br />
region do we observe some texture, which consists of granules in the size of ~50nm. While observing the cross section of the<br />
film we observe typical columnar structures [7].<br />
Conclusion<br />
Figure 2. SEM Images of Film on K-glass and NiO-YSZ<br />
Vacuum deposition with the e-beam technique is suitable for preparing thin YSZ films on various substrates. This<br />
technique provides high deposition rates and the ability to control the film’s morphology. Depending on the deposition<br />
parameters, the films have a packing density ranging between 0.6 and 0.9 and a crystallity size of 40 – 70 nm. The deposition<br />
process is difficult to control; however, the adhesion of the film on the substrate and the homogeneity it presented was<br />
satisfactory.<br />
Acknowledgement<br />
The authors wish to thank the European Social Fund (ESF), Operational Program for<br />
Educational and Vocational Training, and particularly the Program (PENED 2003), for partial<br />
funding of this work.<br />
ΓΕΝΙΚΗ ΓΡΑΜΜΑΤΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ<br />
«ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΤΟΥ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ (ΠΕΝΕΔ) 2003»<br />
References<br />
[1] W. Nernst, Z. Electrochem., 6 (1899) 41<br />
[2] S. C. Singhal, K. Kendall, High Temperature Solid Oxide Fuel Cells, Elsevier, 2003<br />
[3] F. Snijkers, A. de Wilde, S. Mullens, J. Luyten, J. Eur. Ceram. Soc. 24 (2004) 1107<br />
[4] H. B. Wang, C. R. Xia, G. Y. Meng, D. K. Peng, Mater. Lett. 44 (2000) 23<br />
[5] E. Wanzenberg, F. Tietz, D. Kek, P. Panjan, D. Stover, Sol. St. Ionics, 164 (2003) 121<br />
[6] J. H. Suh, S. H. Oh, H. S. Kim, S. Y. Choi, C. G. park, Vacuum 74 (3-4) (2004) 423<br />
[7] K. Wada, M. Yoshiya, N. Yamaguchi, H. Matsubara, Surf. & Coat. Technology, 200 (2006) 2725<br />
215
Σύνθεση, Ανισοτροπική Ανάπτυξη και Έλεγχος Μεγέθους Νανοσωματιδίων γ-Fe 2 O 3 για<br />
Βιοϊατρικές Εφαρμογές<br />
Β.Κ. Τζιτζιός 1 , Α. Σκαρμούτσου 1,2 , Γ.Μπασινά 1 , Κ.Α. Χαριτίδης 2 , Δ.Νιάρχος 1<br />
1 Ινστιτούτο Επιστήμης των Υλικών, “Δημόκριτος” 153 10 Αγία Παρασκευή, Αθήνα, Ελλάδα.<br />
2 Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Ηρώων Πολυτεχνείου 9, 157 80, Ζωγράφου, Αθήνα,<br />
Ελλάδα.<br />
E-mail: nounoufamily@hotmail.com<br />
Στόχος της εργασίας είναι η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός βιοσυμβατών μαγνητικών νανοσωματιδίων οξειδίων<br />
του σιδήρου γ-Fe 2 O 3 , ικανά να περικλείουν και να μεταφέρουν φαρμακευτικές ουσίες, μη διαλυτές σε υδατικά<br />
μέσα (π.χ. βιολογικά υγρά), με εφαρμογή εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Τα σωματίδια γ-Fe 2 O 3 περιέχουν ένα<br />
μαγνητικό πυρήνα, επικαλυμμένο με οργανόφιλο στρώμα, το οποίο συγκρατεί τη φαρμακευτική ουσία, και<br />
εξωτερικά περιβάλλονται με υδρόφιλο στρώμα που προσδίδει διαλυτότητα στο νερό και προστασία των<br />
σωματιδίων από τα φαγοκύτταρα.<br />
Η σύνθεση νανοσωματιδίων γ-Fe 2 O 3 έγινε σε ολεϋλαμίνη (oleylamine), με τη μέθοδο της θερμόλυσης.<br />
Θερμόλυση είναι η θερμολυτική διάσπαση του ανόργανου άλατος του σιδήρου (Fe(acac) 3 ) σε ένα διαλύτη με<br />
υψηλό σημείο ζέσεως (oleylamine). Σ’ αυτά τα πειράματα η ολεϋλαμίνη λειτουργεί σαν διαλύτης αλλά και ως<br />
επιφανειοδραστική ένωση. Επιφανειοδραστικές ενώσεις είναι οργανικές ενώσεις στις οποίες στην άκρη της<br />
αλυσίδας τους υπάρχει μια ενεργή ή ιονική ομάδα και μπορούν να ελέγχουν την ανάπτυξη των σωματιδίων, να<br />
προσδίδουν στα σωματίδια διαλυτότητα και να καθορίζουν το σχήμα τους.<br />
Η σύνθεση των γ-Fe 2 O 3 σε διαλύτη ολεϋλαμίνη παρουσιάζει το πλεονέκτημα της παραγωγής<br />
σωματιδίων σε μεγάλη κλίμακα, σε σχέση με άλλους διαλύτες και άλλες μεθόδους με σχετικά χαμηλό κόστος.<br />
Ωστόσο, έχει τα μειονεκτήματα παραγωγής σωματιδίων με μικρότερη μαγνήτιση (λόγω μικρότερου μεγέθους)<br />
και διαλυτότητα.<br />
Σύνθεση νανοσωματιδίων γ-Fe 2 O 3 έγινε επίσης σε διαλύτη ολεϋλαμίνη παρουσία επιφανειοδραστικής<br />
ένωσης ελαϊκού οξέος (oleic acid) με στόχο την βελτίωση των μαγνητικών ιδιοτήτων των σωματιδίων και την<br />
αύξηση της διαλυτότητάς τους σε οργανικούς διαλύτες. Παρουσία επιφανειοδραστικής ένωσης ελαϊκού οξέος<br />
παρατηρήθηκαν σωματίδια με μεγαλύτερο μέγεθος. Οι επιφανειοδραστικές ενώσεις κολλάνε στην επιφάνεια<br />
των σωματιδίων γ-Fe 2 O 3 με την ενεργή τους άκρη, αφήνοντας ελεύθερη την οργανική αλυσίδα. Αυτό γίνεται σε<br />
όλη την επιφάνεια του σωματιδίου, με αποτέλεσμα να δημιουργείται μια οργανόφιλη προστασία γύρω από αυτό.<br />
Στη συνέχεια ακολουθεί η μετατροπή της οργανόφιλης προστασίας σε υδρόφιλη, με σκοπό να γίνουν<br />
τα σωματίδια υδατοδιαλυτά, και να προστατευθούν από τα φαγοκύτταρα. Αυτό επιτυγχάνεται με εγκλωβισμό<br />
των οργανόφιλων σωματιδίων με χρήση συμπολυμερών (Pluronics). Με αυτή την τεχνική το υδρόφοβο<br />
μαγνητικό νανοσωματίδιο επικαλύπτεται με διάφορα βιοσυμβατά συμπολυμερή της οικογένειας των pluronics,<br />
τα οποία αποτελούνται από PEO (Poly Ethylene Oxide) και PPO (Poly Propylene Oxide) πολυμερικές<br />
αλυσίδες. Οι PEO αλυσίδες έχουν τη δυνατότητα να προσανατολίζονται στην υδατική φάση και να<br />
προστατεύουν τον μαγνητικό φορέα από τα φαγοκύτταρα. Οι PPO αλυσίδες είναι υδρόφοβες και<br />
αλληλοεπιδρούν με υδροφοβικές δυνάμεις με την αλοιφατική αλυσίδα του ελαϊκού οξέος. Επομένως<br />
συγκρατείται το συμπολυμερές στο εξωτερικό υδρόφοβο στρώμα του μαγνητικού νανοσωματιδίου και η<br />
υδρόφιλη αλυσίδα του συμπολυμερούς δημιουργεί το υδρόφιλο στρώμα.<br />
Στo Σχήμα 1 παρουσιάζεται σχηματικά το σωματίδιο με τους προσανατολισμούς των αλυσίδων του<br />
πολυμερούς.<br />
216
PEO<br />
PPO<br />
PEO-PPO-PEO<br />
PEO<br />
Oleic acid:<br />
C 17 H 33 COOH<br />
Fe, γ-Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4<br />
Σχήμα 1: Tο σωματίδιο με τους προσανατολισμούς των αλυσίδων του πολυμερούς.<br />
Ο χαρακτηρισμός των σωματιδίων έγινε περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), Mössbauer και μαγνητικές<br />
μετρήσεις και IR για έλεγχο οργανικών υπολειμμάτων.<br />
Με την παραπάνω συνθετική διαδικασία παρασκευάστηκαν μαγνητικά νανοσωματίδια με διπλή<br />
οργανική στοιβάδα, υδρόφοβη-υδρόφιλη, σταθερά στο H 2 O, γεγονός που παρέχει τη δυνατότητα στα<br />
συγκεκριμένα υλικά να εγκλωβίσουν και να μεταφέρουν φαρμακευτικές ουσίες που παρουσιάζουν προβλήματα<br />
διαλυτότητας στο Η 2 Ο, όπως είναι οι ουσίες που περιέχονται σε φάρμακα τα οποία ελέγχουν αρνητικές<br />
επιπτώσεις των καρκινικών κυττάρων στον οργανισμό, ή σε αυτά που χορηγούνται μετά από εγχειρήσεις ή<br />
χημειοθεραπείες για την καταπολέμηση του καρκίνου.<br />
217
Μελέτη ανθρώπινων ονύχων µε τη φασµατοσκοπία φθορισµού ακτίνων Χ µε<br />
ακτινοβολία Synchrotron<br />
Α. Μαυροµάτη 1 , Μ. Κατσικίνη 1,* , Φ. Πινακίδου 1 , Ε. Κ. Παλούρα 1 , ∆. Ιωαννίδης 2 και A. Erko 3<br />
Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης<br />
1<br />
Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, Τµήµα Φυσικής, 54125 Θεσσαλονίκη.<br />
2<br />
Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, Ιατρική Σχολή, 54125 Θεσσαλονίκη.<br />
3 BESSY mbH, Albert Einstein 15, 12489, Berlin, Germany<br />
*katsiki@auth.gr<br />
Τα ανθρώπινα νύχια, όπως και οι τρίχες, είναι τροποποιηµένος τύπος της επιδερµίδας και αποτελούνται από συµπαγή<br />
στρώµατα νεκρών κυττάρων επιθηλίου που σχηµατίζονται απο την α-κερατίνη. Τα κύρια τµήµατα του νυχιού είναι το<br />
υπόστρωµα, η µήτρα, και η πλάκα. Η µήτρα συνίσταται από κερατινοκύτταρα, τα οποία ωριµάζουν και κερατινοποιούνται<br />
στην πλάκα. Επιπλέον, µικρή ποσότητα κερατίνης παράγεται και στο υπόστρωµα. Οι κερατίνες είναι µία οικογένεια<br />
ινοειδών, αδιάλυτων, δοµικών πρωτεïνών, οι οποίες είναι πλούσιες σε κυστεΐνη και µεθιονίνη, τα µόνα αµινοξέα που<br />
περιέχουν S.<br />
Τα νύχια µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την ανίχνευση ουσιωδών, για τον ανθρώπινο οργανισµό, ανόργανων<br />
στοιχείων, τα οποία µε βάση την περιεκτικότητά τους διακρίνονται σε µείζονα (π.χ. Mg, Ca) και ιχνοστοιχεία (π.χ. Cu, Zn).<br />
Αποτελούν σύνθετα υλικά, τα οποία συνιστώνται απο την οργανική ελαφριά µήτρα µέσα στην οποία εµπεριέχονται<br />
ανόργανα στοιχεία. Ως υλικά βιοψίας παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήµατα, το βασικότερο απο τα οποία είναι το γεγονός ότι<br />
φανερώνουν το ιστορικό έκθεσης σε κάποιο στοιχείο, τοξικό ή µή, λόγω της βραδείας ανάπτυξής τους. Επιπλέον, η<br />
δειγµατοληψία επιτυγχάνεται ανώδυνα και ο χρόνος αποθήκευσής τους είναι απεριόριστος. Παρά το γεγονός ότι<br />
παρουσιάζουν σηµαντικά πλεονεκτήµατα, τα νύχια είναι απο τα σκληρά προσαρτήµατα του δέρµατος, τα οποία δεν έχουν<br />
µελετηθεί εκτενώς [1]. Επί του παρόντος εφαρµόζεται η φασµατοσκοπία ατοµικής απορρόφησης [2] για τη χηµική ανάλυση<br />
νυχιών. Επιπλέον, έχει προσδιοριστεί η σύσταση των ιχνοστοιχείων σε δείγµατα τρίχας µε τη φασµατοσκοπία φθορισµού<br />
ακτίνων-Χ (XRF) όπου η ενεργός µάζα του δείγµατος εκτιµήθηκε από την ένταση της σκεδαζόµενης ακτινοβολίας [3]. Για<br />
την ποσοτική ανάλυση δειγµάτων µε τη βοήθεια των φασµάτων XRF, µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως εσωτερική αναφορά η<br />
ένταση της σκεδαζόµενης ακτινοβολίας προκειµένου να αποφευχθεί η χρήση δειγµάτων αναφοράς. Με αυτόν τον τρόπο, τα<br />
φάσµατα διορθώνονται για φαινόµενα διαφορετικής µάζας και σχήµατος των δειγµάτων, καθώς και για τυχόν αστάθειες της<br />
δέσµης. Αυτή η διαδικασία απαιτεί τη γνώση της ενεργού διατοµής σκέδασης του νυχιού. Οι ενεργοί διατοµές σκέδασης των<br />
διαφόρων στοιχείων είναι συναρτήσεις της ενέργειας διέγερσης και του ατοµικού αριθµού. [4] Σε υλικά µε σύνθετη δοµή και<br />
σύσταση, όπως είναι τα βιολογικά υλικά, µπορεί να υπολογιστεί ο ενεργός ατοµικός αριθµός (Z eff ) ο οποίος ορίζεται ως ο<br />
ατοµικός αριθµός ενός υποθετικού στοιχείου, το οποίο σκεδάζει και απορροφά µε τον ίδιο τρόπο µε τον οποίο σκεδάζουν και<br />
απορροφούν κατά µέσο όρο όλα τα στοιχεία του δείγµατος. Η σκεδαζόµενη ακτινοβολία έχει χρησιµοποιηθεί και για την<br />
εκτίµηση των φαινοµένων απορρόφησης στην ελαφριά µήτρα των βιολογικών δειγµάτων [5,6,7]. Στην ανάλυση<br />
περιβαλλοντικών, γεωλογικών και βιολογικών δειγµάτων, στα οποία τα φαινόµενα απορρόφησης οφείλονται κυρίως στην<br />
παρουσία στοιχείων µικρού ατοµικού αριθµού, µπορεί να εφαρµοστεί η µέθοδος της διαπερατότητας ακτίνων-Χ<br />
προκειµένου να υπολογιστεί ο µαζικός συντελεστής απορρόφησης<br />
της ακτινοβολούµενης µάζας και µέσω αυτού ο ενεργός ατοµικός<br />
αριθµός τους. Επιβεβαίωση του υπολογισµού του Z eff επιτυγχάνεται<br />
και από το λόγο εντάσεων των κορυφών ελαστικής και ανελαστικής<br />
σκέδασης.<br />
Στην παρούσα µελέτη γίνεται προσπάθεια συσχέτισης της<br />
έλλειψης ή της περίσσειας διαφόρων ουσιωδών στοιχείων µε<br />
ασθένειες του νυχιού όπως η µυκητίαση και η ψωρίαση, µε<br />
εφαρµογή της τεχνικής XRF µε ακτινοβολία Synchrotron. Για το<br />
σκοπό αυτό, µελετήθηκαν δείγµατα νυχιών θετικά στην µυκητίαση<br />
και στην ψωρίαση καθώς και υγιή δείγµατα, τα οποία ελήφθησαν ως<br />
δείγµατα αναφοράς. Η ακτινοβολία Synchrotron, λόγω των<br />
ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της προσφέρει πολύ σηµαντικά<br />
πλεονεκτήµατα στην εφαρµογή της XRF. Λόγω της υψηλής χωρικής<br />
διακριτικής ικανότητας της δέσµης µε τη χρήση κατάλληλων<br />
διατάξεων εστίασης που ελαττώνουν τη διάµετρο στα 5µm, (capillary<br />
optics) παρέχεται και η δυνατότητα χαρτογράφησης των δειγµάτων.<br />
Τα πειράµατα πραγµατοποιήθηκαν στην εγκατάσταση<br />
ακτινοβολίας Synchrotron BESSY στο Βερολίνο στη γραµµή<br />
ακτινοβολίας KMC II, που παρέχει φωτόνια ακτίνων Χ στην περιοχή<br />
ενεργειών 5-15 keV. Ο µονοχρωµατισµός της ακτινοβολίας<br />
διπολικού µαγνήτη έγινε µε τη χρήση µονοχρωµάτορα διπλού<br />
κρυστάλλου. Η ενέργεια διέγερσης επελέγη ίση µε 10.5keV και για<br />
την καταγραφή των φασµάτων XRF χρησιµοποιήθηκε ανιχνευτής<br />
ενεργειακής διασποράς. Για την καταγραφή της έντασης της<br />
προσπίπτουσας και της διερχόµενης δέσµης, χρησιµοποιήθηκαν<br />
θάλαµοι ιονισµού. Η γεωµετρία της διάταξης ήταν η τυπική για την<br />
ελαχιστοποίηση του υποβάθρου, δηλαδή 45° µεταξύ προσπίπτουσας<br />
I/I sc<br />
16<br />
15<br />
Σκεδαζόµενη<br />
14<br />
Zn<br />
S Ca<br />
13<br />
2553_FUN Cl K Fe Cu<br />
12<br />
2637_FUN<br />
11<br />
M1_HEAL<br />
10<br />
K2_HEAL<br />
9<br />
K1_HEAL<br />
8<br />
3904_HEAL<br />
7<br />
3859_HEAL<br />
6<br />
2555_FUN<br />
5<br />
2543_FUN<br />
4<br />
2608_PSO<br />
3<br />
2630_FUN<br />
2<br />
2605_HEAL<br />
1<br />
F1_HEAL<br />
0<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11<br />
Ενέργεια (keV)<br />
Σχήµα 1: Τα φάσµατα φθορισµού των υπό µελέτη<br />
δειγµάτων σε ενέργεια διέγερσης 10.5keV. Οι<br />
καταλήξεις FUN, HEAL, PSO δηλώνουν τα<br />
δείγµατα µυκητίασης, υγιή και ψωρίασης.<br />
218
δέσµης και δείγµατος και 45° µεταξύ δείγµατος και ανιχνευτή, (ο ανιχνευτής ήταν τοποθετηµένος στο οριζόντιο επίπεδο). Τα<br />
πάχη των δειγµάτων µετρήθηκαν µε ηλεκτρονικό παχύµετρο ακρίβειας 10 -3 cm και πριν τη µέτρηση καθαρίστηκαν µε<br />
ακετόνη και αλκοόλη. Ο χρόνος καταγραφής των φασµάτων ήταν 500 sec. Με τη χρήση του capillary καταγράφηκαν<br />
διδιάστατοι στοιχειακοί χάρτες από κάθε δείγµα, διαστάσεων 200µm × 200µm, 50µm×50µm και 30µm×30µm. Ο χρόνος<br />
καταγραφής ανά σηµείο ήταν ίσος µε 3 sec ενώ το βήµα καταγραφής κυµαινόταν από 2-10µm. Με τη βοήθεια των<br />
στοιχειακών χαρτών, µέσω των οποίων µελετήθηκε η κατανοµή των ουσιωδών στοιχείων µέσα στη µήτρα, καταγράφηκαν<br />
και φάσµατα υψηλής ανάλυσης από πολύ µικρές περιοχές των δειγµάτων.<br />
Προκειµένου να συγκριθούν τα φάσµατα που καταγράφηκαν µε φωτόνια ενέργειας 10.5keV, αφαιρέθηκε η συνεισφορά<br />
του περιβάλλοντα αέρα και κατόπιν τα φάσµατα κανονικοποιήθηκαν µε την ένταση της κορυφής Compton, η οποία ένταση<br />
είναι ανεξάρτητη του φαινοµένου του φθορισµού (Σχήµα 1). Για την προσοµοίωση των φασµάτων χρησιµοποιήθηκαν<br />
Γκαουσιανές συναρτήσεις τόσο για τις κορυφές εκποµπής όσο και για την κορυφή της ελαστικής σκέδασης, Rayleigh. Η<br />
κορυφή της ανελαστικής σκέδασης, Compton, λόγω της ασυµµετρίας της προσοµοιώθηκε µε µία συνάρτηση η οποία<br />
αποτελεί σύνθεση Gaussian και δύο εκθετικών, οι οποίες προσοµοιώνουν την “ουρά” της Compton στις περιοχές χαµηλών<br />
και υψηλών ενεργειών.<br />
Από την ποσοτική ανάλυση των φασµάτων υπολογίστηκαν οι απόλυτες τιµές συγκέντρωσης σε ppm για τα στοιχεία<br />
S, Cl, K, Ca, Fe, Cu, Zn. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι τα δείγµατα νυχιών µε µυκητίαση παρουσιάζουν χαµηλότερη<br />
περιεκτικότητα σε S σε σχέση µε τα υγιή, γεγονός που σύµφωνα µε τη βιβλιογραφία οφείλεται στην παρουσία των<br />
δερµατόφυτων µέσα στο νύχι [8]. Τα δερµατόφυτα είναι µικροοργανισµοί οι οποίοι τρέφονται µε κερατινώδης ιστούς<br />
(πλούσιοι σε S) µε αποτέλεσµα την µείωση της περιεκτικότητας του S. Η µέση τιµή της περιεκτικότητας του S µαζί µε την<br />
τυπική απόκλιση για τα υγιή δείγµατα και τα δείγµατα µυκητίασης υπολογίστηκαν 1314±518 ppm και 487±213 ppm,<br />
αντίστοιχα. Για τα υπόλοιπα στοιχεία δεν βρέθηκε κάποια ιδιαίτερη συσχέτιση της έλλειψης ή της περίσσειας αυτών µε την<br />
ασθένεια της µυκητίασης ή της ψωρίασης.<br />
Από τις διδιάστατες στοιχειακές χαρτογραφήσεις επιλεγµένων δειγµάτων διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν διαφορές µεταξύ<br />
των µελετούµενων δειγµάτων τόσο στην κατανοµή των στοιχείων όσο και στη διαφορά µεγίστου-ελαχίστου στις κατανοµές<br />
των S και Fe (Σχήµα 2), χωρίς όµως αυτές οι<br />
διαφορές να σχετίζονται µε τις ασθένειες που<br />
µελετήθηκαν. Το S κατανέµεται οµοιογενώς σε<br />
όλα τα δείγµατα, σε αντίθεση µε τον Fe ο<br />
οποίος παρουσιάζει την αξιοσηµείωτη<br />
συµπεριφορά να σχηµατίζει συσσωµατώµατα<br />
διαµέτρου που κυµαίνεται από 15-30µm. Από<br />
την ποσοτική ανάλυση των φασµάτων υψηλής<br />
ανάλυσης, που ελήφθησαν από τις περιοχές<br />
χαµηλής και υψηλής συγκέντρωσης του Fe,<br />
βρέθηκε ότι στην περιοχή υψηλής<br />
συγκέντρωσης περιέχεται περίπου 15πλάσια<br />
ποσότητα Fe σε σχέση µε τη περιοχή χαµηλής<br />
συγκέντρωσης.<br />
-170<br />
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20<br />
µm<br />
Συµπερασµατικά, στην παρούσα εργασία µελετήθηκαν ανθρώπινα νύχια, υγιή καθώς και προσβεβληµένα από µυκητίαση<br />
ή ψωρίαση, µε τεχνικές που στηρίζονται στην χρήση ακτινοβολίας Synchrotron. Βρέθηκε ότι τα δείγµατα µυκητίασης<br />
εµφανίζουν χαµηλή περιεκτικότητα σε S, πιθανότατα λόγω της παρουσίας των δερµατόφυτων µέσα στη µήτρα. Επιπλέον, οι<br />
στοιχειακές χαρτογραφήσεις έδειξαν ότι υπάρχουν διαφορές µεταξύ ετεροειδών δειγµάτων χωρίς όµως αυτές να σχετίζονται<br />
µε τις ασθένειες της µυκητίασης ή της ψωρίασης. Το S παρουσιάζει οµοιογενή κατανοµή, ενώ ο Fe σχηµατίζει<br />
συσσωµατώµατα µέσης διαµέτρου 15-30µm σε όλα τα δείγµατα που µελετήθηκαν. Το αποτέλεσµα αυτό, σε συνδυασµό µε<br />
µετρήσεις λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων-Χ, ΝΕXAFS, µπορεί να δώσει πληροφορίες για τη δεσµική συµπεριφορά του<br />
Fe, δηλαδή κατά πόσον βρίσκεται σε µεταλλική µορφή µέσα στο ανθρώπινο νύχι ή συνδέεται µε αµινοξέα σχηµατίζοντας τις<br />
λεγόµενες µεταλλοπρωτεΐνες.<br />
Ευχαριστίες: Τα πειράµατα στην BESSY πραγµατοποιηθήκαν µε οικονοµική υποστήριξη από το πρόγραµµα EU, IA - SFS<br />
RII 3-CT-2004-506008.<br />
[1] H. Lander, P. R. Hodge, C. S. Crisp, J. Forensic Med. 12, 52 (1965).<br />
[2] O. D. Vellar, The American Journal of Clinical Nutrition 23, 1272-74 (1970).<br />
[3] H. Kubo, Phys. Med. Biol. 26, 867 (1981)<br />
[4] R. P. Alvarez, P. Van Espen, A. A. Quintana, 33, 74 (2004).<br />
[5] S. X. Bao, X – ray spectrometry 27, 332 (1998).<br />
[6] R. Spatz R., K. H. Lieser, Fresenius’ Z. Anal. Chem. 280, 197 (1976).<br />
[7] P. Morgenstern, L. Brugemann, R. Wennrich, Spectrochim. Acta Part B 60, 1373 (2005).<br />
[8] G. Midgley, M. K. Moore, Rev Iberoam Micol 15, 113 (1998).<br />
µm<br />
-140<br />
-145<br />
-150<br />
-155<br />
-160<br />
-165<br />
S<br />
µm<br />
-140<br />
-145<br />
-150<br />
-155<br />
-160<br />
-165<br />
Fe<br />
-170<br />
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20<br />
µm<br />
0<br />
0.10<br />
0.20<br />
0.30<br />
0.40<br />
0.50<br />
0.60<br />
0.70<br />
0.80<br />
0.90<br />
1.0<br />
Σχήµα 2: Αντιπροσωπευτικές διδιάστατες (30 ×30µm) χαρτογραφήσεις<br />
για το S και τον Fe του δείγµατος µυκητίασης 2553.<br />
219
Local Coordination of Zn and Fe in Glasses Containing Electric Arc Furnace Dust:<br />
a NEXAFS Study<br />
F. Pinakidou, M. Katsikini, A. Mavromati, G. Kaimakamis, Th. Kehagias and E.C. Paloura *<br />
Aristotle University of Thessaloniki, School of Physics, 54124 Thessaloniki, Greece.<br />
*<br />
paloura@auth.gr<br />
1. Introduction<br />
Electric arc furnace dust (EAFD), which is one of the largest solid waste streams produced by steel mills, contains<br />
mainly heavy metals and thus is considered as a toxic waste. Recycling of the valuable metals (Fe, Zn and Pb), which<br />
reduces the disposal problems and results in resource conservation, can recover only a portion of the heavy metals from the<br />
EAFD. Vitrification, leading to the formation of vitreous or glass-ceramic materials, is a promising process to stabilize<br />
metallic Zn and Fe and hence permits the safe disposal of the EAFD [1]. Therefore it is of great importance to study the<br />
bonding geometry of both Fe and Zn in vitrified EAFD-rich industrial wastes, since the structural integrity of the glass matrix<br />
depends strongly on the type of polyhedra that Fe and Zn form.<br />
2. Experimental Details<br />
The studied samples are vitrified products of EAFD (which mainly consists of ZnO<br />
and ferric oxides (ZnFe 2 O 4 )) and are produced by co-melting of the EAFD with SiO 2 ,<br />
Na 2 O and CaO at 1400°C for 2h, followed by quenching. The EAFD concentration<br />
ranges from 10 to 55 wt%, while the SiO 2 concentration is equal to 55 wt% in all<br />
studied samples. The Fe-K and Zn-K-EXAFS measurements were conducted at the<br />
synchrotron radiation facility BESSY in Berlin using the KMC2 beamline. The spectra<br />
were recorded in the fluorescence yield mode using a Si-PIN photodiode. The spectra<br />
from two reference samples, powder hematite (Fe 2 O 3 ) and magnetite (Fe 3 O 4 ), were<br />
recorded in the transmission mode using ionization chambers.<br />
3. Results and discussion<br />
The Fe-K NEXAFS spectra of the studied samples are shown in Fig. 1(a). The<br />
characteristic pre-edge peak is present in the spectra of all samples indicating that the<br />
polyhedron around Fe is either a tetrahedron or an asymmetric octahedron. The preedge<br />
absorption is attributed to 1s→3d transitions with an electric dipole or quadruple<br />
character [2]. The quadruple character of the transition is pronounced in a<br />
centrosymmetric environment while the dipole in non-centrosymmetric. However,<br />
since quadrupole transitions are 20-100 times weaker than the dipole [2], the existence<br />
of higher distortion leads to higher intensity of the pre-edge peak. Hence, the presence<br />
of the pre-edge peak is a fingerprint of units lacking inversion center while its intensity<br />
relates to the bonding environment of Fe. The Fe-K-NEXAFS spectra were fitted using<br />
a sigmoidal (Boltzmann function) to simulate the absorption edge (E abs ) and Lorentz or<br />
Voigt functions to simulate the pre-edge peak. In order to isolate the pre-edge region,<br />
and thus reveal the characteristics of the pre-edge peak more clearly, the sigmoidal<br />
function was subtracted from the Fe-K-NEXAFS spectra. The resulting pre-edge peaks<br />
are shown in Fig. 2(a) while the results of the Fe-K-NEXAFS analysis are listed in<br />
Table 1.<br />
As mentioned above, the differences in the shape of the pre-edge peak indicate<br />
changes in the bonding environment of Fe. The Fe-K-NEXAFS analysis reveals that<br />
the differences in the pre-peak among the studied glasses and reference compounds are<br />
quite significant and thus a different number of functions, centered at different energies,<br />
is necessary to fit the pre-edge region. More specifically, as shown in Table 1, the preedge<br />
peak of Fe 2 O 3 was fitted using functions positioned at 7113.1 and 7114.2 eV and<br />
7116.5 eV. The first two correspond to Fe +3 in octahedral sites while the third one is<br />
attributed to clustering of Fe [2] and its contribution will be ignored. In the spectra of<br />
Fe 3 O 4 , the following three functions were used for the simulation of the pre-edge peak:<br />
the one at 7111.1 eV corresponds to octahedrally coordinated Fe +2 , the second one at<br />
7112.7 eV corr3esponds to tetrahedrally coordinated Fe +3 while the third one at 7114.6<br />
eV is assigned to octahedrally coordinated Fe +3 . Furthermore, the total area under the<br />
pre-edge peak is significantly different between the two reference samples. The larger<br />
area in magnetite (0.63±0.03 a.u.) compared to hematite (0.43±0.02 a.u.) designates the<br />
different environment of Fe: Fe ions in tetrahedral sites (non-symmetric) in Fe 3 O 4 leads<br />
to an increase of the area while in Fe 2 O 3 , Fe occupies octahedral sites, leading to a<br />
broader and of lower intensity (smaller area) pre-edge peak.<br />
The differences in the shape of the pre-edge peak, which indicate coordination<br />
changes of the Fe ion, are also detected in the spectra of the studied glasses. The<br />
number of functions needed to fit the pre-edge peak is determined by the symmetry of<br />
Intensity (arb. units)<br />
Intensity (arb. units)<br />
4<br />
2<br />
Fe-K edge<br />
Fe 3<br />
O 4<br />
Fe 2<br />
O 3<br />
10 wt%<br />
EAFD<br />
15 wt%<br />
EAFD<br />
20 wt%<br />
EAFD<br />
25 wt%<br />
EAFD<br />
30 wt%<br />
EAFD<br />
(a)<br />
0<br />
7080 7100 7120 7140 7160<br />
3<br />
2<br />
1<br />
10 wt%<br />
EAFD<br />
15 wt%<br />
EAFD<br />
20 wt%<br />
EAFD<br />
25 wt%<br />
EAFD<br />
E (eV)<br />
Zn-K edge<br />
30 wt%<br />
EAFD<br />
(b)<br />
0<br />
9620 9640 9660 9680 9700<br />
E (eV)<br />
Figure 1: (a) The Fe-K NEXAFS<br />
spectra of the studied glasses and<br />
reference Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 and (b)<br />
The respective Zn-K NEXAFS<br />
spectra of all studied samples.<br />
220
the polyhedron around Fe [2] and in particular when Fe +3 ions occupy tetrahedral sites fitting with one Lerentzian is used.<br />
The Lorentzian is centered ~7113.0 eV, i.e. Fe is trivalent, occupies tetrahedral sites and its valence is independent of the<br />
EAFD glasses concentration<br />
Intensity (arb. units)<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
10 wt%<br />
EAFD<br />
15 wt%<br />
EAFD<br />
20 wt%<br />
EAFD<br />
25 wt%<br />
EAFD<br />
30 wt%<br />
EAFD<br />
(a)<br />
7108 7110 7112 7114 7116 7118<br />
FeO 6<br />
(at%)<br />
Area (a.u.)<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0.40<br />
0.38<br />
0.36<br />
0.34<br />
0.32<br />
0.30<br />
0.28<br />
10 15 20 25 30<br />
Energy (eV) EAFD concentration (wt%)<br />
Figure 2: (a) The pre-edge peak (raw and fitted data) of the Fe-K-NEXAFS<br />
spectra of the studied glasses. (b) The dependence of the area under the preedge<br />
peak and the percentage of the FeO 6 octahedra on the EAFD content.<br />
(b)<br />
Table 1: Fe-K-NEXAFS results of the<br />
glasses and references Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 .<br />
Sample<br />
Pre-edge<br />
peak (eV)<br />
(±0.2)<br />
Area<br />
under<br />
pre-edge<br />
(a.u.)<br />
Fe 2 O 3<br />
Fe 3 O 4<br />
7114.6 0.43±0.02<br />
7113.1<br />
7116.5<br />
7112.7 0.63±0.03<br />
7111.1<br />
7114.6<br />
10<br />
wt% 7113.0 0.31±0.01<br />
EAFD<br />
15<br />
wt% 7113.1 0.32±0.01<br />
EAFD<br />
20<br />
wt%<br />
EAFD<br />
7113.0 0.33±0.01<br />
Another interesting result relates to the changes of the area under the pre-edge peak as a function of the EAFD<br />
concentration. As shown in Fig 2(b), the increase in the EAFD content results in a systematic increase of the area under the<br />
pre-edge peak. This change can be explained in terms of the different coordination environment of Fe in the vitreous matrix.<br />
Indeed, according to the Fe-K-EXAFS results [3], the increase of the EAFD concentration in the glasses results to a<br />
systematic decrease in the number of the O atoms that are tetrahedrally coordinated with Fe. Hence, it can be stated that the<br />
area under the pre-edge peak in glasses is a fingerprint of the coordination of Fe: the increase in the area indicates undercoordination<br />
of Fe in the vitreous matrix. It has been previously reported that in crystalline Fe complexes [2], the distortion<br />
in the FeO x polyhedron leads to an alteration in the area under the pre-edge peak. This is attributed to mixing of the 3d metal<br />
orbitals with the 2p orbitals of the oxygen atoms which is enhanced along the distortion axis and thus the intensity of the 1s<br />
→ 3d transition increases. Furthermore, the use of the mixed model in the Fe-K-EXAFS analysis [3] revealed that Fe<br />
occupies both tetrahedral and octahedral sites into the vitreous matrix. The combined EXAFS and NEXAFS results of the<br />
studied samples shown in Fig. 2(b) demonstrate that the increase of the area under the pre-edge peak is correlated to the<br />
percentage of the FeO 6 octahedra: the area increases when the percentage of the FeO 6 octahedra decreases due to the low<br />
intensity of the dipole mechanism in octahedral environments of the Fe ions.<br />
Finally, structureless Zn-K-NEXAFS spectra suggest that the samples are amorphous. Furthermore, the Zn absorption<br />
edge is located at 9662.7eV, an energy which is characteristic of tetrahedral coordination of Zn +2 [4]. Thus, the NEXAFS<br />
results demonstrate that the bonding environment of Zn is not affected by the increase in the EAFD concentration and the<br />
Zn +2 ions forms ZnO 4 into the vitreous matrix.<br />
4. Conclusions<br />
The application of NEXAFS spectroscopy in a series of EAFD-rich vitrified industrial wastes was implemented so as to<br />
determine the valance and bonding geometry of both Zn and Fe ions. It is disclosed that the bonding environment of Fe<br />
changes as the EAFD concentration increases. In particular, it is demonstrated that Fe +3 preferentially occupies noncentrosymmetric<br />
sites, such as tetrahedral, with increasing EAFD content, i.e. the glass forming ability of Fe +3 becomes<br />
dominant. On the contrary, Zn is always divalent and occupies tetrahedral sites in the glass, thus acts as a glass former.<br />
Acknowledgement: The experimental work was realized with financial support from the EU BESSY-ID.2006.2.60326 and the<br />
"PYTHAGORAS II" programs. One of the authors, F. Pinakidou, acknowledges financial support from the Greek Foundation<br />
of Research Scholarships (IKY).<br />
References<br />
[1] M. Pellino., A. Karamanov, P. Pisciella, S. Criscussi and D. Zonetti, Waste Manag., 22 (2002) 945.<br />
[2] T. Westre et al., J. Am. Chem. Soc., 119 (1997) 6297.<br />
[3] F. Pinakidou et al,, ibid.<br />
[4] F. Pinakidou et al. J. Haz. Mater., 142 (2007) 297<br />
221
Επίδραση της Προσθήκης Αργιλοπυριτικών Ορυκτών στην Δομή και τις Ιδιότητες των<br />
Βορικών Υάλων<br />
1. ΠΕΡΙΛΗΨΗ<br />
Ε. Διαμάντη * , Α. Γεωργούλας , Α. Λεκάτου, Θ. Ματίκας και Μ. Καρακασίδης<br />
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας των Υλικών<br />
*ediaman@cc.uoi.gr<br />
Τα τελευταία χρόνια υπάρχει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον στην χρήση αργιλοπυριτικών ορυκτών για την προσρόφηση και<br />
παγίδευση βαρέων μετάλλων [1, 2]. Παράλληλα όμως με την μεγάλη τους προσροφητική ικανότητα τα υλικά αυτά<br />
εμφανίζουν μεγάλη ιοανταλλακτική ικανότητα και ευαισθησία σε υγρή εγχάραξη που γενικά περιορίζει την ικανότητα τους<br />
για ακινητοποίηση των ρυπαντών. Εναλλακτική λύση αποτελεί η ανάπτυξη νέων υάλων και υαλοκεραμικών από<br />
αργιλοπυριτικά ορυκτά και υάλους οξειδίων τα οποία να παρουσιάζουν υψηλή χημική σταθερότητα. Η παρούσα εργασία<br />
έχει ως στόχο την μελέτη της επίδρασης της προσθήκης του φυλλόμορφου αργίλου ( μοντμοριλλονίτης Zenith ) στην δομή<br />
και τις ιδιότητες της υάλου 0,33Να 2 Ο-0,67B 2 O 3 . Παρασκευάστηκαν ύαλοι με την μέθοδο ψύξης τήγματος από υψηλές<br />
θερμοκρασίες με προσθήκη στη αρχική διαδική ύαλο από 10 έως και 100%κ.β. μοντμορινολλίτη. Η δομική μελέτη των νέων<br />
συστάσεων υάλων πραγματοποιήθηκε με φασματοσκοπίες υπερύθρου και Raman. Επίσης προσδιορίστηκαν η πυκνότητα, η<br />
χημική σταθερότητα και οι μηχανικές ιδιότητες των υάλων και συσχετίστηκαν με την δομή τους. Η ανάλυση των<br />
αποτελεσμάτων έδειξε ότι η συνεχής προσθήκη του μοντμοριλλονίτη στην ύαλο 0,33Να 2 Ο-0,67B 2 O 3 έχει ως αποτέλεσμα<br />
την συστηματική βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και της χημικής της σταθερότητας.<br />
2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ<br />
Η αρχική ύαλος 0,33 Να 2 Ο-0,67BB2O 3 (NaB-glass) παρασκευάστηκε χρησιμοποιώντας ως αρχικές πρώτες ύλες Na 2 CO 3 και<br />
H 3 BO 3 . Κατάλληλης στοιχειομετρίας αρχικό μείγμα τοποθετήθηκε σε χωνευτήρι πλατίνας και μεταφέρθηκε εντός<br />
ηλεκτρικού κλιβάνου θερμοκρασίας 1000°C. Μετά από παραμονή στον κλίβανο για μία ώρα έγινε ψύξη του παραγόμενου<br />
τήγματος ανάμεσα σε δυο μεταλλικές πλάκες. Η ύαλος που παρασκευάστηκε χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή νέων<br />
συστάσεων υάλων με την προσθήκη φυλλόμορφου ορυκτού (από 10%κ.β. έως 100%κ.β). Συγκεκριμένα ποσότητα από την<br />
αρχική ύαλο αναμείχθηκε με υπολογισμένες ποσότητες μοντοριλλονίτη τύπου Zenith-N από την νήσο Μίλο που έχει την<br />
ακόλουθη σύσταση: Na 0.63 K 0.07 Ca 0.11 {Si 7.75 Al 0.25 }{Al 3.21 Mg 0.69 Fe 3+ 0.05Ti 0.05 }O 20 (OH) 4 . Μετά την τήξη των πρώτων υλών<br />
και την ψύξη των τηγμάτων οι ύαλοι που παρασκευάστηκαν τοποθετήθηκαν εκ νέου για μερικές ώρες στους 500°C και<br />
ψύχθηκαν αργά έως την θερμοκρασία δωματίου. Έγιναν μετρήσεις περίθλασης ακτίνων-Χ και φασματοσκοπίας IR και μ-<br />
Raman. Επίσης μετρήθηκε η πυκνότητα τους με την μέθοδο του Αρχιμήδη, η χημική τους αντοχή σε απιονισμένο νερό στους<br />
90°C και οι μηχανικές τους ιδιότητες με την χρήση συσκευής παραγωγής υπερήχων.<br />
3. ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ<br />
Τα διαγράμματα της περίθλασης ακτίνων-Χ (δεν δείχνονται εδώ) επιβεβαίωσαν την άμορφη δομή όλων των δειγμάτων,<br />
καθώς δεν εμφάνισαν χαρακτηριστικές ανακλάσεις που θα μπορούσαν να αποδοθούν σε τυχόν κρυσταλλικές φάσεις. Τα<br />
δείγματα επίσης παρουσίασαν οπτική διαφάνεια και δεν παρατηρήθηκαν μικροκρυσταλλικές φάσεις καθώς και αδιάλυτη<br />
ποσότητα του μοντοριλλονίτη. Επομένως κατά την τήξη των μειγμάτων ο μοντμορινολίτης έχασε την φυλόμορφη δομή του<br />
και τα στοιχεία που το αποτελούν (κυρίως Al και Si αλλά και Na, Fe, Mg και Ca) έγιναν μέρος του άμορφου υαλώδους<br />
δικτύου της βορικής υάλου νατρίου.<br />
Απορρόφηση<br />
%Zenith-N<br />
100<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
NaB<br />
1265<br />
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400<br />
cm -1 1008<br />
455<br />
Ένταση<br />
1490<br />
1100 985<br />
900<br />
770<br />
1600 1400 1200 1000 800 600 400<br />
Μετατόπιση Raman (cm -1 )<br />
Σχήμα 1. (α) Φάσματα υπερύθρου και (β) Raman, βορικών υάλων νατρίου<br />
που παρασκευάστηκαν με προσθήκη μοντμοριλλονίτη .<br />
503 431<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
NaB<br />
222
Στο Σχήμα 1(α) δείχνονται τα φάσματα υπερύθρου των νέων υάλων. Από την βιβλιογραφία είναι γνωστό ότι οι βορικές<br />
ύαλοι αλκαλίων παρουσιάζουν απορροφήσεις που οφείλονται α) σε ασύμμετρες δονήσεις τριγωνικών βορικών μονάδων με ή<br />
χωρίς αγεφύρωτα οξυγόνα (1200-1500cm -1 ) β) σε ασύμμετρες δονήσεις τετραεδρικών βορικών μονάδων (800-1150cm -1 ) και<br />
γ) σε δονήσεις κάμψεις των αντιστοίχων μονάδων [3]. Παρατηρούμε στο Σχήμα 1(α) ότι η αύξηση του περιεχομένου<br />
μοντμοριλλονίτη στην ύαλο προκαλεί αύξηση της απορρόφησης στους 1000cm -1 όπως και την εμφάνιση μιας κορυφής στους<br />
~455cm -1 . Οι αλλαγές αποδίδονται στην δημιουργία τετραεδρικών μονάδων Si(OAl) m (m=1-4) που αποτελούν μέρος του<br />
βορικού υαλώδους δικτυώματος [4]. Σε συμφωνία είναι και τα συμπεράσματα που εξάγονται από την ανάλυση των<br />
φασμάτων Raman (Σχήμα 1β). Από τα φάσματα διαπιστώνεται η ύπαρξη βοροξολικών δακτυλιών που φέρουν τετράεδρα<br />
BØ 4 (770cm -1 ), τριγωνικών μονάδων BØ 2 O - (1490cm -1 ), μονάδων Si(OAl) m (800-1220cm -1 ), γεφυρών B-O-B (503cm -1 ),<br />
όπως και γεφυρών B-O-Si (431cm -1 ) [5].<br />
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται (α) η πυκνότητα και το μέτρο ελαστικότητας όπως και (β) η χημική τους αντοχή ως ο<br />
λογάριθμος του ρυθμού διαλυτοποίησης σε συνάρτηση με το % κ.β. περιεχόμενο μοντμοριλλονίτη που χρησιμοποιήθηκε για<br />
την παρασκευή των υάλων. Παρατηρούμε ότι η προσθήκη του μοντμοριλονίτη έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της<br />
πυκνότητας, του μέτρου ελαστικότητας αλλά και της χημικής αντοχής των γυαλιών σε σημαντικό βαθμό.<br />
ΣΧΗΜΑ 2. (α) Πυκνότητα (d) και μέτρο ελαστικότητας (E)<br />
σε συνάρτηση με το % κ.β. περιεχόμενο σε<br />
Μοντμοριλλονίτη.<br />
(β) Αντιστοίχως η χημική αντοχή εκφρασμένη ως logD R<br />
4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ<br />
Η προσθήκη μοντμορινολίτη στην ύαλο 0,33 Να 2 Ο-0,67B 2 O 3 όχι μόνο δεν επηρεάζει αρνητικά την ικανότητα<br />
σχηματισμού της υάλου αλλά βοηθάει στον σχηματισμό υάλων νέων συστάσεων τα οποία είναι περισσότερο ανθεκτικά στην<br />
διάβρωση και έχουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Οι ιδιότητες αυτές οφείλονται όπως έδειξε η φασματοσκοπική<br />
ανάλυση των δειγμάτων, στην ύπαρξη τετραεδρικών μονάδων Si και Al στο υαλώδες δικτύωμα.<br />
5. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ<br />
[1] Barbier F., Duc G., Petit-Ramel M., Colloids and Surfaces A 166 (2000) 153.<br />
[2] Kraepiel A., Keller K., Morel F., Journal of Colloid and Interface Science 210 (1999) 43.<br />
[3] Merzbacher C.I., White W.B., Am. Mineral. 73 (1988) 1089.<br />
[4] Pola J. et al, Solid State Science 7 (2005) 123.<br />
[5] Kamitsos E.I., Chryssikos G.D., Karakassides M.A., J. of Non-Cryst. Solids 123 (1990) 283.<br />
6. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ<br />
Η μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκε με την υποστήριξη της γενικής γραμματείας έρευνας και τεχνολογίας (ΓΓΕΤ) μέσω του<br />
προγράμματος ΠΕΝΕΔ 2003.<br />
223
Αλκαλική Σύνθεση και ∆οµικός Χαρακτηρισµός Ένυδρων Ασβεστο-αργιλοπυριτικών<br />
∆οµών από Ιπτάµενη Τέφρα<br />
Π. Τζιώγας, Γ. Π. ∆ηµητρακόπουλος * , Γ. Καϊµακάµης, Ε. Παυλίδου, ∆. Παπαδόπουλος, Σ. Κόκκου, Φ. Κοµνηνού,<br />
και Θ. Καρακώστας<br />
Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης<br />
*gdim@auth.gr<br />
Η ιπτάµενη τέφρα (ΙΤ) αποτελεί το σηµαντικότερο στερεό απόβλητο της καύσης του λιγνίτη. Η επιτακτική ανάγκη<br />
αποτελεσµατικής µαζικής διαχείρισης των ιδιαίτερα αυξηµένων ποσοτήτων του αποβλήτου µε περιβαλλοντικά φιλικό τρόπο,<br />
απαιτεί την ανάπτυξη νέων, µεγάλης κλίµακας, διεργασιών σταθεροποίησης µε χαµηλή κατανάλωση ενέργειας [1]. Στην<br />
παρούσα εργασία παρουσιάζεται µία µεθοδολογία αλκαλικής ενεργοποίησης της ΙΤ του ενεργειακού σταθµού Πτολεµαϊδας.<br />
Η µεθοδολογία συνίσταται στην αρχική µηχανική άλεση και ανάµειξη µε Ca(OH) 2 , τη συµπίεση και τελικά τη στερεοποίηση<br />
σε χαµηλή θερµοκρασία υπό κεκορεσµένη ατµόσφαιρα υδρατµών. Το κύριο προϊόν της αντίδρασης ενεργοποίησης είναι η<br />
άµορφη ασβεστο-αργιλοπυριτική γέλη. Οι παράµετροι της διεργασίας βελτιστοποιήθηκαν διαµέσου χαρακτηρισµού της<br />
µικροδοµής µε τη βοήθεια ηλεκτρονικής µικροσκοπίας σάρωσης και περίθλασης ακτίνων X.<br />
Σύµφωνα µε το πρότυπο ΕΝ197-1, διακρίνονται δύο κύριες κατηγορίες ΙΤ: α) Τέφρες βασικές–ασβεστοπυριτικές που<br />
παράγονται κατά την καύση του λιγνίτη, περιέχουν >18% CaO και παρουσιάζουν υδραυλικές ή και ποζολανικές ιδιότητες.<br />
β) Τέφρες όξινες–πυριτικές που παράγονται κατά την καύση ανθρακίτη ή λιθάνθρακα και περιέχουν
παρουσία της µήτρας, προϊόν αντίδρασης και ενυδάτωσης, γίνεται εκτεταµένη, ανταγωνιστικά προς την ευδιάκριτη<br />
παρουσία κόκκων. Από στοιχειακές µικροαναλύσεις EDS κατά τα διάφορα στάδια σχηµατισµού της µήτρας, παρατηρήθηκε<br />
ότι κατά την εξέλιξη της αντίδρασης αυξάνει ο λόγος Si/Al στη γέλη, από ~1.5 αρχικά µέχρι ~1.9 σε προχωρηµένους<br />
χρόνους ενυδάτωσης. Στο Σχήµα 1 δίνονται ακτινογραφήµατα τριών δειγµάτων µε 30% Ca(OH) 2 . Το δείγµα Α προέκυψε<br />
µετά από ανάµιξη και συµπίεση, χωρίς να τοποθετηθεί σε περιβάλλον σκλήρυνσης. Το δείγµα Β παρέµεινε για 14d σε<br />
κορεσµένη µε υδρατµούς ατµόσφαιρα σε θερµοκρασία περιβάλλοντος ενώ το δείγµα Γ παρέµεινε σε κορεσµένη ατµόσφαιρα<br />
για 72h σε θ~95 0 C. Η κύρια κρυσταλλική φάση είναι αυτή του SiO 2 . Η κύρια κρυσταλλική φάση του ασβεστίου είναι ο<br />
πορτλαντίτης αφού µε την προσθήκη του νερού το CaO που προϋπήρχε στην ΙΤ µετασχηµατίστηκε σε Ca(OH) 2 . Επίσης, το<br />
ασβέστιο εµφανίζεται στις φάσεις CaCO 3 , CaSO 4 και CaAl 2 Si 2 O 8 . Με τη παραµονή του δείγµατος σε θ~95 0 C, το Ca(OH) 2<br />
εξαφανίζεται σταδιακά, χωρίς να µετασχηµατιστεί σε CaCO 3 (καλσίτη), ενώ εξαφανίζεται και η κρυσταλλική φάση του<br />
ανυδρίτη (CaSO 4 ). Η ερµηνεία επ’ αυτού είναι ότι το ασβέστιο συµµετέχει στη δοµή της γέλης που σχηµατίζεται κατά την<br />
σκλήρυνση του υλικού. Αυτό είναι εµφανές από τη σύγκριση των δειγµάτων Α και Γ όπου φαίνεται ότι οι κορυφές που<br />
αντιστοιχούν στα Ca(OH) 2 και CaSO 4 µετά από 72h εξαφανίζονται, ενώ δεν προκύπτει µεταβολή στην ένταση των κορυφών<br />
που αντιστοιχούν στο CaCO 3 . Ακόµη, από τη σύγκριση των ακτινογραφηµάτων, γίνεται φανερό ότι µετά από 72h επέρχεται<br />
σηµαντική αµορφοποίηση του υλικού, µε τη δηµιουργία γέλης, σε συµφωνία µε τις παρατηρήσεις SEM. Η µόνη νέα<br />
κρυσταλλική φάση που φαίνεται να δηµιουργείται σε µικρό ποσοστό, είναι η ένυδρη ασβεστο-αργιλοπυριτική ένωση<br />
Ca(Al 2 Si 7 O 18 ).6H 2 O.<br />
(α) (β) (γ)<br />
50 µm 50 µm 50 µm<br />
Εικόνα 2. Εικόνες SEM δειγµάτων ΙΤ µε 30% Ca(OH) 2 . µετά από απλή συµπίεση (α) και µετά από παραµονή σε περιβάλλον<br />
κορεσµένων υδρατµών σε θ~95 0 C για 8h (β) και 72h (γ).<br />
Σχήµα 1. Ακτινογραφήµατα<br />
XRD τριών δειγµάτων ΙΤ-30%<br />
Ca(OH) 2 . Χρόνοι σκλήρυνσης<br />
σε κορεσµένη ατµόσφαιρα :<br />
∆είγµα Α: 0h.<br />
∆είγµα Β: 14d σε θ περιβάλλοντος .<br />
∆είγµα Γ: 72h σε θ~95 0 C.<br />
Ο σχηµατισµός της ασβεστο-αργιλοπυριτικής γέλης συνδέεται µε την ανάπτυξη µηχανικών αντοχών ανάλογων αυτών του<br />
τσιµέντου τύπου Πόρτλαντ, όπως παρουσιάζεται σε άλλη εργασία στο πλαίσιο του παρόντος συνεδρίου. Συµπερασµατικά, η<br />
ΙΤ Πτολεµαΐδας είναι ένα υδραυλικό καυ ταυτόχρονα ποζολανικό υλικό κατάλληλο για το σχηµατισµό ένυδρων ασβεστοπυριτικών<br />
δοµών. Η προτεινόµενη εδώ µέθοδος κατεργασίας είναι χαµηλού ενεργειακού κόστους και κατάλληλη για µεγάλης κλίµακας<br />
αξιοποίηση του αποβλήτου µε στόχο τη χρήση του στον κατασκευαστικό τοµέα. Μελέτη των δειγµάτων µε SEM έδειξε ότι, µε<br />
εξελισσόµενη την αλκαλική προσβολή των κόκκων, η παρουσία της γέλης, προϊόν αντίδρασης και ενυδάτωσης, γίνεται εκτεταµένη.<br />
Ο δοµικός χαρακτηρισµός µε XRD επιλεγµένων δειγµάτων, απέδειξε ότι τα χαρακτηριστικά της χρονικής εξέλιξης της ενυδάτωσης<br />
αλλά και του τρόπου κατεργασίας, αποτυπώνονται µε τις µεταβολές των διαφόρων κρυσταλλικών φάσεων.<br />
[1] Iver R. S., Scott J. A., Res. Conserv. Recycl. 31 (2001) 217.<br />
[2] Fernandez-Jimenez A., Palomo A., Criado M., Cement and Concrete Research 35 (2005) 1204.<br />
[3] Palomo A., Grutzeck M. W., Blanco M. T., Cement and Concrete Research 29 (1999) 1323.<br />
[4] Bakharev T., Cement and Concrete Research 35 (2005) 1224.<br />
Ευχαριστίες: Tο έργο συγχρηµατοδοτείται από το Ευρωπαϊκό Κοινοτικό Ταµείο και Εθνικούς πόρους µέσω του<br />
προγράµµατος ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ "ΑΡΧΙΜΗ∆ΗΣ ΙΙ" υποέργο 2.6.8.<br />
225
Μηχανικές Iδιότητες Ένυδρων Ασβεστο-αργιλοπυριτικών Προϊόντων<br />
από Ιπτάµενη Τέφρα<br />
Π. Τζιώγας 1 , Γ. Καϊµακάµης 1 , Ι. Ιωάννου 2 , Σ. Αντωνίου 3 , Ι. Χαριτωνίδης 4 , Κ. Χαριτίδης 5 και Γ. Π. ∆ηµητρακόπουλος 1,*<br />
1 Τµήµα Φυσικής, Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης<br />
2 Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πανεπιστήµιο Κύπρου<br />
3 Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Εργαστήριο Τριβολογίας, Ανώτατο Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυµα Πειραιά<br />
4 Γενικό Τµήµα Θετικών Επιστηµών, Ανώτατο Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυµα Θεσσαλονίκης<br />
5 Σχολή Χηµικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο<br />
*gdim@auth.gr<br />
Στην εργασία µελετήθηκαν οι µηχανικές ιδιότητες ένυδρων ασβεστο-αργιλοπυριτικών προϊόντων για δοµικές εφαρµογές, τα<br />
οποία παρήχθησαν µε τη µέθοδο της αλκαλικής ενεργοποίησης της ιπτάµενης τέφρας (ΙΤ) του ενεργειακού σταθµού<br />
Πτολεµαϊδας. H µέθοδος παρασκευής και ο µικροδοµικός χαρακτηρισµός παρουσιάζονται στο παρόν συνέδριο σε άλλη<br />
ανακοίνωση. Έγιναν µετρήσεις του δυναµικού µέτρου ελαστικότητας, της θλιπτικής αντοχής, και των τριβολογικών<br />
χαρακτηριστικών των προϊόντων. Προσδιορίσθηκαν οι συνθήκες ανάπτυξης του υλικού για την επίτευξη βέλτιστων<br />
µηχανικών ιδιοτήτων και συσχετίσθηκαν µε τη µικροδοµή διαµέσου παρατηρήσεων ηλεκτρονικής µικροσκοπίας.<br />
Επιτεύχθηκε βέλτιστη θλιπτική αντοχή ~60 ΜPa και δυναµική ακαµψία ~20 GPa, και προσδιορίσθηκε επίσης ο ρυθµός<br />
ανάπτυξης της αντοχής. Παράλληλα επιτεύχθηκε ικανοποιητική αντοχή στη λειαντική φθορά συγκρίσιµη µε την αντίστοιχη<br />
του τσιµέντου τύπου Πόρτλαντ.<br />
Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ξηρή καύση λιγνίτη συνοδεύεται από την παραγωγή αποβλήτων από τα οποία<br />
η ΙΤ είναι το σηµαντικότερο αφού παράγεται σε ιδιαίτερα µεγάλες ποσότητες. Πρόκειται για το κονιώδες υλικό πού<br />
συλλέγεται στα ηλεκτροστατικά φίλτρα των ατµοηλεκτρικών σταθµών. Στο σύνολο της παραγόµενης τέφρας στους<br />
θερµοηλεκτρικούς σταθµούς ενέργειας, η ΙΤ αποτελεί το 85-90% κ.β. Η ΙΤ χρησιµοποιείται στον κατασκευαστικό τοµέα π.χ.<br />
σαν πρόσθετο υλικό του τσιµέντου. Όµως οι ποσότητες που µπορούν να εισαχθούν χωρίς µεταβολή των ιδιοτήτων του<br />
τσιµέντου δεν ξεπερνούν το 20-30% ΙΤ περίπου [1,2]. Πλεονεκτήµατα της χρήσης ΙΤ για τη σύνθεση ενός κατασκευαστικού<br />
υλικού που να αντικαθιστά το τσιµέντο είναι ότι απαιτείται σηµαντικά µικρότερη κατανάλωση ενέργειας, ενώ παράλληλα<br />
αποφεύγεται η εναπόθεση της ΙΤ στο περιβάλλον. Στην παρούσα εργασία γίνεται διερεύνηση µηχανικών ιδιοτήτων<br />
προϊόντων µε κύριο συστατικό την ΙΤ που παρήχθησαν µε ειδική κατεργασία τσιµεντοποίησης µε στόχο τη µαζική<br />
αξιοποίηση της ΙΤ σε κατασκευαστικές εφαρµογές. Τσιµεντοειδή προϊόντα µεγάλης περιεκτικότητας σε ΙΤ (60-90% κ.β.)<br />
παρήχθησαν µε µέθοδο αλκαλικής ενεργοποίησης υπό θέρµανση σε κορεσµένη ατµόσφαιρα υδρατµών (για λεπτοµέρειες επί<br />
της διεργασίας ενεργοποίησης βλ. [3]). Η εφαρµοσθείσα κατεργασία είχε σαν αποτέλεσµα το σχηµατισµό στερεού σώµατος<br />
διαµέσου της δηµιουργίας ασβεστο-αργιλοπυριτικής γέλης.<br />
Στο Σχήµα 1 δίνονται µετρήσεις του δυναµικού µέτρου Young µε τη µέθοδο του συντονισµού υπερήχων [4]. Oι τιµές των<br />
συχνοτήτων συντονισµού όλων των δειγµάτων που µετρήθηκαν παρουσίαζαν πολύ καλή επαναληψιµότητα. ∆ιακρίνεται ότι<br />
τις υψηλότερες τιµές Ε εµφανίζουν τα δείγµατα µε 30% Ca(OH) 2 και για χρόνο σκλήρυνσης >8h. Η βελτίωση των ιδιοτήτων<br />
είναι σε συµφωνία µε το µικροδοµικό χαρακτηρισµό που δείχνει τη δηµιουργία ασβεστο-αργιλοπυριτικής γέλης ιδιαίτερα<br />
µετά τις 8h [3]. Για 40% Ca(OH) 2 δεν παρατηρήθηκε σηµαντική αύξηση του Ε. Αυτό µπορεί να αποδοθεί τόσο στην αύξηση<br />
του πορώδους στο στερεοποιηµένο υλικό όσο και στο σχηµατισµό CaCO 3 λόγω της περίσσειας ασβεστίου. H συνάλεση των<br />
κόνεων ΙΤ και Ca(OH) 2 βελτίωσε περαιτέρω τη µηχανική συµπεριφορά. Για τη σύσταση 30% Ca(OH) 2 η µέγιστη τιµή του Ε<br />
αυξήθηκε κατά ~5 GPa. Με δεδοµένο ότι οι τελικές αποκτώµενες αντοχές αυτών των µειγµάτων είναι αποτέλεσµα των<br />
αντιδράσεων ενυδάτωσης και ποζολανικότητας, η άλεση βελτιώνει τη ρεολογική συµπεριφορά του µείγµατος, δηλαδή<br />
πετυχαίνεται εκτενέστερη ενεργοποίηση της αντιδράσεων σκλήρυνσης. Η µείωση του πορώδους, ως συνέπεια της<br />
συνάλεσης των κόνεων, ενισχύει µε τη σειρά της τις τελικές αντοχές του υλικού. Η συνάλεση είχε ως αποτέλεσµα την<br />
αύξηση της πυκνότητας από ρ=~1.8 g/cm 3 σε ~2 g/cm 3 για τη σύσταση 30% Ca(OH) 2 . Ανάλογες παρατηρήσεις έγιναν για το<br />
µέτρο διάτµησης, G, και το λόγο Poisson, ν, όπου οι βέλτιστες τιµές που επιτεύχθηκαν ήταν ~8 GPa και 0.21 αντίστοιχα για<br />
τη σύσταση 30% Ca(OH) 2 .<br />
Στο Σχήµα 2(α) δίνονται τα αποτελέσµατα των δοκιµών ανεµπόδιστης θλίψης για τη σύσταση 30% Ca(OH) 2 .<br />
Παρατηρείται ότι η θλιπτική αντοχή είναι σ=~60 ΜPa στις 24h δηλαδή ×~3 φορές ανώτερη της αντίστοιχης του τσιµέντου<br />
Πόρτλαντ. Η ανάπτυξη τόσο της θλιπτικής αντοχής όσο και της ακαµψίας Ε µπορεί να περιγραφεί ικανοποιητικά µε<br />
εκθετική συνάρτηση σε συµφωνία µε τη σχετική βιβλιογραφία [5]. Στο Σχήµα 2(β) δίνονται οι θλιπτικές αντοχές τριών<br />
διαφορετικών συστάσεων για κοινό χρόνο σκλήρυνσης t=72h. Παρατηρείται ότι η σύσταση 30% Ca(OH) 2 δίνει και πάλι την<br />
καλύτερη τιµή. Η ανάπτυξη της θλιπτικής αντοχής µπορεί να συσχετιστεί φαινοµενολογικά µε την αύξηση της ακαµψίας, Ε,<br />
µε γραµµική σχέση.<br />
Όπως αναφέρθηκε, τα προϊόντα που παρήχθησαν είναι υποψήφια υλικά για κατασκευαστικές εφαρµογές, οπότε κρίθηκε<br />
αναγκαίο να µελετηθούν και τα τριβολογικά τους χαρακτηριστικά. Στο Σχήµα 3 φαίνεται η εξάρτηση του όγκου φθοράς και<br />
της πυκνότητας συναρτήσει του χρόνου σκλήρυνσης, ενώ οι τιµές του όγκου φθοράς και του συντελεστή τριβής δίνονται<br />
στον Πίνακα 1. Ο κύριος τύπος φθοράς που παρατηρήθηκε ήταν η λειαντική φθορά. Παρατηρείται βελτίωση της<br />
συµπεριφοράς του υλικού µε την αύξηση του χρόνου σκλήρυνσης µε τις τελικές τιµές να είναι ικανοποιητικές σε σχέση µε<br />
τις αντίστοιχες του τσιµέντου Πόρτλαντ.<br />
Συνοψίζοντας, η δυνατότητα παραγωγής δοµικών υλικών από ασβεστούχα ΙΤ των µονάδων του ενεργειακού σταθµού<br />
Πτολεµαΐδας, µέσα από τεχνολογίες χαµηλού κόστους, αποτελεί µια πολλά υποσχόµενη µέθοδο για την διαχειρισή του<br />
226
συγκεκριµένου παραπροϊόντος. Υψηλότερες τιµές του δυναµικού µέτρου ελαστικότητας Ε και µέτρου διάτµησης G, έχουν<br />
τα δείγµατα µε Ca(OH) 2 30% της µάζας της ΙΤ και χρόνο παραµονής >8h σε κορεσµένη µε υδρατµούς ατµόσφαιρα σε<br />
θ~95 ο C. Η συνάλεση ΙΤ και Ca(OH) 2 , βελτίωσε ικανοποιητικά τη µηχανική συµπεριφορά καθώς αύξησε τις τιµές των Ε και<br />
G. Η µέγιστη τιµή της αντοχής σε ανεµπόδιστη θλίψη βρέθηκε 62,17 MPa. Η τιµή αυτή θεωρείται εξαιρετικά καλή,<br />
συγκρινόµενες µε τις θλιπτικές αντοχές του τσιµέντου και των άλλων κοινών τούβλων. Η µεταβολή των δυναµικών<br />
ελαστικών σταθερών συσχετίζεται µε τις αποκτώµενες αντοχές των προϊόντων. Η σηµαντικότερη επίπτωση της<br />
συγκεκριµένης έρευνας ήταν η επιτυχής αξιοποίηση ενός παραπροϊόντος το οποίο, παραγόµενο σε µεγάλες ποσότητες,<br />
προκαλεί σοβαρή περιβαλλοντική επιβάρυνση, έχοντας µέχρι σήµερα υψηλό κόστος µη αποτελεσµατικής και µη<br />
ολοκληρωµένης διαχείρισης.<br />
(α)<br />
(β)<br />
Σχήµα 1. (α) Μεταβολή του δυναµικού µέτρου Young µε το χρόνο σκλήρυνσης για τέσσερεις περιεκτικότητες Ca(OH) 2 .<br />
(β) Μεταβολή του δυναµικού µέτρου Young µε την περιεκτικότητα Ca(OH) 2 για διάφορους χρόνους σκλήρυνσης.<br />
(α)<br />
(β)<br />
Σχήµα 2. (α) Μεταβολή της θλιπτικής αντοχής µε το χρόνο σκλήρυνσης για τη σύσταση 30% Ca(OH) 2 . (β) Μεταβολή της<br />
θλιπτικής αντοχής µε τη σύσταση για χρόνο σκλήρυνσης t=72h.<br />
Πίνακας 1. Μέσος συντελεστής τριβής και συνολικός όγκος φθοράς για<br />
κάθετο φορτίο 1 Ν και 3 Ν και µήκος ολίσθησης 1000 m και 200 m,<br />
αντίστοιχα για τη σύσταση 30% Ca(OH) 2 και το τσιµέντο Πόρτλαντ (P).<br />
Xρόνοι σκλήρυνσης 2, 4, 8, και 24h.<br />
Σχήµα 3. ∆ιαγράµµατα όγκου φθοράς<br />
και πυκνότητας συναρτήσει του χρόνου<br />
σκλήρυνσης για σύσταση 30% Ca(OH) 2 .<br />
Mean Friction<br />
coefficient µ<br />
Total wear<br />
volume Vw (mm 3 )<br />
Normal Load (N) 1 3 1 3<br />
Total Sliding Distance L (m) 1000 200 1000 200<br />
C30 2 0,48 0,64 9,95 18,23<br />
C30 4 0,61 0,63 5,31 11,03<br />
C30 8 0,63 0,66 9,51 15,65<br />
C30 24 0,58 0,56 0,72 0,78<br />
P-24 0,58 0,67 0,28 0,25<br />
[1] Iver R.S., Scott J.A., Res. Conserv. Recycl. 31 (2001) 217.<br />
[2] Kearsley E.P., Wainwright P.J., Cement and Concrete Research 31 (2001) 105.<br />
[3] Π. Τζιώγας, Γ. ∆ηµητρακόπουλος, Γ. Καϊµακάµης, Ε. Παυλίδου, ∆. Παπαδόπουλος, Σ. Κόκκου, Φ. Κοµνηνού, Θ.<br />
Καρακώστας, Πρακτικά XXIΙI Πανελληνίου Συνεδρίου Φυσικής Στερεάς Κατάστασης & Επιστήµης Υλικών, 2007.<br />
[4] ASTM, Designation: E 1876-97.<br />
[5] Abyaneh M. Y., Keedweel M. J., Leppard C., Claisse P. A., Magazine of Concrete Research 53, (2001) 3-12.<br />
Ευχαριστίες: Tο έργο συγχρηµατοδοτείται από το Ευρωπαϊκό Κοινοτικό Ταµείο και Εθνικούς πόρους µέσω του<br />
προγράµµατος ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ "ΑΡΧΙΜΗ∆ΗΣ ΙΙ" υποέργο 2.6.8.<br />
227
The Influence of Thermal Aging on the Electrical and Morphological<br />
Properties of PEDOT:PSS<br />
E. Vitoratos 1* , S. Sakkopoulos 1 , E. Dalas 2 , N. Paliatsas 1 , F. Petraki 3 , S. Kennou 3 and<br />
S. A. Choulis 4<br />
1 Department of Physics, University of Patras, 265 00 Patras, Greece<br />
2 Department of Chemistry, University of Patras, 265 00 Patras, Greece<br />
3<br />
Department of Chemical Engineering, University of Patras, 265 00 Patras, Greece<br />
4<br />
Konarka Technologies GmbH, Landgrabenstr. 94, D-90443 Nürnberg, Germany<br />
*vitorato@pelops.physics.upatras.gr<br />
PEDOT:PSS is the most common buffer layer for organic electronic applications due to its optical<br />
transparency and high conductivity [1]. It is a blend between poly(3,4-ethylene dioxythiophene) (PEDOT) a<br />
π-conjugated polymer with high electrical conductivity, excellent stability and optical properties and a waterdispersible<br />
polyelectrolyte, poly(styrene sulfonate) (PSS), which ensures its processibility. Chemically<br />
polymerised PEDOT:PSS films have a granular morphology because of the micellar nature of the emulsion, with<br />
electrically conductive grains, 20 – 70 nm in diameter, consisting of long PSS insulating chains on which many<br />
shorter oxidized PEDOT conductive chains are electrostaticaly attached. The conduction takes places by hopping<br />
of charge carriers between the PEDOT chains. The grains are surrounded by an insulating PSS coating, which<br />
introduces a potential barrier to the charge carriers. It has been recently reported that the surface of PEDOT:PSS is<br />
covered by a 3 – 4 nm ultra-thin layer of pristine PSS [2,3].<br />
In this contribution we investigate the influence of thermal aging on PEDOT:PSS conductivity<br />
properties. For the measurements an aqueous dispersion of PEDOT:PSS (Baytron P) was used, where the weight<br />
ratio of PEDOT:PSS was 1:2.5 by weight. A four - probe method was used for the d.c. conductivity σ<br />
measurements vs temperature (T) in a He filled cryostat. Each sample was subjected successive heat treatment in<br />
the same cryostat, followed by conductivity measurements. The results σ = σ(T) for a sample heated from 200 K to<br />
393 K for times between 0 and 55 h are shown in Figure 1.<br />
σ (S/cm)<br />
2,3<br />
2,2<br />
2,1<br />
2,0<br />
1,9<br />
1,8<br />
1,7<br />
1,6<br />
1,5<br />
1,4<br />
1,3<br />
1,2<br />
1,1<br />
1,0<br />
0,9<br />
0,8<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380<br />
Temperature (K)<br />
0 h<br />
3<br />
6<br />
12<br />
18<br />
25<br />
31<br />
37<br />
43<br />
49<br />
55<br />
Figure 1. Experimental curves σ = σ (T) for a PEDOT:PSS sample heated from 200-393 K for different times<br />
between 0 and 55 h. The decreasing of σ with thermal treatment is obvious for all the T studied.<br />
0,4<br />
0,2<br />
lnW<br />
0,0<br />
-0,2<br />
5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6,0<br />
lnT<br />
Figure 2. The lnW = f(lnT) straight line, where W is the reduced activation energy, for the PEDOT:PSS sample,<br />
shown in Figure 1, after 37 hours of heat treatment.<br />
228
[dlnW/dT]<br />
The negative slope of the lnW = f(lnT), where W = -T is the reduced activation energy,<br />
as it is shown in Figure 2, reveals that the samples are in the insulating state, for which hopping transport is<br />
described by the general Mott Variable Range Hopping (VRH) formula [4]<br />
σ = σ 0<br />
⎡ ( )<br />
exp - T<br />
0<br />
/ T α ⎤<br />
⎣ ⎦<br />
The exponent α decreases with thermal aging, from the value 1 at the beginning of the thermal treatment, to a<br />
value of about α =1/2 at the end of this process, as it is shown in Figure 3.<br />
(1)<br />
1,2<br />
1,1<br />
1,0<br />
0,9<br />
α<br />
0,8<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0 10 20 30 40 50 60<br />
t (h)<br />
Figure 3. The exponent α in Equation (1) as a function of the different thermal treatment times for the same<br />
PEDOT:PSS sample, as in Figure 1.<br />
Percolation theory in conducting polymer networks showed that the value of the exponent α<br />
systematically decreases from about α ≈ 1 to 0.25 upon increasing the volume fraction of the conducting polymer<br />
into the insulating matrix to the percolation threshold [5,6]. A value of α = 0.5 indicates a variable range hopping<br />
process in one dimension, revealing a much better alignment of the polymer chains at the end of the thermal<br />
treatment. This seems to contradict the fact that the conductivity declines with thermal treatment. However, Fig.4<br />
shows that the peak corresponding to PSS - -Na bond is decreasing after heat treatment, which indicates that there is<br />
an elimination of the PSS-Na salt. Apart from UPS, SEM pictures indicate a decrease of the size of the conductive<br />
grains with increasing treatment time.<br />
XPS (MgKα) S2p<br />
as-received<br />
PSS<br />
XPS (MgKα) S2p<br />
after thermal treatment<br />
PSS<br />
XPS Intensity (a. u.)<br />
PEDOT<br />
PSS - (Na + , H + )<br />
PSS 0<br />
PSS - (Na + , H + )<br />
PEDOT<br />
PSS 0<br />
162 164 166 168 170 172162 164 166 168 170 172<br />
Binding Energy (eV)<br />
Figure 4. S(2p)-XPS peaks from the “as received” sample(a) and after heat treatment(b).<br />
It seems reasonable to assume that a decreasing of the grain size at constant separation has as a result the<br />
decrease of conductivity, as the number of the potential barriers increases [7, 8].<br />
[1] Choulis S.A., Choong V.-E., Patwardhan A., Mathai M.K., So F., Adv. Fun. Materials, 16, 1075, (2006).<br />
[2] de Kok M.M., Buechel M., Vulto S.I.E., van de Weijer P., Meulenkamp E.A., de Winter S.H.P.M., Mank<br />
A.J.G., Vorstenbosch H.J.M., Weijtens C.H.L. van Elsbergen V., Phys. Stat. Sol. (a) 201 (2004) 1342.<br />
[3] Crispin X., Marciniak S., Osikowicz W., Zotti G., Denier van der Gon A.W., Louwet F., Fahlman M.,<br />
Groenendaal L., de Schryver F., Salaneck W.R., J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. 41 (2003) 2561.<br />
[4] Kohlman R.S., Joo J., Min Y.G., MacDiarmid A.G., A.J. Epstein, Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 2766.<br />
[5] Reghu M., Yoon C.O., Yang C.Y., Moses D., Smith P., Heeger A.J., Cao Y., Phys. Rev. B 50 (1994) 13931.<br />
[6] Duvail J.L., Rétho P., Garreau S., Louarn G., Godon C., Demoustier-Champaghe S., Synth. Met. 131, (2002)<br />
123.<br />
[7] Zhou Y., Yuan Y., Lian J., Zhang J., Pang H., Cao L., Zhou X., Chem. Phys. Lett. 427, (2006) 394.<br />
[8] Timpanaro S., Kemerink M., Touwslager F.J., de Kok M.M., Schrader S., Chem. Phys. Lett. 394, (2004) 339.<br />
229
Modeling and quantitative phase analyses of archaic pottery<br />
I.M.Siouris 1 , W. Kockelmann 2<br />
1<br />
Department of Production and Management Engineering , Democritus University of Thrace<br />
Xanthi, 67 1 00 Xanthis, Greece<br />
2 Rutherford Appleton Laboratory, ISIS Facility, OX11 0QX Chilton, United Kingdom<br />
*jsiou@pme.duth.gr<br />
Archaeological pottery fragments from two sites in Greece were investigated with neutron diffraction. The measurements<br />
included 4th-century BC pottery from the area of Krania and fragments from the Karabournaki excavation site in northern<br />
Greece. The neutron diffraction analyses aimed at delivering quantitative phase fractions which are to be used for identifying<br />
characteristic signatures of the types of pottery. Further more, a new computer program (Amphoreas) was developed to deal<br />
with the various problems that mineral analysis of multiphase ceramics presents.<br />
[Fig.1]: Experimental (+), calculated (-)<br />
and difference of the diffraction<br />
patterns from the Krania sample.<br />
[Fig.2]: Initial modeling, Krania sample,<br />
using the program Amphoreas<br />
[Fig.4]:Final model and fitted parameters.<br />
*Bank 2:Indicates forward scattering with detector position at :2θ= 52.6 ◦ and Bank 3:Indicates backscattering with detector<br />
position at:2θ= 122.2°.<br />
Neutron data on two 4th century B.C. pottery fragments from the specified areas was collected at the ROTAX<br />
instrument, using the TOF neutron diffraction facility at ISIS. The data was analysed with the GSAS software and the results<br />
were compared with the analysis from Amphoreas software. The neutron diffraction analyses aimed at determining the main<br />
crystallographic phases in this type of pottery. The Plots [1] and [4] show the analysed diffraction patterns of the two<br />
different fragments. Table [1] shows the final results of the quantitative phase evaluation using both computer software :<br />
full pattern analysis from GSAS and the profile/ phase decomposition software Amphoreas. The results are almost<br />
identical. The deviation in the calculating phases are within 0.03% , a factor well inside the bounds of the experimental<br />
error. The Krania shards are characterised by a high amount of feldspars indicating larger kiln temperatures.<br />
230
[Fig.4]: Experimental (o) and calculated (-) diffraction patterns fron the Karabournaki sample.<br />
Table 1. Small fragment Large fragment<br />
Quartz 18.9 25.5<br />
Diopside 13.3 17.0<br />
Feldspars 61.4 50.5<br />
Hematite 3.6 3.9<br />
Fragments from the ancient settlement at Karabournaki in Thessaloniki, included‚ “reject ceramics” and a small<br />
pottery shard. The diffraction patterns compare the Karabournaki shard ([Fig.4]) with patterns of other ceramic<br />
samples. Temperature analysis points at a firing temperatures of nearly 950° C for the Krania sample while the<br />
Karabournaki shard must have been treated at a lower temperature of about 800-850° C.<br />
The authors kindly acknowledge the help from Dr. D. Tsiafaki of C.E.T.I. – Cultural Heritage Unit, Xanthi in providing<br />
the Karabournaki sample.<br />
231
Συμβολή στη Συντήρηση των Αρχαιολογικών Ευρημάτων της Αιανής Κοζάνης με τη<br />
Βοήθεια των Ακτίνων Χ και της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης.<br />
Χ. Μαντζώλα και Α. Στεργίου<br />
Τμήμα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. 54124 Θεσσαλονίκη.<br />
stergiou@auth.gr<br />
Η συντήρηση των αρχαιοτήτων αποτελεί αντικείμενο διαφόρων επιστημονικών ειδικοτήτων που συνεργάζονται για<br />
το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. Η συμβολή της επιστήμης υλικών στο τομέα αυτόν είναι σημαντική.<br />
Στη παρούσα εργασία έγινε μελέτη αρχαιολογικών ευρημάτων (κεραμικών, χάλκινων ελασμάτων, μαρμάρων τάφων)<br />
του Δήμου Αιανής του νομού Κοζάνης. Τα ευρήματα του μουσείου της Αιανής τοποθετούνται στην εποχή του χαλκού (15-<br />
12 αιώνες Π.Χ) καθώς και στην Αρχαϊκή και Κλασική περίοδο (6-5 αιώνες Π.Χ) [1]. Η μελέτη των δειγμάτων βασίστηκε σε<br />
μεθόδους της περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) και της ανάλυσης με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Με την<br />
πρώτη μέθοδο έγινε χαρακτηρισμός των κρυσταλλικών φάσεων των δειγμάτων, με τη βοήθεια της βάσης δεδομένων PDF,<br />
ενώ με την δεύτερη εξετάστηκε η μορφολογία των δειγμάτων και η χημική σύσταση διαφόρων περιοχών τους. Οι δύο<br />
μέθοδοι χρησιμοποιήθηκαν συμπληρωματικά ώστε τα συμπεράσματα να είναι ασφαλή.<br />
Η μελέτη των συγκεκριμένων δειγμάτων με τις παραπάνω μεθόδους έδωσε τα εξής κύρια αποτελέσματα: Στα<br />
κεραμικά δείγματα, επικρατεί η φάση του SiO 2 [2] με ποσοστό ~56-82% και ακολουθεί ο αλβίτης Na(Si 3 Al)O 8 με ποσοστό<br />
~12-36%. Ομοίως, στα μεταλλικά επικρατεί το Cu 2 O [3] με ποσοστό ~60-76% και ακολουθεί ο μαλαχίτης Cu 2 (OH) 2 CO 3 με<br />
ποσοστό ~10-25%, ενώ στα μαρμάρινα εμφανίζεται μόνον o δολομίτης, (Ca x Mg 1- x)CO 3 [4 ποσοστό 100%. Όλα τα<br />
αποτελέσματα της ταυτοποίησης επιβεβαιώθηκαν με τις περιεκτικότητες των στοιχείων, που μετρήθηκαν με τη βοήθεια του<br />
SEM. Αναλυτικά αποτελέσματα δίνονται στον Πίνακα 1.<br />
Ενδεικτικά, στα παρακάτω σχήματα δίνονται φωτογραφίες SEM δύο δειγμάτων, ενός κεραμικού και ενός<br />
μεταλλικού, και μερικά διαγράμματα περίθλασης (XRD) και η ταυτοποίηση κάποιων φάσεων.<br />
100 μm<br />
SiO 2<br />
Σχήμα 1: Φωτογραφία SEM δείγματος 1 κεραμικών.<br />
Σχήμα 2: Χαρακτηρισμός του δείγματος 1 κεραμικών με το<br />
διάγραμμα XRD και τη βάση PDF<br />
Πίνακας 1: Κύριες φάσεις των δειγμάτων<br />
Κεραμικά δείγματα<br />
Μεταλλικά ελάσματα<br />
Μαρμάρινα δείγματα<br />
α/α Φάση 1 % Φάση 2 % Φάση 3 %<br />
1 SiO 2 74 Na(Si 3 Al)O 8 11 CaMgSi 2 O 6 14,9<br />
2 SiO 2 55,8 Na(Si 3 Al)O 8 34,6 (Ca,Fe,Mn) 3 Si 3 O 9 9,5<br />
3 SiO 2 73,4 Na(Si 3 Al)O 8 23,4 Ca 2 Al(AlSi)O 7 3,1<br />
4 SiO 2 82,4 Ca 2 Al(AlSi)O 7 13,2 CaMgSi 2 O 6 4,4<br />
5 SiO 2 57 Na(Si 3 Al)O 8 12,2 CaC0 3 30,8<br />
6 SiO 2 60,4 Na(Si 3 Al)O 8 36,4 Na 3 MgAlSi 2 O 8 3,2<br />
1 Cu 2 O 76,2 Cu 2 (OH) 2 CO 3 16,6 Cu 1.7 (Fe(CN) 6 )(H 2 O) 0.55 7,1<br />
2 Cu 2 O 69,4 Cu 2 (OH) 2 CO 3 10,4 Cu 12.75 SiZn 2.92 21,4<br />
3 Cu 2 O 60,4 Cu 2 (OH) 2 CO 3 25 CuO 14,6<br />
4 Cu 2 O 76,4 Cu 2 (OH) 2 CO 3 20,3 SnO 2 3,2<br />
1 (Ca x Mg 1x )CO 3 100 - - - -<br />
2 (Ca x Mg 1x )CO 3 100 - - - -<br />
232
Cu 2 O<br />
Σχήμα 3: Φωτογραφία SEM δείγματος 1 των<br />
μεταλλικών.<br />
Σχήμα 4: Χαρακτηρισμός του μεταλλικού δείγματος 1, με το<br />
διάγραμμα XRD και τη βάση PDF (φάση 1)<br />
Cu 2 (OH) 2 CO<br />
(Ca x Mg 1 x)CO 3<br />
Σχήμα 5: Χαρακτηρισμός του μεταλλικού δείγματος<br />
1,με το διάγραμμα XRD και τη βάση PDF (φάση 2)<br />
Σχήμα 6: Χαρακτηρισμός του μαρμάρινου δείγματος 1, με το<br />
διάγραμμα XRD και τη βάση PDF<br />
Αναφορές<br />
[1] Καραμήτρου-Μεντεσίδη Γ. Αιανή, Αρχαιολογικός Οδηγός, ΤΑΠΑ 1996, (1989).<br />
[2] Wright, A.F.;Lehmann, M.S. The structure of quartz at 25 and 590 C determined by neutrons. Journal of Solid State<br />
Chemistry 36, 371-380, (1981).<br />
[3] Restori, R.;Schwarzenbach, D. Charge density in Cuprite, Cu 2 O. Acta Crystallographica B 42, 201-208 (1986).<br />
[4] Paquette, J.;Reeder, R.J. Single-crystal X-ray structure refinements of two biogenetic magnesian calcite crystals.<br />
American Mineralogist 75, 1151-1158 (1990).<br />
233
Κρυσταλλική Συµπεριφορά του Συστήµατος SiO 2 -Na 2 O-CaO Ενισχυµένο µε Απόβλητο<br />
Σιδηρουργίας (EAFD)<br />
Ε. Τσιλίκα, Γ. Καϊµακάµης, Γ. ∆ηµητρακόπουλος, Σ. Κόκκου, Θ. Κεχαγιάς, Φ. Κοµνηνού* και Θ. Καρακώστας<br />
Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης<br />
*komnhnoy@auth.gr<br />
Η σκόνη σακόφιλτρων ηλεκτροκαµίνου (EAFD-Electric Arc Furnace Dust) είναι ένα τοξικό απόβλητο το οποίο παράγεται<br />
στις µονάδες ανακύκλωσης χάλυβα. Η ανάµειξη του συγκεκριµένου αποβλήτου µε SiO 2 -Na 2 O-CaO φθηνές πρώτες ύλες σε<br />
κατάλληλες αναλογίες και η κρυστάλλωσή του στους 900 ο C, θερµοκρασία η οποία προσδιορίστηκε µε διαφορική θερµική<br />
ανάλυση, βρέθηκε ότι οδηγεί σε επιτυχή σταθεροποίηση του αποβλήτου [1,2]. Σε µια προσπάθεια να βελτιστοποιηθούν οι<br />
συνθήκες θερµικής κατεργασίας, η συµπεριφορά του συστήµατος κατά την κρυστάλλωση αλλά και η µικροδοµή των<br />
υαλοκεραµικών που προκύπτουν µελετήθηκαν µε οπτική µικροσκοπία, περίθλαση ακτίνων Χ καθώς και ηλεκτρονική<br />
µικροσκοπία διερχοµένης (ΤΕΜ). Σε µικρούς χρόνους κρυστάλλωσης παρατηρήθηκε ότι ο βολαστονίτης είναι η µοναδική<br />
φάση που κρυσταλλώνεται. Όσο ο χρόνος κρυστάλλωσης αυξάνεται κρύσταλλοι διοπσίτη σε επαφή µε το βολαστονίτη<br />
αρχίζουν να εµφανίζονται. Η χρονική εξέλιξη του µηχανισµού κρυστάλλωσης του συστήµατος µελετήθηκε σε µια<br />
προσπάθεια να διευκρινισθεί η εµφάνιση του διοπσίτη σε ένα σύστηµα του όποιου η χηµική σύσταση δεν ευνοεί τη<br />
δηµιουργία της συγκεκριµένης φάσης. Οι τοπικές διακυµάνσεις στην κατανοµή των συστατικών του EAFD όπως Fe, Zn,<br />
Mg, οι οποίες επέρχονται µε το χρόνο φαίνεται να επηρεάζουν σηµαντικά το είδος των δοµών που κρυσταλλώνονται και οι<br />
οποίες ανήκουν στην πολυσωµατική οικογένεια των πυρόξενων-πυροξενοείδών µε αποτέλεσµα να ευνοούν τη δηµιουργία<br />
ορισµένων µελών της συγκεκριµένης σειράς. Υαλοκεραµικά µε κύριες κρυσταλλικές φάσεις βολαστονίτη ή/και διοπσίτη<br />
εµφανίζουν πολύ καλές µηχανικές ιδιότητες και χρησιµοποιούνται ως δοµικά υλικά [3].<br />
Οι πυρόξενοι και τα πυροξενοειδή αποτελούν µια πολυσωµατική οικογένεια πυριτικών ενώσεων απλής αλυσίδας µε<br />
χηµικό τύπο ΜSiO 3 όπου Μ είναι τα δισθενή κατιόντα Ca, Mg, Fe, Mn. Οι αλυσίδες των πυριτικών τετραέδρων<br />
κατευθύνονται κατά µήκος της διεύθυνσης (100) κι εναλάσσονται µε επιπέδα τα οποία περιλαµβάνουν τα δισθενή κατιόντα.<br />
Η περιοδικότητα των πυριτικών τετραέδρων και η κατανοµή των δισθενών κατιόντων καθορίζουν τα διάφορα µέλη της<br />
οικογένειας της οποίας τα δύο ακραία µέλη είναι ο βολαστονίτης (πυροξενοειδές) και οι κλινοπυρόξενοι (π.χ. διοπσίτης).<br />
Μεταβολές στην πίεση, τη θερµοκρασία ή το µέγεθος των κατιόντων έχει βρεθεί ότι επιφέρουν αλλαγές στην περιοδικότητα<br />
των αλυσίδων και κατ’ επέκταση µεταβολές φάσης [4]. Συγκεκριµένα οι µεταβολές φάσης οι οφειλόµενες σε ιοντική<br />
αντικατάσταση εξαρτώνται από την ποσότητα και το µέγεθος των προς αντικατάσταση κατιόντων (Mg, Fe, Mn, Ca).<br />
Πίνακας 1 Χηµική σύσταση υαλοκεραµικού<br />
SiO 2 (%) Na 2 O (%) CaO (%) EAFD (%)<br />
EAFD 55 5 25 15<br />
Πίνακας 2 Χηµική σύσταση σκόνης EAFD<br />
MgO Al 2 O 3 SiO 2 K 2 O CaO MnO Fe 2 O 3 ZnO PbO<br />
(%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%)<br />
EAFD 0.7 0.9 4.1 1.4 4.6 3.3 33.9 34.9 6.2<br />
Στην παρούσα εργασία, πυριτικές ενώσεις της οικογένειας των πυροξενοειδών δηµιουργήθηκαν κατά τη διαδικασία<br />
αδρανοποίησης του αποβλήτου χαλυβουργίας EAFD µε τη µέθοδο της υαλοποίησης. Συγκεκριµένα η σκόνη EAFD (η<br />
σύσταση της οποίας φαίνεται στον Πίνακα 2) αναµείχθηκε µε SiO 2 -Na 2 O-CaO φθηνές πρώτες ύλες σε αναλογία [1,2] η<br />
οποία έχει βρεθεί ότι οδηγεί στην καλύτερη δυνατή κρυστάλλωση (Πίνακας 1). Το προκύπτον µείγµα χυτεύτηκε αρχικά<br />
στους 1400 ο C για τη δηµιουργία του γυαλιού και στη συνέχεια µετατράπηκε σε υαλοκεραµικό στους 900 ο C σε<br />
διαφορετικούς χρόνους κρυστάλλωσης (15 min, 30 min, 2 h, 60h). Η επιλογή των θερµοκρασιών σε κάθε βήµα έγινε µε<br />
διαφορική θερµική ανάλυση (DTA). Οι διαφορετικοί<br />
Intensity (a.u.)<br />
EAFD 3 T=900 o C t cr<br />
=60 h<br />
EAFD 3 T=900 o C t cr<br />
=2 h<br />
EAFD 3 T=900 o C t cr<br />
=30 min<br />
EAFD 3 T=900 o C t cr<br />
=15 min<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
2θ<br />
Σχήµα 1 Ακτινογραφήµατα XRD των δειγµάτων µε<br />
διαφορετικούς χρόνους κρυστάλλωσης<br />
χρόνοι κρυστάλλωσης οδήγησαν στη δηµιουργία<br />
διαφορετικών υαλοκεραµικών (E1, E2, E3, E4) η<br />
κρυσταλλικότητα και η µικροδοµή των οποίων<br />
µελετήθηκαν µε οπτική µικροσκοπία, περίθλαση<br />
ακτίνων Χ και ηλεκτρονική µικροσκοπία διερχόµενης<br />
δέσµης (ΤΕΜ).<br />
Η περίθλαση ακτίνων Χ (Σχήµα 1) έδειξε σε όλα τα<br />
δείγµατα το βολαστονίτη ως την κύρια κρυσταλλική<br />
φάση. Η άµορφη συνιστώσα η οποία είναι παρούσα σε<br />
όλα τα δείγµατα υποδεικνύει ότι τα προκύπτοντα<br />
υαλοκεραµικά δεν είναι πλήρως κρυσταλλωµένα. Ο<br />
βολαστονίτης είναι η κρυσταλλική φάση, η οποία<br />
ευνοείται παρουσία της σκόνης EAFD, που δρα ως<br />
πυρηνοποιητής στη συγκεκριµένη θερµοκρασία [2]<br />
Μετά την κρυστάλλωση τα στοιχεία της σκόνης<br />
διαχέονται στην υαλώδη µήτρα, στην γειτονιά των<br />
κρυστάλλων [2,5]. Μελετώντας τη µικροδοµή του<br />
234
υαλοκεραµικού σε διαφορετικούς χρόνους κρυστάλλωσης επιτυγχάνουµε να καταγράψουµε τη συµπεριφορά των στοιχείων<br />
του EAFD κατά τη διαδικασία της κρυστάλλωσης. Τα στοιχεία του EAFD (Fe, Zn, Mn) είναι ουσιαστικά δισθενή κατιόντα<br />
τα οποία µπορούν να καταλάβουν τις οκταεδρικές θέσεις των Ca στη δοµή του βολαστονίτη µε το µηχανισµό της ιοντικής<br />
αντικατάστασης. Η αντικατάσταση του ασβεστίου από τα µικρότερα σε µέγεθος κατιόντα Fe, Zn, Mg, προκαλούν<br />
συρρίκνωση της κυψελίδας η οποία είναι ιδιαίτερα εµφανής κατά τη διεύθυνση 010 κατά µήκος της οποίας διατάσσονται τα<br />
δισθενή κατιόντα. Οι επιφερόµενες από την ιοντική αντικατάσταση µεταβολές των πλεγµατικών σταθερών επηρεάζουν τις<br />
ισαποστάσεις d των δικτυωτών επιπέδων του βολαστονίτη µε αποτέλεσµα οι µετρούµενες γωνίες 2θ στα ακτινογραφήµατα<br />
και οι ισαποστάσεις 2θ στα πρότυπα περίθλασης να εµφανίζονται µετατοπισµένες σε σχέση µε τις θεωρητικά προβλεπόµενες<br />
τιµές (PDF 840654). Στον Πίνακα 3 γίνεται σύγκριση των µετρούµενων γωνιών 2θ των τεσσάρων δειγµάτων µε τις<br />
θεωρητικά υπολογιζόµενες τιµές. Καθώς ο χρόνος κρυστάλλωσης αυξάνεται η παρατηρούµενη µετατόπιση των γωνιών 2θ<br />
ελαττώνεται και σε χρόνο ίσο µε 60 h γίνεται σχεδόν µηδενική, γεγονός που υποδεικνύει ότι το φαινόµενο της ιοντικής<br />
αντικατάστασης φθείνει µε το χρόνο. Η παρατήρηση αυτή επιβεβαιώνεται και από µετρήσεις ενεργειακής διασποράς (EDS)<br />
του ΤΕΜ (Σχήµα 2) σε κρυστάλλους βολαστονίτη οι οποίες έδειξαν ότι η συγκέντρωση στοιχείων ΕAFD είναι µεγάλη σε<br />
µικρούς χρόνους κι ελαττώνεται σχεδόν εκθετικά µε την αύξηση του χρόνου κρυστάλλωσης. Αξιοσηµείωτο είναι ότι η<br />
ποσότητα των στοιχείων EAFD στους κρυστάλλους δεν είναι επαρκής ώστε να προκαλέσει µεταβολή φάσης της δοµής.<br />
Πίνακας 3<br />
Triclinic<br />
Wollastonite<br />
(PDF<br />
E1 E2, E3 E4<br />
840654)<br />
2 0 0 23.158 23.178 23.175 23.156<br />
0 0 2 25.302 25.34 25.33 25.307<br />
-1 0 2 26.854 26.899 26.895 26.87<br />
2 1 0 28.874 28.913 28.903 28.88<br />
-2 2 0 29.972 30.033 30.018 29.987<br />
% Atomic<br />
2,5<br />
2,0<br />
1,5<br />
1,0<br />
0,5<br />
0,0<br />
10 100 1000<br />
t (min)<br />
Fe<br />
Zn<br />
Σχήµα 2<br />
Μεταβολή της<br />
περιεκτικότητας<br />
των στοιχείων Fe,<br />
Zn στους<br />
κρυστάλλους του<br />
βολαστονίτη µε το<br />
χρόνο<br />
(α) (β) (γ)<br />
Εικόνα 1 (α), (β) Εικόνες οπτικής µικροσκοπίας µε κρυστάλλους διοπσίτη (άσπροι κρύσταλλοι) να αναπτύσσονται στα όρια<br />
των κρυστάλλων του βολαστονίτη. (γ) Εικόνα ΤΕΜ από κρύσταλλο διοπσίτη και το αντίστοιχο πρότυπο περίθλασης µε<br />
άξονας ζώνης [101].<br />
Αξιοσηµείωτο είναι ότι στα δείγµατα µε µεγάλους χρόνους κρυστάλλωσης (2h, 60h) παρατηρήθηκε µια δεύτερη<br />
κρυσταλλική φάση γνωστή ως διοπσίτης, η οποία ανήκει στην οικογένεια των κλινοπυρόξενων και αναπτύσσεται σε επαφή<br />
µε το βολαστονίτη (Εικόνα 1). Η συγκεκριµένη φάση δεν εµφανίζεται στα ακτινογραφήµατα λόγω της µικρής της<br />
συγκέντρωσης. Εάν δεχτούµε ότι τα στοιχεία EAFD αρχικά διευκολύνουν την κρυστάλλωση και στη συνέχεια διαχέονται<br />
στην υαλώδη µήτρα, περιµένουµε σε µικρούς χρόνους κρυστάλλωσης τα εν λόγω στοιχεία να βρίσκονται µέσα στη δοµή<br />
του βολαστονίτη, στις θέσεις του ασβεστίου. Λόγω της µικρής τους συγκέντρωσης δεν επηρεάζουν την περιοδικότητα των<br />
αλυσίδων της δοµής και προκαλούν µόνο τοπικές τάσεις και παραµορφώσεις στο πλέγµα. Καθώς ο χρόνος αυξάνει το<br />
πλέγµα αφηρεµεί µέσω της διάχυσης των εισερχοµένων στους κρυστάλλους στοιχείων στη γειτονιά της υαλώδους µήτρας.<br />
Ως αποτέλεσµα το παρατηρούµενο ποσοστό των ιόντων (Fe, Zn) στην κρυσταλλική δοµή του βολαστονίτη ελαττώνεται και<br />
σε µεγάλους χρόνους κρυστάλλωσης σχεδόν µηδενίζεται (Σχηµα 2). Τα στοιχεία αυτά κατά την αποµάκρυνση τους<br />
συγκεντρώνονται στα όρια των κρυστάλλων προκαλώντας τοπικά µέγιστα στη συγκέντρωση τους. Η παρουσία των<br />
στοιχείων EAFD σε µεγάλες συγκεντρώσεις σε ορισµένες περιοχές στα όρια των κόκκων είναι η αιτία που ευνοεί τη<br />
δηµιουργία του πυρόξενου διοπσίτη, ο οποίος στις δεδοµένες συγκεντρώσεις και θερµοκρασίες είναι ενεργειακά προτιµητέος<br />
έναντι του βολαστονίτη.<br />
[1] P. Kavouras, Th.A. Ioannidis, Th. Kehagias, I. Tsilika, K. Chrissafis, S. Kokkou, A. Zouboulis and Th. Karakostas, J.<br />
Eur. Ceram. Soc. 27 (2007) 2317.<br />
[2] I. Tsilika, P. Komninou, J. Eur. Ceram. Soc. 27 (2007) 2423.<br />
[3] Ζ. Strnad Glass Ceramic Materials, Elsevier, Amsterdam, 1986.<br />
[4] Akimoto, S. and Syono, Y., Am. Mineralogist 57 (1972) 76.<br />
[5] Rincon, J. Ma. & Callejas, P., J. Mater. Sci. 23 (1988) 1042.<br />
Ευχαριστίες: Tο έργο συγχρηµατοδοτείται από το Ευρωπαϊκό Κοινοτικό Ταµείο και Εθνικούς πόρους µέσω του<br />
προγράµµατος ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ "ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ ΙΙ".<br />
235
Σύνθεση Στερεών ∆ιαλυµάτων Τύπου β-K 2 Bi 8 Se 13<br />
µε Μηχανική Κραµάτωση και Πυροσυσσωµάτωση<br />
Ν. Τούµπας [1] , Θ. Κυράτση [1]* , Α. Τσιάππος [1] ,<br />
Ε. Χατζηκρανιώτης [2] , Ε. Παυλίδου [2] , Κ.Μ. Παρασκευόπουλος [2] και M. G. Kanatzidis [3]<br />
(1)<br />
Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Παραγωγής, Πανεπιστήµιο Κύπρου, 1678 Λευκωσία, Κύπρος<br />
[2]<br />
Τµήµα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, 54124 Θεσσαλονίκη<br />
[3]<br />
Department of Chemistry, Northwestern University, Evanston, IL 60208, and Materials Science Division, Argonne<br />
National Laboratory, Argonne IL, 60439 United States<br />
*kyratsi@ucy.ac.cy<br />
Εισαγωγή: Μελέτες που έγιναν στις τριαδικές και τετραδικές ενώσεις των χαλκογονιδίων του βισµούθιου έδειξαν ότι<br />
παρουσιάζουν πολλά υποσχόµενες θερµοηλεκτρικές ιδιότητες 1 . Η σύνθετη δοµή τους, µε χαµηλή συµµετρία, όπως και η<br />
παρουσία των αλκαλικών µετάλλων έχουν σαν αποτέλεσµα µια δοµική και ηλεκτρονική πολυπλοκότητα, που οδηγούν σε<br />
πολύ µικρή θερµική αγωγιµότητα και υψηλότερους συντελεστές Seebeck. Το β-K 2 Bi 8 Se 13 βρέθηκε να είναι ένα υποσχόµενο<br />
υλικό λόγω της χαµηλής του θερµικής αγωγιµότητας και του σχετικά υψηλού παράγοντα θερµοηλεκτρικής ισχύος 2 . Η<br />
µορφολογία του είναι βελονοειδής και παρουσιάζει έντονη ανισοτροπία όσον αφορά τις ιδιότητές 3 . Ο σχηµατισµός στερεών<br />
διαλυµάτων αποτελεί µια διαδικασία ιδιαίτερα αποτελεσµατική στο χώρο των θερµοηλεκτρικών και εφαρµόστηκε µε<br />
επιτυχία για την σύνθεση των σειρών Κ 2 (Bi 1-x Sb x ) 8 Se 13 , Κ 2 Bi 8 (Se 13-x S x ) και (Κ 2-x Rb x )Bi 8 Se 13 , τα οποία και µελετήθηκαν ως<br />
προς τη δοµή τους, τις φυσικές και θερµοηλεκτρικές τους ιδιότητες 4 .<br />
Τα τελευταία χρόνια είναι πλέον δεδοµένος ο προσανατολισµός της εφαρµοσµένης έρευνας προς τη<br />
βελτιστοποίηση των παραµέτρων παραγωγής σε διάφορες τεχνικές σύνθεσης και µεθόδους κονιοµεταλλουργίας 5 , όπως<br />
µηχανική κραµάτωση, πυροσυσσωµάτωση κλπ, µε στόχο την εύκολη και ταχεία σύνθεση υλικών καθώς επίσης και τη<br />
διαµόρφωση δοκιµίων µε κατάλληλες διαστάσεις, µηχανικές και θερµοηλεκτρικές ιδιότητες για την απευθείας χρήση τους<br />
σε διατάξεις. Η κονιοµεταλλουργία είναι µια κατασκευαστική διεργασία που πραγµατοποιείται µε διαδικασία άλεσης<br />
σφαιρών (ball milling) υψηλής ενέργειας και στη συνέχεια τα τεµάχια διαµορφώνονται µε συσσωµάτωση σκόνης υλικού 5 . Η<br />
µηχανική κραµάτωση κάνει χρήση συµπιεστικών δυνάµεων πρόσκρουσης υψηλής ενέργειας κατά την άλεση για την<br />
παραγωγή της κόνεως όπου λόγω της τριβής και των συσσωρεύσεων µπορούν να προκληθούν και χηµικές αντιδράσεις 6 . Η<br />
µηχανική κραµάτωση σε συνδυασµό µε την πυροσσυσωµάτωση χρησιµοποιείται για την σύνθεση µιας µεγάλης ποικιλίας<br />
θερµοηλεκτρικών υλικών 7 .<br />
Στην παρούσα εργασία εφαρµόστηκαν για πρώτη φορά µέθοδοι κονιοµεταλλουργίας για την σύνθεση στερεών<br />
διαλυµάτων υλικών τύπου K 2 Bi 8 Se 13 . Η σύνθεση πραγµατοποιήθηκε µε τη µέθοδο της µηχανικής κραµάτωσης και<br />
ακολούθησε πυροσυσσωµάτωση. Τα προϊόντα µελετήθηκαν ως προς τη δοµή, τη µορφολογία, τη σύσταση, την<br />
κρυσταλλικότητα και την καθαρότητα τους µε στόχο τον προσδιορισµό των συνθηκών που να µπορούν να οδηγήσουν σε<br />
καθαρά µέλη της σειράς Κ 2 (Bi 1-x Sb x ) 8 Se 13 .<br />
Αποτελέσµατα και Συζήτηση: Για τη σύνθεση των στερεών διαλυµάτων επιλέχθηκε αρχικά το µέλος Κ 2 Bi 4 Sb 4 Se 13 .<br />
Σύνθεση: Τα αρχικά υλικά K 2 Bi 8 Se 13 και Κ 2 Sb 8 Se 13 ζυγίστηκαν σε αναλογία 1:1 και τοποθετήθηκαν στο µύλο άλεσης<br />
σφαιρών. Το δοχείο κλείστηκε υπό αδρανή ατµόσφαιρα αζώτου και πραγµατοποιήθηκε άλεση µε ταχύτητα 240 rpm για<br />
1,2,3,5,7 και 10 λεπτά. Το δοχείο και οι σφαίρες ήταν κατασκευασµένες από tungsten carbide. Η παραγόµενη σκόνη<br />
συσσωµατώθηκε σε πεπιεσµένα δισκία υπό πίεση περίπου 800MPa. Τα δισκία χρησιµοποιήθηκαν για τη µελέτη των υλικών<br />
µετά την κραµάτωση ενώ άλλα σφραγίστηκαν υπό κενό σε σωλήνες χαλαζία και θερµάνθηκαν στους 400 ο C για 48 ώρες µε<br />
στόχο τη µελέτη της επίδρασης της πυροσυσσωµάτωσης χωρίς εφαρµογή εξωτερικής πίεσης (pressure-less sintering) στην<br />
σύνθεση των υλικών.<br />
Χαρακτηρισµός: Τα υλικά µελετήθηκαν µε τη µέθοδο της περίθλασης των ακτίνων Χ σκόνης (PXRD) για να επιβεβαιώνεται<br />
η σταθερότητα της δοµής τους και να εκτιµάται η κρυσταλλικότητά τους. Τα ακτινογραφήµατα των υλικών έδειξαν ότι δε<br />
λαµβάνει χώρα µετασχηµατισµός σε άλλες κρυσταλλικές φάσεις κατά την άλεση σφαιρών. Κατά την αύξηση της διάρκειας<br />
της άλεσης παρατηρείται η εµφάνιση έντονου υποβάθρου στα ακτινογραφήµατα, γεγονός που δηλώνει την εµφάνιση και<br />
σταδιακή αύξηση άµορφου υλικού. Η διαδικασία πυροσυσσωµάτωσης επαναφέρει το υλικό σε κρυσταλλική κατάσταση<br />
όπως φαίνεται και στο σχήµα 1 συγκριτικά µε υλικό που παράχθηκε από τήξη..<br />
Μετά από 10min<br />
µηχανική κραµάτωση<br />
Μετά από 10min<br />
µηχανική κραµάτωση<br />
και πυροσσυσωµάτωση<br />
A<br />
Γ<br />
B<br />
Σύνθεση µε τήξη<br />
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60<br />
2θ<br />
Σχήµα 1: Ακτινογράφηµα περίθλασης ακτίνων Χ σκόνης.<br />
Σχήµα 2: Επιφάνεια από σκόνη που<br />
υπέστη άλεση για 3 λεπτά.(εικόνα BSE)<br />
236
Τα πεπιεσµένα δισκία που παρασκευάστηκαν παρατηρήθηκαν µε ηλεκτρονική µικροσκοπία σάρωσης (SEM)<br />
καθώς επίσης και µε τη µέθοδο φασµατοσκοπίας ακτίνων Χ (EDS) µε στόχο την τοπική στοιχειακή ανάλυση για τη µελέτη<br />
της εξελικτικής πορείας της αντίδρασης.<br />
Στο σχήµα 2 παρουσιάζεται εικόνα οπισθοσκεδαζοµένων ηλεκτρονίων (BSE) από επιφάνεια δισκίου που<br />
κατασκευάστηκε µε σκόνη που υπέστη άλεση για 3 λεπτά. Εδώ µε κριτήριο τη φωτεινότητα (η οποία διαφοροποιείται µε τη<br />
χηµική σύσταση) φαίνονται τρεις διακριτές περιοχές Α, Β και Γ. Οι αναλύσεις τέτοιων περιοχών µε EDS (πίνακας) µας<br />
οδηγούν στο συµπέρασµα ότι οι περιοχές Α αντιστοιχούν στην ακραία Bi- ένωση, οι Β στην ακραία Sb- ένωση ενώ η Γ<br />
αντιστοιχεί σε στοιχειοµετρία που περιλαµβάνει και αντίστοιχη ποσότητα Bi και Sb, δηλώνοντας την έναρξη, από τα 3<br />
κιόλας λεπτά, της αντίδρασης µεταξύ των δύο µελών και τη δηµιουργία στερεού διαλύµατος.<br />
Αντίστοιχα στο σχήµα 3α φαίνεται το αποτέλεσµα άλεσης 10 λεπτών όπου οι κόκκοι είναι αναµενόµενα<br />
µικρότεροι, οι αντίστοιχες περιοχές Γ είναι πιο έντονες. Οι περιοχές Α και Β εξακολουθούν να υπάρχουν, σε µικρότερο<br />
βαθµό, αναδεικνύοντας ότι η αντίδραση είναι ακόµα υπό εξέλιξη. Επίσης σύµφωνα µε τον πίνακα οι περιοχές Α και Β<br />
εµφανίζουν κάποια ποσότητα Sb και Bi δηλώνοντας µερική αντίδραση. Στο σχήµα 3β φαίνεται το δισκίο που έχει υποστεί<br />
10 λεπτά κραµάτωση και πυροσυσσωµάτωση. Στην επιφάνεια των δισκίων παρατηρήθηκαν µε εικόνα από δευτερογενή<br />
ηλεκτρόνια (SE) κρυσταλλίτες µε ξεκάθαρη βελονοειδή µορφολογία, σχήµα 3β αριστερά Επίσης παρατηρείται ένα πιο<br />
οµογενοποιηµένο υλικό από άποψης σύστασης (εικόνα BSE δεξιά) το οποίο µελετήθηκε µε τοπική στοιχειακή ανάλυση.<br />
(α)<br />
(β)<br />
Σχήµα 3. Εικόνες SEM: Επιφάνεια δισκίου που κατασκευάστηκε µε σκόνη που υπέστη (α) άλεση για 10<br />
λεπτά.(εικόνα BSE) (β) άλεση για 10 λεπτά. και πυροσυσσωµάτωση (SE αριστερά και BSE δεξιά)<br />
Στο πίνακα που ακολουθεί φαίνονται οι τιµές της ανάλυσης EDS για τις 2 περιοχές: τους βελονοειδείς<br />
κρυσταλλίτες και τις περιοχές που δεν εµφανίζουν βελονοειδή µορφολογία. Στη µη βελονοειδή περιοχή φαίνεται να υπάρχει<br />
πλέον Sb και Bi στην αναµενόµενη στοιχειοµετρία 4-4. Η συγκέντρωση του Κ είναι (κατά µέσο όρο) κοντά στην<br />
ονοµαστική της τιµή. Οι περιοχές των κρυσταλλιτών εµφανίζουν αφ’ ενός µεν συγκέντρωση Κ κοντά στην ονοµαστική τιµή,<br />
αφ’ ετέρου σχεδόν την αναµενόµενη 4-4 στοιχειοµετρία µεταξύ Bi και Sb, µε ελαφρά µικρότερη στοιχειοµετρία σε Sb.<br />
Στοιχείο 3 λεπτά κραµάτωση (at%) 10 λεπτά κραµάτωση (at%) Μετά την πυροσυσσωµάτωση (at%)<br />
Περιοχή<br />
Α<br />
Περιοχή<br />
Γ<br />
Περιοχή<br />
Β<br />
Περιοχή<br />
Α<br />
Περιοχή<br />
Γ<br />
Περιοχή<br />
Β<br />
Μη βελονοειδή<br />
περιοχή<br />
Βελονοειδείς<br />
κρυσταλλίτες<br />
K 8.17 8.23 7.91 8.08 8.59 9.11 8.56 8.30<br />
Se 54.05 55.62 53.26 56.20 54.08 55.40 54.69 58.34<br />
Sb 0.11 19.05 38.60 2.43 15.28 31.74 18.74 15.40<br />
Bi 37.67 17.11 0.22 33.80 22.05 3.75 18.01 17.96<br />
Συµπεράσµατα: Στην παρούσα εργασία εφαρµόστηκαν µέθοδοι κονιοµεταλουργίας για την σύνθεση του µέλους Κ 2 (Bi 1-<br />
xSb x ) 8 Se 13 , x=4 της σειράς στερεών διαλυµάτων υλικών τύπου K 2 Bi 8 Se 13 . Η σύνθεση πραγµατοποιήθηκε µε τη µέθοδο της<br />
µηχανικής κραµάτωσης K 2 Bi 8 Se 13 και Κ 2 Sb 8 Se 13 σε συνδυασµό µε πυροσυσσωµάτωση και τα αποτελέσµατα δείχνουν ότι η<br />
αντίδραση είναι εφικτή. Τα ακτινογραφήµατα έδειξαν αµορφοποίηση του υλικού κατά την άλεση σφαιρών, γεγονός που<br />
αντιµετωπίστηκε µε τη πυροσσυσωµάτωση που οδηγεί σε ανακρυστάλλωση. Η στοιχειακή ανάλυση επιβεβαιώνει τη<br />
σύνθεση των στερεών διαλυµάτων που λαµβάνει χώρα κατά την κραµατοποίηση και πυροσυσσωµάτωση. Τα αποτελέσµατα<br />
είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά για την ανεύρεση µιας ταχείας διαδικασίας σύνθεσης και κατεργασίας των δεδοµένων<br />
υποσχόµενων θερµοηλεκτρικών υλικών µε στόχο την ανάπτυξη µεθοδολογίας που στοχεύει σε εφαρµοσµένη έρευνα.<br />
Ευχαριστίες: Ευχαριστούµε το Ίδρυµα Προώθησης Έρευνας της Κύπρου για την οικονοµική στήριξη.<br />
Αναφορές<br />
[1] M.G. Kanatzidis, Semiconductors and Semimetals, 69, p. 51 (2000).<br />
[2] D. Y Chung,K-S Choi, L. Iordanidis, J.L. Schindler, P.M. Brazis, C.R. Kannewurf, B. Chen, S. Hu, C. Uher, M.G.<br />
Kanatzidis, Chem. Mater. 9, 3060 (1997).<br />
[3] Th. Kyratsi, J.S. Dyck, W. Chen, D-Y Chung, C. Uher, K.M. Paraskevopoulos and M.G. Kanatzidis, J. Appl. Phys. 92,<br />
965 (2002)<br />
[4] (α) Th. Kyratsi, E. Hatzikraniotis, Ch. Malliakas, K.M. Paraskevopoulos, J.S. Dyck, C. Uher, M.G. Kanatzidis, J. Appl.<br />
Phys. 100, 123704 (2006), (b) Th. Kyratsi, M.G. Kanatzidis, Z. Anorg. Allg. Chem., 629, 2222 (2003), (c) Th. Kyratsi, D-Y<br />
Chung, J. Ireland, C.R. Kannewurf and M.G. Kanatzidis, Chem. Mater.,15(15), 3035, 2003.<br />
[5] Randal M. German: "Powder Metallurgy Science", New Jersey, 1994<br />
[6] (a) J. Yang, T. Aizawa, A. Yamamoto, T. Ohta, Materials Chemistry and Physics 70, p 90 (2001) (b) H.C. Kim, T. S. Oh,<br />
D-B. Hyun, J. of Phys. Chem. of Solids 61, p 743 (2000)<br />
[7] (a) J. Schilz, M. Riffel, K. Pixius, H-j. Meyer, Powder Technology (105), p149, (1999) (b) R. Martin-Lopez, B. Lenoir,<br />
X. Dauscher, H. Scerrer, Materials Science & Engineering (A248), p147 (1998)<br />
237
Fabrication and Characterization of Nano-crystalline Bi 2 Te 3 by Ball Milling<br />
A. Tsiappos [1] , Th. Kyratsi [1]* and P. Trikalitis [2]<br />
[1]<br />
Dept of Mechanical & Manufacturing Engineering, University of Cyprus, 1678 Nicosia, Cyprus<br />
[2]<br />
Dept of Chemistry, University of Crete, 71409 Heraklion, Greece<br />
*e-mail address: kyratsi@ucy.ac.cy<br />
Introduction Thermoelectric materials can directly convert heat into electricity and vice versa. These materials<br />
have many attractive applications in solid-state cooling (e.g. small refrigeration) and electric power generation<br />
(e.g. space applications Voyager I-II and Cassini missions to Saturn [1].<br />
The semiconducting bismuth telluride material and its alloys are the best known bulk thermoelectric materials<br />
available today with the higher performance (ZT~1) near room temperatures. These materials are widely used in<br />
cooling operations [2]. Much research has been done in the recent years to improve the performance of these<br />
materials by structural modifications. Kanatzidis et al. prepared the alkali bismuth chalcogenides compounds<br />
CsBi 4 Te 6 [3] which is the best known bulk thermoelectric material for temperatures below the room temperature.<br />
Superlattices p-type Bi 2 Te 3 /Sb 2 Te 3 was fabricated by deposition of thin films of Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 layers indicate<br />
the biggest ZT values [4]. Moreover, theoretical investigations of the thermoelectric properties of low dimensional<br />
systems have been pursued extensively for various materials. The enhancement in thermoelectric properties is<br />
anticipated to be more pronounced as the dimensionality decreases [5]. Nanostructured morphologies including<br />
nanorods, nanotubes, polygonal nanosheets, and polyhedral nanoparticles of Bi 2 Te 3 based alloys have recently<br />
been prepared by solvothermal or hydrothermal synthesis [6].<br />
Ball milling is another approach for producing nanostructured and nano-composite thermoelectric materials [7].<br />
Bulk materials are deformed plastically by means of repeated mechanical impacts. The shape and size of these<br />
materials gradually change and a degree of disorder is being formed in their lattice. In this study nano-crystalline<br />
Bi 2 Te 3 powders were fabricated via high energy ball milling of Bi 2 Te 3 bulk. Powder X-ray diffraction patent<br />
analysis and SEM were used to investigate the morphological and microstructural changes during the ball milling<br />
operation.<br />
Experimental Bi 2 Te 3 starting material was synthesized from melt by stoichiometric reaction of elements at<br />
temperatures higher than 800 o C. Subsequently, powdered samples were prepared via high energy planetary ball<br />
mill with grinding speed of 400rpm. Bulk material was placed in a tungsten carbide jar partially filled with balls<br />
and the powder to ball weight ratio was held constant at 1:20 throughout the experiments. The powder was ball<br />
milled using 5mm grinding balls for 120h and followed by grinding process using 0.6mm grinding balls. The jar<br />
with the balls was sealed under high purity nitrogen atmosphere so that no contaminants from the air would affect<br />
the milling powder. Due to high grinding speed and raising temperatures, the system was allowed to cool for<br />
10min after 1h ball milling operation. Samples were collected every 20h ball milling.<br />
Results and Discussion Figure 1 shows the X-ray powder diffraction patterns of the starting material and of the<br />
ball milled samples at various times (80h, 140h and 160h). The X-ray powder diffraction patterns clearly reveal<br />
that the peak intensity decreased with increasing the milling time. Moreover, peak broadening occurs and the<br />
degree of overlapping of neighbouring reflections increases. The peak broadening of the milled powder increased<br />
mainly due to the combined effect of the crystallite size reduction and of the lattice strain within the crystallites<br />
that is introduced during the ball milling procedure [8]. In this work, we considered only (015) reflection<br />
(2θ=27.61 o ) because other reflections are much less significant as well as overlapping appears at higher milling<br />
time. The instrumental broadening was corrected using silicon reference sample. In order to determine the<br />
crystallite size and the strain two distributions were used; the Cauchy (Lorentzian) and the Gausian distributions.<br />
The crystallite sizes were calculated [7] from the Lorentzian equation (1) where FWHM (Lorentzian) =FWHM (Total) -<br />
FWHM (instr.) and the strain by the Gausian equation (2) where FWHM 2 (Gausian)=FWHM 2 (Total)-FWHM 2 (instr.).<br />
FWHM (Gausian)<br />
λ<br />
t<br />
hkl<br />
= (1)<br />
e = (2)<br />
FWHM<br />
(Lorentzian)<br />
cosθ<br />
4tanθ<br />
The crystallite size and the strain calculations that resulted from the (015) reflection are shown in figure 2 as a<br />
function of the milling time. The crystallite size reduces from ~30 to ~25nm during the first 60h milling and then<br />
attains a saturation value up to 120h milling. On the other hand, reduction of the crystallite size to ~15nm was<br />
achieved using grinding balls (0.6mm). In contrary, the lattice strain was increased reaching a certain value up to<br />
120h milling time. Using smaller balls, the strain increases further and it finally reaches the value of ~7x10 -3 .<br />
238
100<br />
90<br />
8<br />
7<br />
Intensity (arb.unit)<br />
0h<br />
80h<br />
140<br />
160<br />
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60<br />
2Θ( o )<br />
Crystallite size (nm)<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
5mm balls<br />
0.6mm balls<br />
0<br />
20 40 60 80 100 120 140 160 180<br />
Milling time (h)<br />
Figure 1: X-ray powder diffraction patterns of un-milled Figure 2: The variation of the apparent crystallite size<br />
and ball milled samples (80h,140h and 160h) and strain size of [015] reflection with milling time<br />
Typical SEM images presented in figure 3(a) and 3(b) show the morphology and the particle size of the ball<br />
milled powders for 80 and 140h respectively. The particles do not present the typical plate-like Bi 2 Te 3<br />
morphology. The average particle size was reduced when smaller grinding balls were used. Based on X-ray<br />
analysis results, these particles consist of finer crystallites with average size of 25 and 15nm respectively. TEM<br />
images are in progress to further study the crystallites.<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
e x10 3<br />
(a)<br />
(b)<br />
Figure 3: SEM images of ball milled powders at (a)80h and (b)140h<br />
Conclusions Nano-crystalline particles were fabricated by high energy ball milling of Bi 2 Te 3 bulk. The crystallite<br />
size and lattice strain were investigated via powder X-ray diffraction analysis. The size decreases while the strain<br />
increases with milling time. Further reduction of the crystallite size and enlargement of strain values occurs when<br />
smaller grinding balls were used. SEM images point out the morphology of Bi 2 Te 3 particles.<br />
Acknowledgments Financial support from INTERREG IIIA Greece-Cyprus is gratefully acknowledged.<br />
References<br />
[1](i)David M Rowe CRC Handbook of Thermoelectrics, ed. D.W.Rowe (CRC press Boca Raton FL 1995, (ii)<br />
Terry M Tritt Science , 1996, Vol.272, pp.1276-1277, (iii) Terry M Tritt Science , 1999,Vol.283, pp.804-805<br />
[2](i) L.R.Testardi, J.N.Bierly, Jr and F.J.Donahoe Phys. Chem. Solids Pergamon Press 1962. Vol. 23, pp. 1209-<br />
1217,(ii) Hyung-Wook Jeon, Heon-Phil Ha, Dow-Bin Hyun and Jae-Dong J. Phys. Chem.Solids,<br />
1991,Vol.52, No.4, pp.579-585<br />
[3]Duck-Young Chung, Tim Hogan, Paul Brazis, Melissa Rocci-Lane, Carl Kannewurf, Marina Bastea, Ctirad<br />
Uher, Mercouri G. Kanatzidis Science, 2000, Vol. 287, No.5455, pp. 1024 – 1027<br />
[4]Rama Venkatasubramanian, Edward Siivola, Thomas Colpitts, Brooks O'Quinn, Nature, 2001, Vol.413,<br />
pp.597-602<br />
[5](i) LD Hicks,M.S.Dresselhaus, Physical review B, 1993, 47, pp.12727, (ii) Yu.Ming Lin, M.S.Dresselhaus,<br />
Physical review B, 2003, 68, pp.75304, (iii) M.S. Dresselhaus, Y-M Lin, T. Koga, S.B.Cronin O.Rabin<br />
M.R.Black and G Dresselhaus Semiconductors and Semimetals, 2001, 71, pp.1<br />
[6](i)X. B. Zhao,X. H. Ji, Y. H. Zhang, T. J. Zhu, J. P. Tu, and X. B. Zhang Appl. Phys. Lett., 2005, 86,<br />
pp062111(ii)X.B. Zhao, X.H. Ji, Y.H. Zhang,G.S.Cao, J.P. Tu, Appl. Phys. A , 2005,80, pp1567–1571, (iii)X.B.<br />
Zhao, X.H. Ji, Y.H. Zhang, B.H. Lu, Journal of Alloys and Compounds , 2004, 368, pp349–352<br />
[7](i)H.W.Lee, D.Y. Lee, I. J. Kim, B. C. Woo, 21st International Conference on Thermoelectronics ,2002 (ii)<br />
Jing-Feng Liand Jing Liu phys. stat. sol. (a)203 , 2006, No. 15, pp3768–3773<br />
[8](i)D.CGillies, D.Lewis, Journal of the less common metals, 1996 pp179, (ii) S. Vives, E. Gaffet, C.Meunier,<br />
Material Science and Engineering A336, 2004, pp 229-238<br />
239
∆ιερεύνηση δυνατότητας χρήσης θερµοηλεκτρικής διάταξης για ανάκτηση<br />
απορριπτόµενης θερµότητας από τον βενζινοκινητήρα αυτοκινήτου.<br />
Ε. Χατζηκρανιώτης * , Κ. Ζορµπάς και Κ. Μ. Παρασκευόπουλος<br />
Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, 54124<br />
*evris@physics.auth.gr<br />
Εισαγωγή. Τα θερµοηλεκτρικά στοιχεία (TEG) µετατρέπουν την θερµική ενέργεια σε ηλεκτρική, αξιοποιώντας το<br />
φαινόµενο Seebeck. Η εφαρµογή µιας θερµοκρασιακής διαφοράς στις δύο πλευρές του θερµοστοιχείου, προκαλεί τη ροή<br />
θερµότητας από την θερµή προς την ψυχρή πλευρά, ενώ ταυτόχρονα ένα µέρος της µετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.<br />
Περισσότερα του ενός θερµοηλεκτρικά στοιχεία µπορούν να συνδεθούν ηλεκτρικά σε σειρά ή/και παράλληλα σχηµατίζοντας<br />
µια θερµοηλεκτρική διάταξη. Η δυνατότητα χρήσης µιας θερµοηλεκτρικής διάταξης, για ανάκτηση της απορριπτόµενης<br />
θερµότητας από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης των οχηµάτων, µπορεί να βοηθήσει σηµαντικά στην παγκόσµια<br />
προσπάθεια που γίνεται τελευταία για εξοικονόµηση ενέργειας και µείωση των αερίων θερµοκηπίου. Η απορριπτόµενη<br />
θερµότητα από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης είναι πολύ µεγάλο ποσοστό της συνολικής προσφερόµενης θερµότητας<br />
από το καύσιµο. Στους βενζινοκινητήρες, κατά µέσο όρο ένα ποσοστό 75% της συνολικής θερµότητας του καυσίµου<br />
απορρίπτεται στο περιβάλλον, αναλυτικότερα 40% περίπου από τα καυσαέρια, 30% από το υγρό ψύξης του κινητήρα και<br />
5% ως θερµικές απώλειες από το σώµα του κινητήρα [1]. Η ανάκτηση του 6% περίπου της ενέργειας των καυσαερίων,<br />
σηµαίνει εξοικονόµηση καυσίµου έως 10% [2]. Οι θερµοκρασίες που αναπτύσσονται στα συστήµατα αποβολής θερµότητας<br />
είναι από υψηλές (περί τους 900 0 C στην πολλαπλή εξαγωγή) έως µέσες (περί τους 100 0 C στο υγρό ψύξης του κινητήρα),<br />
γεγονός που ευνοεί την απόδοση των θερµοηλεκτρικών στοιχείων.<br />
Οι επικρατούσες σύγχρονες τάσεις στη σχεδίαση των αυτοκινήτων, οδηγούν στην συνεχή αύξηση των ηλεκτροκίνητων<br />
εξαρτηµάτων, ενώ ταυτόχρονα µειώνεται ο διαθέσιµος χώρος κινητήρα για βελτίωση της αεροδυναµικής και αύξηση του<br />
χώρου της καµπίνας. Η χρήση της θερµοηλεκτρικής διάταξης, θα έχει αποτέλεσµα τη µείωση της ισχύος που απορροφά ο<br />
εναλλακτήρας από τον κινητήρα και ταυτόχρονα τη µείωση του µεγέθους του. Ανάµεσα στις πηγές απορριπτόµενης<br />
ενέργειας, που υπάρχουν στον βενζινοκινητήρα, περισσότερο πιθανή φαίνεται η αρχική εφαρµογή της θερµοηλεκτρικής<br />
διάταξης στον αγωγό της εξάτµισης του αυτοκινήτου. Ο βασικός λόγος γι αυτό, είναι οι υψηλές θερµοκρασίες που<br />
επικρατούν εκεί και το µεγάλο ποσοστό θερµικής ισχύος που διέρχεται.<br />
Στην εργασία αυτή γίνεται προσπάθεια να διερευνηθεί πόση ισχύ µπορεί να ανακτηθεί από την εξάτµιση ενός µεσαίου<br />
µεγέθους αυτοκινήτου µε τη χρήση συµβατικών θερµοηλεκτρικών στοιχείων και κατά πόσο θα µπορούσε να είναι<br />
οικονοµικά συµφέρουσα µια τέτοια λύση. Ωστόσο, η µεθοδολογία υπολογισµών µπορεί να εφαρµοστεί και για<br />
θερµοηλεκτρικά στοιχεία µε µεγαλύτερο “ενδείκτη αξίας” ZT και αντίστοιχα µεγαλύτερες αποδόσεις. Αναπτύχθηκε µια<br />
µέθοδος µέτρησης και ένα θεωρητικό µοντέλο υπολογισµών, που επιτρέπει τον χαρακτηρισµό της ισχύος και του βαθµού<br />
απόδοσης των θερµοηλεκτρικών στοιχείων που υπόκεινται σε διαφορετικά ηλεκτρικά φορτία και θερµοκρασιακές διαφορές.<br />
Με χρήση του υπολογιστικού µοντέλου, υπολογίζεται η αναµενόµενη απόδοση των θερµοηλεκτρικών στοιχείων σε διάφορες<br />
θέσεις της εξάτµισης, διερευνώνται οι δυνατές θέσεις τοποθέτησης της διάταξης, εξετάζονται οι επιπτώσεις στην<br />
κατανάλωση καυσίµου και συζητούνται οι τρόποι και αρχές υλοποίησης µιας τέτοιας διάταξης.<br />
Υπολογισµός της αποδιδόµενης ισχύος σε διαφορετικές θέσεις της εξάτµισης µε τη χρήση του TEG HT-9-3-25.<br />
Για τους υπολογισµούς, χρησιµοποιήθηκαν στοιχεία από ένα αυτοκίνητο µέσης κατηγορίας, µε κινητήρα ισχύος 96 ΚW και<br />
κυβισµού 1995 cc. [3], [4]. Με την παραδοχή ότι ο εναλλάκτης θερµότητας ανάµεσα στα καυσαέρια και το TEG θα είναι<br />
σχεδιασµένος ώστε να επιτυγχάνει θερµοκρασίες Τ1 της θερµής πλευράς του TEG ίσες µε τις θερµοκρασίες που<br />
αναπτύσσουν τα στοιχεία της εξάτµισης, όπως παρουσιάζονται στο σχήµα 1, υπολογίστηκαν η µέγιστη ισχύς και αποδόσεις<br />
(σχήµα 2) στις διαφορετικές θέσεις του σωλήνα της εξάτµισης µετά τον καταλύτη, ενός εµπορικά διαθέσιµου TEG της<br />
εταιρείας Melcor. Στο υπολογιστικό µοντέλο που χρησιµοποιήθηκε, λαµβάνονται υπ’ όψη οι θερµικές αντιστάσεις µεταξύ<br />
των επιφανειών εναλλαγής και των στοιχείων του TEG [5]. Οι υπολογισµοί έγιναν για µερικό φορτίο του κινητήρα, επειδή<br />
αυτή είναι η συνηθέστερη κατάσταση κατά την τυπική συνολική διάρκεια λειτουργίας ενός βενζινοκινητήρα αυτοκινήτου.<br />
1000<br />
8%<br />
Μερικό φορτίο<br />
T2=0 C<br />
900<br />
7%<br />
T2=30 C<br />
T2=60 C<br />
800<br />
700<br />
6%<br />
T2=90 C<br />
T2=120 C<br />
T (C)<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
Κεντρικός<br />
πίσω<br />
100<br />
Καταλύτης σιγαστήρας<br />
σιγαστήρας<br />
0<br />
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0<br />
← κινητήρας<br />
Μήκος εξάτµισης L (m) πίσω →<br />
Σχήµα 1: Κατανοµή θερµοκρασιών κατά µήκος του σωλήνα<br />
εξάτµισης, µε αρχή το σηµείο τέλους της πολλαπλής εξαγωγής<br />
(BMW 318i).<br />
nTEG max<br />
5%<br />
4%<br />
3%<br />
2%<br />
1%<br />
κεντρικός<br />
σιγαστήρας<br />
0%<br />
1,5 2 2,5 3 3,5 4<br />
← κινητήρας<br />
πίσω<br />
σιγαστήρας<br />
Μήκος εξάτµισης L (m) πίσω→<br />
Σχήµα 2: Μέγιστη απόδοση του TEG ΗΤ9-3-25 κατά µήκος<br />
του σωλήνα εξάτµισης µετά τον καταλύτη, για διαφορετικές<br />
θερµοκρασίες ψυχρής πλευράς Τ2.<br />
240<br />
1
Οι αποδόσεις υπολογίστηκαν για θερµοκρασίες της ψυχρής πλευράς Τ2 από 0 έως 120 0 C, ώστε να καλυφθούν διαφορετικές<br />
υλοποιήσεις του συστήµατος ψύξης (µε αέρα ή νερό ψύξης του κινητήρα).<br />
Ο υπολογισµός της δυνητικά διαθέσιµης θερµικής ισχύος των καυσαερίων καθ’ όλο το µήκος της εξάτµισης δείχνει, ότι σε<br />
κάθε συνδυασµό φορτίου και θερµοκρασία ψυχρής δεξαµενής, ξεπερνά την πιθανή µέγιστη απαιτούµενη ισχύ από τον<br />
εναλλακτήρα του αυτοκινήτου, η οποία µπορεί να κυµαίνεται γύρω στα 1000 W σε σύγχρονα αυτοκίνητα µε πολλά<br />
ηλεκτρικά εξαρτήµατα [6].<br />
∆ιαιρώντας την δυνητικά διαθέσιµη θερµική ισχύ Q σε κάθε σηµείο της εξάτµισης δια της απαγόµενης από το TEG<br />
θερµικής ισχύος Q H στη θέση αυτή, µπορεί να υπολογιστεί ο µέγιστος αριθµός TEG, που θα µπορούσε να τοποθετηθεί για<br />
απορρόφηση όλης της θερµικής ισχύος των καυσαερίων. Στην περίπτωση αυτή, η µέγιστη αποδιδόµενη ισχύς από την<br />
συστοιχία του µέγιστου αριθµού TEG σε κάθε θέση της διαδροµής των καυσαερίων και η αντίστοιχη απαιτούµενη ελάχιστη<br />
επιφάνεια εναλλαγής (που είναι το άθροισµα των επιφανειών όλων των TEG) παρουσιάζονται στο σχήµα 3.<br />
maxPTEGtot (W)<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
←<br />
← κινητήρας<br />
Μερικό φορτίο<br />
Μήκος εξάτµισης L (m) πίσω→<br />
T2 = 0 C<br />
T2 = 60 C<br />
T2 = 120 C<br />
←<br />
0,07<br />
200<br />
←<br />
100<br />
0,06<br />
κεντρικός<br />
πίσω<br />
σιγαστήρας<br />
σιγαστήρας<br />
0<br />
0,05<br />
1,5 2 2,5 3 3,5 4<br />
Σχήµα 3: Μέγιστη απόδοση συστοιχίας TEG από Bi 2 Te 3<br />
κατά µήκος του σωλήνα της εξάτµισης µετά τον καταλύτη,<br />
για διαφορετικές θερµοκρασίες ψυχρής πλευράς.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0,11<br />
0,1<br />
0,09<br />
0,08<br />
STEG (m 2 )<br />
Κέρδος κατανάλωσης καυσίµου<br />
6%<br />
5%<br />
4%<br />
3%<br />
2%<br />
1%<br />
Μερικό φορτίο<br />
0%<br />
0 100 200 300 400 500 600<br />
Ptot TEG (W)<br />
0 kg<br />
50 kg<br />
100 kg<br />
Σχήµα 4: Επίδραση της ισχύος µιας θερµοηλεκτρικής διάταξης<br />
στο συνολικό ποσοστό κέρδους της κατανάλωσης καυσίµου, για<br />
διαφορετικά βάρη της διάταξης<br />
Συνδυάζοντας τα στοιχεία της µείωσης της κατανάλωσης καυσίµου από τη χρήση της θερµοηλεκτρικής διάταξης και της<br />
επίδρασης του βάρους της, µπορεί να υπολογιστεί η επίπτωση στην οικονοµία καυσίµου θερµοηλεκτρικών διατάξεων<br />
διαφορετικού συνολικού βάρους και αποδιδόµενης ισχύος (σχήµα 4).<br />
Για µέση κατανάλωση 7,9 lt/100 km (combined ECE) και 10.000 km/έτος, µπορεί να υπολογιστεί το συνολικό ποσό που<br />
θα µπορούσε να εξοικονοµηθεί µε τη χρήση θερµοηλεκτρικής διάταξης για 5% µείωση της κατανάλωσης καυσίµου<br />
(σηµερινό επίπεδο τεχνολογίας) και 20% (µελλοντικά) µε τη χρήση νέων θερµοηλεκτρικών υλικών. Με εκτιµώµενο κόστος<br />
της θερµοηλεκτρικής διάταξης 500 € και σηµερινές τιµές βενζίνης (1€/lt), για τις µελλοντικές αποδοτικές διατάξεις, η<br />
απόσβεση θα µπορούσε να γίνει σε 3 ή 2 έτη.<br />
Συµπεράσµατα. Η χρήση των θερµοηλεκτρικών υλικών για βελτίωση του βαθµού απόδοσης των κινητήρων εσωτερικής<br />
καύσης των αυτοκινήτων, µπορεί να βοηθήσει σηµαντικά στην παγκόσµια ανάγκη εξοικονόµησης ενέργειας και µείωσης<br />
των ρύπων. Η διατιθέµενη ισχύς και οι θερµοκρασίες που επικρατούν στον σωλήνα της εξάτµισης ενός µεσαίου µεγέθους<br />
αυτοκινήτου, είναι ικανοποιητικές για την αρκετά αποδοτική εφαρµογή µιας θερµοηλεκτρικής διάταξης. Η πλέον<br />
ενδεδειγµένη θέση φαίνεται να είναι ακριβώς µετά τον καταλύτη, όπου επικρατούν µεγάλες θερµοκρασίες. Ο βαθµός<br />
απόδοσης και η αποδιδόµενη ισχύς της διάταξης, εξαρτώνται από την κατάσταση λειτουργίας του κινητήρα και από την<br />
αποτελεσµατική σχεδίαση του εναλλάκτη θερµότητας. Από τα αποτελέσµατα, φαίνεται ότι είναι υλοποιήσιµη µια<br />
θερµοηλεκτρική διάταξη ακόµη και µε συµβατικά θερµοηλεκτρικά στοιχεία, που θα αποδίδει ισχύ περί τα 500 W, µε<br />
αντίστοιχη εξοικονόµηση καυσίµου γύρω στο 5%. Η περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης των θερµοηλεκτρικών υλικών,<br />
ειδικά στις υψηλές θερµοκρασίες, αναµένεται να δώσει επαναστατική ώθηση στην εφαρµογή τους στο χώρο του<br />
αυτοκινήτου.<br />
Ευχαριστίες. Η εργασία αυτή αναπτύχθηκε µε µερική χρηµατοδότηση από την ΓΓΕΤ, στα πλαίσια του έργου διακρατικής<br />
συνεργασίας (Non-european countries, Ελλάδα-USA) µε τίτλο "Application of Advanced Materials Thermoelectric<br />
Technology in the Recovery of Wasted Heat from automobile exhaust systems"<br />
Αναφορές<br />
[1] Francis Stabler, “Automotive applications for high efficiency thermoelectrics,” High efficiency thermoelectric workshop,<br />
San Diego, California, March 24-27, 2002.<br />
[2] Jorge Vázquez et al., State of the Art of Thermoelectric Generators Based on Heat Recovered from the Exhaust Gases of<br />
Automobiles, Proceedings of the 7th European Workshop on Thermoelectrics, Pamplona, Spain (2002) 17.<br />
[3] J. LaGrandeur et al, Vehicle Fuel Economy Improvement through Thermoelectric Waste Heat Recovery, 2005 Diesel<br />
Engine Emissions Reduction (DEER) Conference Presentations, Chicago, Illinois, August 21-25, 2005<br />
[4] BMW specifications, “3series sedan datasheet”,www.bmw.com<br />
[5] K. Zorbas, E. Hatzikraniotis and K.M. Paraskevopoulos, Study of Power efficiency in Thermoelectric Power Generators,<br />
ΧΧII Πανελλήνιο Συνέδριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης & Επιστήµης Υλικών, Πάτρα, 24-27 Σεπτεµβρίου 2006<br />
[6] Francis R. Stabler, Commercialization of Thermoelectric Technology, MRS Symp. Proc. Vol. 886, F01-04.1, 2006<br />
241<br />
2
Συγκριτική αξιολόγηση κλασσικών και καινοτόµων αµινοπλαστικών συγκολλητικών<br />
ουσιών για την παρασκευή µοριοσανίδων.<br />
Χορτοκονίδου Κ 1 , Ζορµπά T 1 , Παπαδοπούλου Η 2 , Χατζηισαάκ Α 2 , Παρασκευόπουλος Κ.Μ 1 , και Χρυσάφης Κ 1*<br />
1 Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης<br />
2 Chimar Hellas S.A., Θ. Σοφούλη 88, 55131 Καλαµαριά, Θεσσαλονίκη<br />
*e-mail: hrisafis@physics.auth.gr<br />
Εισαγωγή. Οι ρητίνες ουρίας-φορµαλδεύδης (UF) προτιµούνται από την βιοµηχανία του κλάδου του ξύλου γιατί<br />
έχουν µεγάλη δραστικότητα και χαµηλό κόστος. Το µεγάλο τους όµως µειονέκτηµα είναι η µικρή αντοχή τους σε<br />
περιβάλλον υγρασίας και η αποικοδόµηση των αιθερικών δεσµών µε αποτέλεσµα τη συνεχή έκλυση φορµαλδεΰδης σχεδόν<br />
καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής του προϊόντος ξύλου το οποίο έχει προκύψει µε χρήση τέτοιας ρητίνης. ∆ιάφορες µέθοδοι<br />
χαρακτηρισµού της θερµικής συµπεριφοράς τους έχουν χρησιµοποιηθεί, όπως ∆ιαφορική Καλοριµετρία Σάρωσης [1-3] και<br />
Θερµοβαρυµετρία [4,5] µε στόχο να προσδιορισθούν εκείνοι οι παράγοντες στη διαδικασία σύνθεσης όπως, το pH, η<br />
αναλογία ουρίας προς φορµαλδεΰδη, και η ακολουθία των σταδίων παρασκευής που µπορούν να ελαχιστοποιήσουν τα<br />
µειονεκτήµατα τους. Στην εργασία αυτή έγινε συγκριτική µελέτη αµινοπλαστικών ρητινών ουρίας-φορµαλδεΰδης (UF)<br />
χαµηλού µοριακού λόγου F:U, που παρασκευάστηκαν από την εταιρεία CHIMAR Hellas, µε φασµατοσκοπία Υπερύθρου<br />
(FTIR) και θερµοβαρυµετρία TG-DTA.<br />
Πειραµατικό µέρος. Οι ρητίνες UF είναι θερµοσκληρυνόµενα πολυµερή που προκύπτουν από τη συµπύκνωση<br />
ουρίας (U) και φορµαλδεΰδης (F). Η CHIMAR Hellas παρασκεύασε τέτοιες ρητίνες µε δύο διαφορετικούς τρόπους<br />
σύνθεσης, ενώ ο τελικός µοριακός λόγος (F:U) των ρητινών και στις δύο περιπτώσεις ήταν 1.07. Ο πρώτος τρόπος σύνθεσης<br />
αφορά στην κλασσική µεθοδολογία (αλκαλικό περιβάλλον µεθυλολίωσης και ελαφρά όξινο στάδιο συµπύκνωσης σε πολύ<br />
υψηλή θερµοκρασία), ενώ η καινοτόµος τεχνολογία σύνθεσης αφορά στην αντίδραση των πρώτων υλών σε πολύ όξινο<br />
περιβάλλον και αρκετά χαµηλότερη θερµοκρασία και στα δύο στάδια παρασκευής. Μετρήσεις για τον χαρακτηρισµό των<br />
δοµικών οµάδων των ρητινών έγιναν µε φασµατοσκοπία Υπερύθρου (FTIR) στην φασµατική περιοχή 4000-400 cm -1 , µε<br />
διακριτική ικανότητα 2cm -1 και 32scans (IFS113v, BRUKER), ενώ o θερµικός τους χαρακτηρισµός έγινε µε<br />
θερµοβαρυµετρία, µε όργανο της εταιρίας SETARAM (Set-Sys TG-DTA).<br />
Αποτελέσµατα – Συζήτηση. Οι φυσικοχηµικές ιδιότητες των ρητινών αναφέρονται στον πίνακα 1. Με τις ρητίνες<br />
αυτές παρασκευάστηκαν µοριοσανίδες των οποίων η αξιολόγηση παρουσιάζεται στον πίνακα 2.<br />
Πίνακας 1: Φυσικοχηµικές ιδιότητες ρητινών<br />
Κλασσική UF Καινοτόµα UF<br />
pH, στους 25 ο C, [ ] 8,0 8,3<br />
Ιξώδες στους 25 ο C µε ιξωδόµετρο Brookfield, cP 320 365<br />
Χρόνος σκλήρυνσης της ρητίνης (gel time), s 50 49<br />
Αντοχή της ρητίνης σε νερό στους 25 ο C,<br />
ml ρητίνης / ml νερού<br />
1 / 2.5 1 / 4.3<br />
Επιφανειακή τάση, mN/m 71 72<br />
Ελεύθερη φορµαλδεύδη, % 0.060 0.070<br />
Ρυθµιστική ικανότητα, ml 0,1Ν H 2 SO 4 11.0 8.0<br />
Πίνακας 2: Αξιολόγηση µοριοσανίδων<br />
Κλασσική UF Καινοτόµα UF<br />
Αντοχή σε εγκάρσιο εφελκυσµό (IB), N/mm 2<br />
(Σύµφωνα µε το πρότυπο ΕΝ319)<br />
0.37 0.56<br />
Αντοχή σε κάµψη (MOR), N/mm 2<br />
(Σύµφωνα µε το πρότυπο ΕΝ310)<br />
18.3 18.59<br />
∆ιόγκωση πάχους µετά τη βύθιση σε νερό για 24h, %<br />
(Σύµφωνα µε το πρότυπο ΕΝ317)<br />
31.6 19.7<br />
Περιεκτικότητα σε φορµαλδεΰδη σε 6,5% υγρασία, mg/100g ξύλου<br />
(Σύµφωνα µε το πρότυπο ΕΝ120-Perforator method)<br />
7.83 7.6<br />
Στο σχήµα 1 παρουσιάζονται τα φάσµατα απορρόφησης της κλασσικής UF τόσο για το προπολυµερές όσο και τη<br />
σκληρυµένη ρητίνη. Η χαρακτηριστικότερη διαφοροποίηση που προκύπτει παρατηρείται στην περιοχή 3700-3000 cm -1 ,<br />
όπου η ευρεία µπάντα που αναδεικνύεται στο προπολυµερές στα ~3440 cm -1 , µετατοπίζεται στα 3350 cm -1 στη σκληρυµένη<br />
ρητίνη. Η ευρεία αυτή µπάντα είναι τυπική της δόνησης –ΟΗ, και µπορεί να αποδοθεί στο νερό, σε µεθυλολ- τελικές οµάδες<br />
και σε πλεόνασµα φορµαλδεΰδης, τα οποία δηµιουργούν δεσµούς υδρογόνου µε οµάδες –CH 2 OH, -NH 2 και >NH.<br />
∆υστυχώς, η σύσταση των συγκεκριµένων προϊόντων περιέχει µεγάλη ποσότητα νερού το οποίο δεν επιτρέπει την ποιοτική<br />
και ποσοτική διαφοροποίηση της µοριακής σύστασης των ρητινών.<br />
Στο σχήµα 2 παρουσιάζεται η εξάρτηση της µάζας (%) και της ροής θερµότητας από τη θερµοκρασία σε κλασσική<br />
UF τόσο για το προπολυµερές όσο και τη σκληρυµένη ρητίνη. Η διαδικασία στερεοποίησης της ρητίνης εκτείνεται σε µια<br />
ευρεία θερµοκρασιακά περιοχή και οι εξώθερµες κορυφές καλύπτονται πλήρως από την εξάτµιση του νερού. Η µεγάλη<br />
ενδόθερµη κορυφή της εξάτµισης του νερού προέρχεται από την αρχική ποσότητα νερού που υπήρχε στην ρητίνη και από το<br />
242
νερό που προέκυψε κατά την αντίδραση της πολυσυµπύκνωσης. Στην θερµοκρασιακή περιοχή, µετά την ολοκλήρωση της<br />
εξάτµισης του νερού και µέχρι τους 210°C δεν παρατηρείται κανένα φανερό θερµικό γεγονός, ενώ η µικρή απώλεια µάζας<br />
στη περιοχή αυτή συνδέεται µε την αργή εκποµπή της ελεύθερης φορµαλδεΰδης. Η ενδόθερµη κορυφή της αποικοδόµησης<br />
της ρητίνης, η οποία έχει ελάχιστο στη περιοχή 232-237°C αποδίδεται από πολλούς συγγραφείς στην αποικοδόµηση των<br />
µεθυλεν-αιθερικών δεσµών. Στα σχήµατα 3 και 4 παρουσιάζονται συγκριτικά τα αποτελέσµατα για την κλασσική και την<br />
καινοτόµα ρητίνη τόσο για το προπολυµερές όσο και τη σκληρυµένη ρητίνη.<br />
100<br />
80<br />
Απορρόφηση<br />
1<br />
mass (%)<br />
60<br />
40<br />
1 1<br />
2<br />
heat flow (a.u.)<br />
2<br />
20<br />
2<br />
500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000<br />
Κυµατάριθµος (cm -1 )<br />
Σχήµα 1. Φάσµατα απορρόφησης από κλασσική UF 1:<br />
προπολυµερές, 2: σκληρυµένη ρητίνη.<br />
0 100 200 300 400<br />
T ( o C)<br />
Σχήµα 2. Εξάρτηση της µάζας (%) και της ροής<br />
θερµότητας από τη θερµοκρασία από κλασσική UF 1:<br />
προπολυµερές, 2: σκληρυµένη ρητίνη.<br />
100<br />
100<br />
80<br />
80<br />
2<br />
1<br />
mass (%)<br />
60<br />
40<br />
1<br />
1<br />
2<br />
heat flow (a.u.)<br />
mass (%)<br />
60<br />
40<br />
heat flow (a.u.)<br />
20<br />
2<br />
20<br />
2<br />
1<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500<br />
T ( o C)<br />
Σχήµα 3. Εξάρτηση της µάζας (%) και της ροής<br />
θερµότητας από τη θερµοκρασία για προπολυµερή ρητίνη<br />
1: κλασσική UF, 2: καινοτόµα UF<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500<br />
T ( o C)<br />
Σχήµα 4. Εξάρτηση της µάζας (%)και της ροής θερµότητας<br />
από τη θερµοκρασία για σκληρυµένη ρητίνη 1: κλασσική<br />
UF, 2: καινοτόµα UF<br />
Συµπεράσµατα. Η τροποποιηµένη µέθοδος παρασκευής έχει οδηγήσει σε ρητίνες που δίνουν µοριοσανίδες<br />
ανώτερης ποιότητας και χαµηλότερης έκλυσης φορµαλδεύδης. Τα δύο είδη ρητινών εµφανίζουν διαφοροποίηση στις<br />
φυσικοχηµικές τους ιδιότητες ενώ η αναλυτική αξιολόγησή τους τόσο φασµατοσκοπικά όσο και θερµοβαρυµετρικά δεν<br />
εµφανίζει διαφορές που να κάνουν προφανή την ανώτερη συγκολλητική ικανότητα της καινοτόµου ρητίνης. Αυτό συµβαίνει<br />
γιατί οι τροποποιηµένες συνθήκες παραγωγής οδήγησαν στην δηµιουργία διαφορετικού πλέγµατος στην πολυµερισµένη<br />
ρητίνη, ενώ άφησαν ανεπηρέαστες ποιοτικά τις τελικές χηµικές οµάδες του προϊόντος. Η νέα αυτή ρητίνη µπορεί να<br />
χρησιµοποιηθεί στην βιοµηχανική παραγωγή µοριοσανίδων χωρίς να απαιτείται αλλαγή των κλασσικών παραµέτρων<br />
παραγωγής.<br />
Αναφορές<br />
[1] Ebewele R.O., J. Appl. Polym. Sci. 58 (1995) 1689.<br />
[2] Byung-Dae Park, Eun-Chang Kang, Jong Young Park, J. Appl. Polym. Sci. 100 (2006) 422.<br />
[3] Cheng Xing, James Deng, Zhang S.Y., Riedl B., Cloutier A., , J. Appl. Polym. Sci. 98 (2005) 2027<br />
[4] Siimer K., Kaljuvee T., Christjanson P., J. Them. Anal. Cal., 72 (2003) 607<br />
[5] Camino G., Operti L., Trossarelli L., Polym. Degrad. Stab., 5 (1983) 161<br />
Ευχαριστίες: Η εργασία αυτή αναπτύχθηκε µε µερική χρηµατοδότηση από τη ΓΓΕΤ στα πλαίσια του έργου 05 ΠΑΒ 201.<br />
243
6 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Μη Συμβατικά Νανοδομημένα και Άμορφα Υλικά»
Αριστερόστροφα υλικά σε μικροκυματικές συχνότητες και υπέρυθρο<br />
Μ. Καφεσάκη, 1,2,* Th. Koschny, 1,5 Ν. Κατσαράκης, 1,4 Ι. Τσιάπα, 1 Ε. Ν. Οικονόμου, 1,3 Κ. Μ. Σούκουλης 1,2<br />
1 Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας, Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ, Ηράκλειο Κρήτης<br />
2<br />
Πανεπιστήμιο Κρήτης, Τμ. Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών, Ηράκλειο Κρήτης<br />
3<br />
Πανεπιστήμιο Κρήτης, Τμ. Φυσικής, Ηράκλειο Κρήτης<br />
4<br />
Ανώτατο Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης, Γενικό Τμήμα, Ηράκλειο Κρήτης<br />
5<br />
Ames Laboratory, and Dept. of Physics and Astronomy, Iowa State University, Ames, Iowa.<br />
*kafesaki@iesl.forth.gr<br />
Τα αριστερόστροφα υλικά ή υλικά αρνητικού δείκτη διάθλασης, τα οποία είναι σύνθετα τεχνητά υλικά με αρνητική<br />
ηλεκτρική επιδεκτικότητα, μαγνητική διαπερατότητα και δείκτη διάθλασης σε μια κοινή περιοχή συχνοτήτων, έχουν γίνει<br />
αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας τα τελευταία επτά χρόνια. Αυτό οφείλεται κυρίως στις πολλές νέες και ενδιαφέρουσες<br />
ιδιότητες των υλικών αυτών οι οποίες ανοίγουν νέες δυνατότητες στον έλεγχο της διάδοσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.<br />
Π.χ., τα αριστερόστροφα υλικά διαθλούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα αντίθετα από ό,τι τα συνήθη υλικά, αντιστρέφουν το<br />
φαινόμενο Doppler, μπορούν να δώσουν μηδενική ανάκλαση του φωτός (αόρατα υλικά!) και τέλεια απεικόνιση<br />
αντικειμένων (δυνατότητα επίπεδων φακών με απίστευτη ευκρίνεια εστίασης).<br />
Στην παρούσα ομιλία θα εισάγουμε τις βασικές έννοιες που διέπουν τα αριστερόστροφα υλικά καθώς και τις βασικές<br />
ιδιότητες και δυνατότητες των υλικών αυτών, και θα παρουσιάσουμε αποτελέσματα που αφορούν την ηλεκτρομαγνητική<br />
απόκριση αριστερόστροφων δομών. Οι βασικές δομές που μελετώνται είναι συνδυασμοί διακοπτόμενων μεταλλικών<br />
δακτυλίων (υπεύθυνοι για την αρνητική μαγνητική διαπερατότητα) και συρμάτων (υπεύθυνοι για την αρνητική ηλεκτρική<br />
επιδεκτικότητα), καθώς και συνδυασμοί ζευγών μεταλλικών πλακών και συρμάτων (δες Σχ. 1). Ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί<br />
στην ανάλυση της συμπεριφοράς των δομών αυτών πηγαίνοντας από τα μικροκύματα σε υψηλότερες συχνότητες (υπέρυθρο,<br />
ορατό).<br />
Σχ. 1: Η μοναδιαία κυψελίδα αριστερόστροφου<br />
υλικού συντιθέμενου: (α) από διακοπτόμενους<br />
μεταλλικούς δακτυλίους και σύρματα και (β)<br />
από ζεύγη μεταλλικών πλακών και σύρματα.<br />
(α)<br />
(β)<br />
[1] C. M. Soukoulis, M. Kafesaki and E. N. Economou, «Negative Index Materials: New Frontiers in Optics» (review<br />
article), Advanced Materials 18 (2006) 1941.<br />
244
Ηλεκτρομαγνητική Απόκριση στην Περιοχή των THz<br />
Μικροδομημένων Πολαριτονικών Υλικών<br />
Γκαντζούνης Γ. 1* και Στεφάνου Ν. 1<br />
1<br />
Πανεπιστήμιο Αθηνών, Τμήμα Φυσικής, Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης. Πανεπιστημιούπολη, 157 84 Αθήνα<br />
*ggantzou@phys.uoa.gr<br />
Η διηλεκτρική συνάρτηση ετεροπολικών ημιαγωγών και μονωτών εμφανίζει, λόγω της αλληλεπίδρασης φωνονίουφωτονίου,<br />
ισχυρή διασπορά στην περιοχή του υπερύθρου και μπορεί να περιγραφεί από την απλή αναλυτική σχέση: ε(ω)=ε ∞<br />
+[ε 0−ε ∞ ]/[1−(ω/ω T)(ω/ω T+iΓ/ω T)], όπου ε 0 και ε ∞ είναι η στατική και η οπτική διηλεκτρική σταθερά, αντίστοιχα, ενώ ω T είναι<br />
η ιδιοσυχνότητα εγκαρσίων οπτικών φωνονίων σε μεγάλο μήκος κύματος. Στη συχνότητα αυτή η ε(ω) εμφανίζει<br />
συντονισμό. Το εύρος του συντονισμού χαρακτηρίζεται από την παράμετρο απόσβεσης Γ η οποία εκφράζει την απορρόφηση<br />
που είναι συνυφασμένη με το συντονισμό. Απουσία απωλειών (Γ=0), η ε(ω) έχει κατακόρυφη ασύμπτωτο σε ω=ω T και<br />
μηδενίζεται στην ιδιοσυχνότητα διαμήκων οπτικών φωνονίων σε μεγάλο μήκος κύματος: ω L=ω T(ε 0/ε ∞ ) 1/2 . Στην περιοχή<br />
συχνοτήτων από ω T έως ω L η διηλεκτρική συνάρτηση γίνεται αρνητική, μην επιτρέποντας έτσι τη διάδοση ΗΜ κυμάτων στο<br />
υλικό, και επειδή το ψευδοσωματίδιο που εκφράζει τη σύζευξη φωνονίου-φωτονίου ονομάζεται φωνοπολαριτόνιο, η περιοχή<br />
αυτή αναφέρεται ως πολαριτονικό χάσμα.<br />
Κρύσταλλοι από μακροσκοπικά εγκλείσματα πολαριτονικού υλικού σε διηλεκτρική μήτρα εμφανίζουν<br />
ενδιαφέρουσες φυσικές ιδιότητες όπως αρνητική μαγνητική διαπερατότητα, επιλεκτική εκπομπή στο θερμικό υπέρυθρο, κλπ.<br />
Η διάδοση ΗΜ κυμάτων και η ύπαρξη φωτονικών χασμάτων σε τέτοιους κρυστάλλους έχουν μελετηθεί επαρκώς. Η<br />
αντίθετη όμως τοπολογία, δηλαδή διηλεκτρικά εγκλείσματα σε πολαριτονικό υλικό, διερευνήθηκε θεωρητικά μόνο σε<br />
δισδιάστατα συστήματα άπειρων κυλίνδρων [1, 2]. Από πειραματικής πλευράς, μικροδομημένα πολαριτονικά υλικά όπως<br />
LiTaO 3 και LiNbO 3 προσελκύουν σημαντικό ενδιαφέρον, διότι προσφέρουν τη δυνατότητα σχεδιασμού πλήρως<br />
ολοκληρωμένων λειτουργικών συστημάτων επεξεργασίας σήματος ή φασματοσκοπίας στην περιοχή των ΤHz [3-5]. Στην<br />
εργασία αυτή θα μελετήσουμε θεωρητικά την ΗΜ απόκριση περιοδικών δομών διηλεκτρικών μικροκοιλοτήτων σε<br />
πολαριτονικό υλικό μέσω συστηματικών υπολογισμών με τη μέθοδο στρωματικής πολλαπλής σκέδασης [6]. Για τη<br />
διηλεκτρική συνάρτηση του πολαριτονικού υλικού χρησιμοποιούμε παραμέτρους ε 0=41.4 και ε ∞ =13.4 που αντιστοιχούν στο<br />
LiTaO 3, αν και παρόμοια αποτελέσματα λαμβάνουμε και για άλλα πολαριτονικά υλικά. Εκφράζουμε τη συχνότητα σε<br />
μονάδες ω T και χρησιμοποιούμε το c/ω T ως τη μονάδα μήκους. Σημειώνουμε ότι, θεωρώντας μια τυπική τιμή 30 THz για την<br />
ω T, c/ω T =10 μm.<br />
Θεωρούμε αρχικά ένα ομοιογενές πλακίδιο<br />
πολαριτονικού υλικού στον αέρα και αγνοούμε προς το παρόν<br />
τις απώλειες. Το πλακίδιο εκτείνεται παράλληλα στο επίπεδο<br />
x-y και έχει πάχος D. Όπως φαίνεται στο αριστερό διάγραμμα<br />
του σχήματος 1, το φάσμα διέλευσης εμφανίζει τις γνωστές<br />
ταλαντώσεις Fabry-Perot λόγω πολλαπλών ανακλάσεων στις<br />
επιφάνειες του πλακιδίου. Η περίοδος, Δω, αυτών των<br />
ταλαντώσεων αντιστοιχεί σε Δq=π/D και, αφού q=ωn(ω)/c,<br />
από την αναλυτική μορφή της ε(ω) =n 2 (ω) βρίσκουμε ότι<br />
Δω→0 καθώς πλησιάζουμε την ω T, όπως ακριβώς βλέπουμε<br />
στο σχήμα. Εντός του πολαριτονικού χάσματος πρακτικά δεν<br />
υπάρχει διέλευση, όπως αναμενόταν. Καταστάσεις<br />
κυματοδηγού του πλακιδίου εμφανίζονται εκτός του<br />
πολαριτονικού χάσματος. Αυτές έχουν τη μορφή<br />
Σχήμα 1 Ομοιογενές πλακίδιο, πάχους D=1.5c/ω T<br />
,<br />
πολαριτονικού υλικού χωρίς απορρόφηση. Αριστερά:<br />
συντελεστής διέλευσης για κάθετη πρόσπτωση. Δεξιά:<br />
διάγραμμα διασποράς των καταστάσεων κυματοδηγού και<br />
επιφανειακών φωνοπολαριτονίων. Η διάστικτη γραμμή<br />
ω=cq ||<br />
δείχνει τον κώνο φωτός στον αέρα και η σκιασμένη<br />
περιοχή το πολαριτονικό χάσμα.<br />
διαδιδόμενων κυμάτων με κυματάνυσμα q || παράλληλα στο<br />
πλακίδιο ενώ κάθετα φθίνουν εκθετικά στο μηδέν εκτός του<br />
πλακιδίου. Οι καταστάσεις κυματοδηγού διακρίνονται σε<br />
εγκάρσιες ηλεκτρικές (ΤΕ) ή εγκάρσιες μαγνητικές (ΤΜ), αν<br />
το ηλεκτρικό, ή αντίστοιχα το μαγνητικό, πεδίο ταλαντώνεται<br />
παράλληλα στο πλακίδιο. Εντός του πολαριτονικού χάσματος<br />
εμφανίζονται φωνοπολαριτονικές ιδιοκαταστάσεις τύπου ΤΜ,<br />
εντοπισμένες στην επιφάνεια. Υπάρχουν δυο κλάδοι τέτοιων<br />
καταστάσεων, μια για κάθε επιφάνεια, που ο εκφυλισμός τους<br />
έχει αρθεί λόγω αμοιβαίας αλληλεπίδρασης. Οι καμπύλες διασποράς των παραπάνω καταστάσεων του πλακιδίου φαίνονται<br />
στο δεξί διάγραμμα του σχήματος 1. Ο διαχωρισμός των δύο κλάδων των επιφανειακών φωνοπολαριτονικών καταστάσεων<br />
είναι πολύ μικρός και δεν διακρίνεται στο σχήμα. Βλέπει κανείς ότι όλες οι ιδιοκαταστάσεις που συζητήσαμε βρίσκονται<br />
έξω από τον κώνο φωτός στον αέρα και συνεπώς δεν μπορούν να διεγερθούν από εξωτερικά προσπίπτον κύμα.<br />
Όταν το πλακίδιο δομείται με μια δισδιάστατη διάταξη διηλεκτρικών κοιλοτήτων, παρατηρούνται σημαντικές<br />
αλλαγές στο φάσμα διέλευσης, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Κάτω από την ω T, εκτός από τις ταλαντώσεις Fabry-Perot,<br />
εμφανίζονται οξείες δομές συντονισμού οι οποίες ερμηνεύονται ως εξής: Η παρουσία της δισδιάστατης δομής κοιλοτήτων<br />
επιτρέπει τη διέγερση των καταστάσεων κυματοδηγού μέσω μιας διαδικασίας “umklapp”: ένα προσπίπτον επίπεδο κύμα<br />
δημιουργεί κατά την περίθλαση φθίνοντα κύματα τα οποία μπορούν να συνδεθούν με συνεχή τρόπο με τις καταστάσεις<br />
κυματοδηγού. Έτσι αυτές δεν είναι πλέον δέσμιες στο πλακίδιο αλλά διαρρέουν στο περιβάλλον και μετατρέπονται σε<br />
245
Σχήμα 2. Συντελεστής διέλευσης πλακιδίου (D=1.5c/ω T<br />
)<br />
πολαριτονικού υλικού χωρίς απορρόφηση, με τετραγωνικό<br />
πλέγμα, σταθεράς a=1.1c/ω T<br />
, από σφαιρικές κοιλότητες<br />
αέρα, ακτίνας S=0.35c/ω T<br />
, στο μέσον, για κάθετη<br />
πρόσπτωση. Η σκιασμένη περιοχή δείχνει το πολαριτονικό<br />
χάσμα. Δομές συντονισμού κάτω από την ω T<br />
και κάτω από<br />
την ω L<br />
δείχνονται με μεγαλύτερη ανάλυση στα κάτω<br />
διαγράμματα, όπου οι διάστικτες γραμμές δείχνουν τον<br />
αντίστοιχο συντελεστή διέλευσης του ομοιογενούς<br />
πλακιδίου. Οι δυο διακεκομμένες γραμμές στο κάτω δεξί<br />
διάγραμμα δείχνουν τη μεταβολή στη θέση των<br />
συζευγμένων φωνοπολαριτονικών καταστάσεων<br />
επιφάνειας και κοιλότητας (διπολικών) συναρτήσει του<br />
πάχους του πλακιδίου (βλ. ένθετο κατακόρυφο άξονα).<br />
καταστάσεις συντονισμού οι οποίες εκδηλώνονται<br />
ποικιλοτρόπως στο αντίστοιχο φάσμα διέλευσης. Εναλλακτικά<br />
μπορούμε να πούμε ότι, λόγω της δισδιάστατης περιοδικής<br />
δομής, οι ζώνες συχνοτήτων κυματοδηγού αναδιπλώνονται<br />
εντός της πρώτης επιφανειακής ζώνης Brillouin του<br />
συγκεκριμένου πλέγματος και αποκτούν ένα μικρό<br />
φανταστικό μέρος λόγω σύζευξης με της εκτεταμένες<br />
καταστάσεις σκέδασης.<br />
Εντός του πολαριτονικού χάσματος, παρατηρούμε στο<br />
φάσμα διέλευσης συντονισμούς που δεν υπάρχουν στο<br />
ομοιογενές πλακίδιο. Αυτοί οφείλονται (α) σε διέγερση των<br />
επιφανειακών φωνοπολαριτονικών καταστάσεων μέσω του<br />
μηχανισμού “umklapp” που εξηγήσαμε προηγουμένως και (β)<br />
σε διέγερση ιδιοκαταστάσεων των κοιλοτήτων που<br />
ερμηνεύεται ως εξής. Μια μεμονωμένη διηλεκτρική κοιλότητα<br />
διηλεκτρικής σταθεράς ε s, εντός πολαριτονικού υλικού που<br />
εκτείνεται στο άπειρο, εμφανίζει δέσμιες καταστάσεις του ΗΜ<br />
πεδίου στην περιοχή όπου ε(ω)1.5c/ω T), η επιφανειακή κατάσταση (σε 1.712ω T) και η διπολική κατάσταση<br />
κοιλότητας (σε 1.733ω T) βρίσκονται στις θέσεις των αντίστοιχων κορυφών συντονισμού στο φάσμα διέλευσης που<br />
δείχνουμε. Όσο το D μειώνεται, τόσο περισσότερο μετατοπίζονται οι αντίστοιχες ιδιοσυχνότητες. Η απορρόφηση στο<br />
πολαριτονικό υλικό εξομαλύνει τις δομές συντονισμού και ουσιαστικά, εντός του πολαριτονικού χάσματος, μόνον η κορυφή<br />
των διπολικών φωνοπολαριτονικών καταστάσεων κοιλότητας επιβιώνει στο φάσμα διέλευσης. Τέτοιες καταστάσεις<br />
κοιλότητας μπορούν να βρουν ενδιαφέρουσες εφαρμογές σε φίλτρα συχνοτήτων, συντονιστές, κυματοδηγούς, κλπ., στην<br />
περιοχή των ΤΗz.<br />
Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε οικονομικά από το ερευνητικό πρόγραμμα «Καποδίστριας» του Πανεπιστημίου Αθηνών. Ο<br />
Γ. Γκαντζούνης είναι υπότροφος του ΙΚΥ.<br />
[1] Rung A., Ribbing C. G., Qiu M., Phys. Rev. B 72 (2005) 205120.<br />
[2] Zhang W., Hu A., Lei X., Xu N., Ming N., Phys. Rev. B 54 (1996) 10280.<br />
[3] Stoyanov N. S., Ward D. W., Feurer T., Nelson K. A., Nat. Mater. 1 (2002) 95.<br />
[4] Stoyanov N. S., Feurer T., Ward D. W., Nelson K. A., Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 674.<br />
[5] Stoyanov N. S., Feurer T., Ward D. W., Statz E. R., Nelson K. A., Opt. Express 12 (2004) 2387.<br />
[6] Stefanou N., Yannopapas V., Modinos A., Comput. Phys. Commun. 113 (1998) 49; 132 (2000) 189.<br />
246
Φασματοσκοπική Μελέτη Raman Συστημάτων Νανοσωλήνων Άνθρακα σε Υψηλές<br />
Υδροστατικές Πιέσεις<br />
Δ. Χριστόφιλος 1* , Ι Αρβανιτίδης 1,2 , Η. Ευθυμιόπουλος 1,3 , X. Zhao 4 , Y. Ando 4 , T. Takenobu 5 , Y. Iwasa 5 , H. Kataura 6 , Σ. Βες 3<br />
και Γ. Α. Κουρούκλης 1<br />
1 Τομέας Φυσικής, Γενικό Τμήμα, Πολυτεχνική Σχολή, Α.Π.Θ., 541 24, Θεσσαλονίκη<br />
2 Τομέας Φυσικής, Γενικό Τμήμα, Τ.Ε.Ι. Θεσσαλονίκης, 574 00, Σίνδος<br />
3 Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τμήμα Φυσικής, Α.Π.Θ., 541 24, Θεσσαλονίκη<br />
4 Department of Materials Science and Engineering, Meijo University, Nagoya 468-8502, Japan<br />
5 Institute for Materials Research, Tohoku University, 2-1-1 Katahira, Aoba-ku, Sendai 980-8577 and CREST, Japan Science<br />
and Technology Corporation, Kawaguchi 332-0012, Japan<br />
6 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), 1-1-1 Higashi, Tsukuba, Ibaraki 305-8562, Japan<br />
*Ηλεκτρονική Διεύθυνση Συγγραφέα Επικοινωνίας: christof@vergina.eng.auth.gr<br />
Οι νανοσωλήνες άνθρακα αποτελούν μία από τις πολλά υποσχόμενες, για τεχνολογικές εφαρμογές, κατηγορίες<br />
νανοσκοπικών υλικών με πολύ ενδιαφέρουσες οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες [1]. Η φασματοσκοπία Raman αποτελεί<br />
μία από τις σημαντικότερες τεχνικές για την ταυτοποίηση και τη μελέτη τους, επιτρέποντας την εύρεση της διαμέτρου των<br />
υπό εξέταση σωλήνων από τη γραμμική σχέση της συχνότητας των ακτινικών τρόπων αναπνοής τους (RBM) με το<br />
αντίστροφο της διαμέτρου τους [1]. Από την άλλη μεριά, η άσκηση υψηλών υδροστατικών πιέσεων επιτρέπει τόσο τη<br />
μελέτη της δομικής ευστάθειας όσο και της ισχύος των αλληλεπιδράσεων στις δομές αυτές [2]. Στους νανοσωλήνες<br />
πολλαπλών τοιχωμάτων (πολυστρωματικοί νανοσωλήνες, ΜWCNT), ο μεγάλος αριθμός των ομοαξονικών σωλήνων<br />
εμποδίζει την εμφάνιση των RBM των εσωτερικών σωλήνων στο φάσμα Raman. Στην περίπτωσή μας, όμως, ο σχετικά<br />
μικρός αριθμός των ομοαξονικών σωλήνων επιτρέπει την μελέτη των RBM των εσωτερικών σωλήνων με την πίεση και τη<br />
σύγκριση της συμπεριφοράς τους σε συστήματα αντίστοιχων διαμέτρων νανοσωλήνων απλού τοιχώματος (μονοστρωματικοί<br />
νανοσωλήνες, SWCNT) και διπλού τοιχώματος (διστρωματικοί νανοσωλήνες, DWCNT).<br />
Raman Intensity (arb. units)<br />
2.7 GPa<br />
0.2 GPa<br />
SWCNTs<br />
200 300 400<br />
DWCNTs<br />
2.5 GPa<br />
0.2 GPa<br />
200 300 400<br />
Raman Shift (cm -1 )<br />
MWCNTs<br />
2.4 GPa<br />
0.1 GPa<br />
200 300 400<br />
Σχήμα 1 Φάσματα Raman των SWCNT, DWCNT και MWCNT στην περιοχή των RBM σε διαφορετικές πιέσεις..<br />
Τα SWCNT έχουν παρασκευαστεί από την Carbon Nanotechnologies Incorporated, BuckyPearlsTM με τη μέθοδο της<br />
καταλυτικής διάσπασης μονοξειδίου του άνθρακα σε υψηλή πίεση (HiPCO) και έχουν διαμέτρους 0.8-1.2 nm. Τα DWCNT<br />
έχουν παρασκευαστεί με τη μέθοδο του Bandow [3] και έχουν διαμέτρους 0.6-0.9 nm (εσωτερικοί) και 1.3-1.6 nm<br />
(εξωτερικοί). Τέλος, τα MWCNT έχουν παρασκευαστεί με εκκένωση τόξου και αποτελούνται από 10-15 ομοαξονικούς<br />
σωλήνες με διαμέτρους από ~1 nm (εσώτατοι) έως ~10 nm (εξώτατοι) [4]. Όλα τα δείγματα είναι σε μορφή δεσμίδων<br />
(bundles) και μελετήθηκαν σε διάταξη Raman Dilor XY με διέγερση στα 676.4 nm και ισχύ μικρότερη από 3 mW,<br />
μετρημένη μπροστά από την κυψελίδα υψηλών πιέσεων που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα, ενώ ως υδροστατικό μέσο<br />
μετάδοσης της πίεσης χρησιμοποιήθηκε μείγμα μεθανόλης-αιθανόλης 4:1.<br />
Στο σχήμα 1 παρουσιάζονται ενδεικτικά φάσματα από τα τρία υλικά για δύο διαφορετικές πιέσεις του κύκλου αύξησης της<br />
πίεσης. Οι RBM των SWCNT εμφανίζουν σημαντικές μεταβολές στη συχνότητά τους με την πίεση. Η αύξηση της<br />
συχνότητας είναι σημαντικότερη για τους μεγαλύτερους νανοσωλήνες (μικρές συχνότητες) και συνοδεύεται από σημαντική<br />
διεύρυνση και πτώση της έντασής τους. Το φαινόμενο αυτό αποδίδεται στη μεγαλύτερη ευπάθεια στην πίεση των<br />
μεγαλύτερης διαμέτρου σωλήνων, με αποτέλεσμα την παραμόρφωση της διατομής τους [5]. Τα φαινόμενα αυτά είναι πολύ<br />
μικρότερης έντασης για τους εσωτερικούς σωλήνες των DWCNT, οι οποίοι θωρακίζονται από την πίεση λόγω των<br />
247
εξωτερικών, ενώ οι τελευταίοι υποστηρίζονται μηχανικά από τους εσωτερικούς. Το φαινόμενο της θωράκισης καθίσταται<br />
ακόμη εντονότερο στην περίπτωση των εσωτερικών σωλήνων των MWCNT.<br />
1.4<br />
1.4<br />
1.2<br />
1.2<br />
SWCNT<br />
Γ (x10 -2 GPa -1 )<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
DWCNT-inner<br />
515 nm<br />
676 nm<br />
Γ (x10 -2 GPa -1 )<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
8<br />
Δd<br />
6.7<br />
8<br />
7 SWCNT<br />
DWCNT-inner<br />
d in<br />
6<br />
0.4<br />
0.4<br />
6.9<br />
7<br />
0.2<br />
0.0<br />
MWCNT-innermost<br />
300 350 400<br />
300 350 400<br />
Raman shift (cm -1 ) (a)<br />
RBM frequency (cm -1 ) (b)<br />
Σχήμα 2 (a) Πειραματικά αποτελέσματα για τις παραμέτρους Γ των RBM των εσωτερικών νανοσωλήνων σε DWCNT<br />
(σημεία) και MWCNT (γραμμή που αντιπροσωπεύει τη μέση τιμή τους). Η καμπύλη που αφορά τα SWCNT προέρχεται από<br />
την αναφορά [6] και είναι απόλυτα συμβατή με τα δικά μας πειραματικά αποτελέσματα. (b) Το αντίστοιχο διάγραμμα με<br />
βάση ένα απλό μοντέλο αναρμονικά συζευγμένων αναρμονικών ταλαντωτών.<br />
Το φαινόμενο της θωράκισης καθίσταται ευκρινέστερο στο διάγραμμα των κανονικοποιημένων συντελεστών πίεσης των<br />
RBM (παράμετροι Γ=ω -1 ∂ω/∂P) με τη συχνότητά τους (σχήμα 2a), όπου οι παράμετροι Γ για τα τρία υλικά<br />
διαφοροποιούνται σημαντικά. Ταυτόχρονα, στο σχήμα 2b παρουσιάζεται το αντίστοιχο διάγραμμα όπως προκύπτει από ένα<br />
απλό μοντέλο όπου το σύστημα των ομοαξονικών σωλήνων αντιπροσωπεύεται, όσον αφορά τον RBM και την επίδραση της<br />
πίεσης, από ένα σύστημα αναρμονικών ταλαντωτών που αλληλεπιδρούν με τους γειτονικούς τους μέσω αναρμονικού<br />
δυναμικού (Lennard-Jones) [7]. Η απλότητα του μοντέλου δεν επιτρέπει την ποσοτική σύγκριση, αλλά η ποιοτική ομοιότητά<br />
τους είναι χαρακτηριστική. Είναι λοιπόν προφανές ότι η παρεχόμενη θωράκιση είναι συνάρτηση της έντασης της<br />
αλληλεπίδρασης van der Waals του εσωτερικού με τον εξωτερικό σωλήνα η οποία εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ των<br />
δύο σωλήνων (διαφορά διαμέτρων). Η διαπίστωση αυτή επισημαίνει ότι η πληθώρα των κορυφών στα φάσματα των<br />
DWCNT δεν πρέπει να αποδίδεται σε αντίστοιχο αριθμό εσωτερικών νανοσωλήνων, αλλά σε μικρό αριθμό εσωτερικών<br />
σωλήνων οι οποίοι συνδυάζονται όμως με εξωτερικούς διαφόρων διαμέτρων. Το φαινόμενο της θωράκισης εντείνεται,<br />
επίσης, με την αύξηση του αριθμού των ομοαξονικών σωλήνων, όπως καταδεικνύεται από τις πολύ μικρές τιμές των<br />
παραμέτρων Γ στα πειραματικά μας δεδομένα, ενώ η αντίστοιχη απόκριση από το θεωρητικό μοντέλο είναι πρακτικά<br />
μηδενική (δεν εμφανίζεται στο διάγραμμα). Οι εσωτερικοί σωλήνες με μικρότερο αριθμό εξωτερικών είναι αναμενόμενο να<br />
έχουν ισχυρότερο σήμα αλλά να παρουσιάζουν και λιγότερο έντονα το φαινόμενο της θωράκισης γεγονός που μπορεί να<br />
ερμηνεύσει τις πολύ μικρές αλλά μη μηδενικές πειραματικές μας τιμές.<br />
Είναι προφανές στα πλαίσια των αποτελεσμάτων μας ότι ο εγκλεισμός οποιουδήποτε υλικού εντός νανοσωλήνα άνθρακα δεν<br />
πρέπει να ερμηνεύεται αυστηρά ως «απομόνωση» από το περιβάλλον του. Περιγράφει περισσότερο, μία μειωμένη και<br />
επιλεκτική αλληλεπίδραση του υλικού με τις εξωτερικές διεγέρσεις μέσω της αλληλεπίδρασής του με τον εξωτερικό<br />
νανοσωλήνα. Θα ήταν λοιπόν ενδιαφέρον να διερευνηθεί η δυνατότητα ελέγχου χημικών αντιδράσεων στο εσωτερικό των<br />
νανοσωλήνων μέσω της κατάλληλης επιλογής των εξωτερικών συνθηκών (π.χ. πίεση), ή της αύξησης της επιφανειακής τους<br />
ενεργότητας (π.χ. καταλυτική δράση) με τον εγκλεισμό κατάλληλων ουσιών στο εσωτερικό τους.<br />
[1] Dresselhaus M. S.and Eklund P. C., Adv. Phys. 49 (2000) 705.<br />
[2] Loa I., J. Raman Spectrosc. 34 (2003) 611.<br />
[3] Bandow S., Takizawa M., Hirahara K. et al., Chem. Phys. Lett. 337 (2001) 48.<br />
[4] Zhao X., Ando Y., Qin L. C. et al., Chem. Phys. Lett. 361 (2002) 169.<br />
[5] Venkateswaran U.D., Rao A.M., Richter E. et al, 59 (1999) Phys. Rev. B 10928.<br />
[6] U.D. Venkateswaran, Phys. Stat. Sol. (b) 241 (2004) 3345.<br />
[7] Christofilos D., Arvanitidis J., Kourouklis G.A. et al., Phys. Rev. B (2007) submitted.<br />
Ευχαριστίες<br />
Οι συγγραφείς επιθυμούν να ευχαριστήσουν την Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας για την οικονομική<br />
υποστήριξη του ερευνητικού έργου στα πλαίσια του προγράμματος «Πυθαγόρας ΙΙ».<br />
0.2<br />
0.0<br />
7.1<br />
7.3<br />
7.5<br />
6<br />
248
Thermal and Electrical Properties of Polymer / Multi-Walled<br />
Carbon Nanotubes Nanocomposites<br />
E. Logakis 1* , Ch. Pandis 1 , P. Pissis 1 , J. Pionteck 2 , P. Pötschke 2 , M. Mičušík 3 and M. Omastová 3<br />
1 National Technical University of Athens, Zografou Campus, 15780, Athens, Greece<br />
2 Leibniz Institute of Polymer Research Dresden, 01069 Dresden, Germany<br />
3 Polymer Institute, Slovak Academy of Sciences, 842 36 Bratislava, Slovakia<br />
*E-mail: logmanos@central.ntua.gr<br />
Tel.: (+30) 210 772 2974, Fax: (+30) 210 772 2932<br />
Carbon nanotubes (CNTs) have attracted special interest as new materials for mixing with polymers due to their<br />
exceptional electrical, mechanical and thermal properties. Polymer/CNTs nanocomposites are promising materials with<br />
potential applications as electromagnetic shielding coatings, electrostatically dissipative materials, aerospace structural<br />
materials and active elements in sensors.<br />
Several processing methods are available for the production of polymer / CNT composites. Melt-mixing of CNT into<br />
thermoplastic polymers using conventional processing techniques are particularly desirable, because of the speed, simplicity,<br />
and availability in the plastic industry. This method is also beneficial because is free of solvents and contaminants, which are<br />
present in solution processing methods and in-situ polymerization.<br />
In the present study, the nanocomposites were prepared by melt mixing a starting masterbatch (Hyperion Catalysis, USA)<br />
of polyamide 6 (PA6) or polypropylene (PP) containing 20 wt% multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with the pure<br />
polymers in a Plasti-corder kneading machine PLE 331 (Brabender, Germany), followed by compression moulding using a<br />
laboratory hydraulic press SRA 100 in order to obtain different concentrations in CNTs.<br />
The purpose of this work is to examine the thermal, electrical and dielectric properties of multi-walled carbon nanotubes<br />
(MWCNT) filled PA6 or PP nanocomposites formed by melt-mixing. To that aim differential scanning calorimetry and<br />
dielectric relaxation spectroscopy were employed. The influence of CNT on the thermal transitions (glass transition<br />
temperature, melting, crystallization) of the pure polymers is investigated. The results are discussed in terms of nucleating<br />
action of CNT and interfacial polymer-filler interactions. Special attention is paid to percolation aspects by both ac and dc<br />
conductivity measurements for the samples which are above the percolation threshold (p c ). Percolation threshold is the<br />
critical concentration of the filler where conducting pathways are formed by CNT and consequently a transition from the<br />
insulating to the conducting phase is observed. p c is usually determined through dc conductivity measurements. In this work<br />
ac measurements were performed, as apart from the determination of dc conductivity, the opportunity to study in detail the<br />
frequency dependence of conductivity is provided by defining the critical frequency (f c ), where the transition from dc to ac<br />
conductivity is observed. Furthermore, the actual aspect ratio (length-to-diameter ratio) of the inclusions in the<br />
nanocomposites is calculated using two different theoretical models (E. J. Garboczi et al. and I. Balberg et al. model) and the<br />
exported values are correlated with the percolation threshold values. It is already known that CNT have the tendency to form<br />
bundles due to van der Waals interactions and the final aspect ratio of CNT in the nanocomposites is much lower, comparing<br />
with the value of an individual nanotube. This fact leads to increased p c values. Besides, the conductivity mechanism is<br />
examined through the temperature dependence of conductivity. Finally, the influence of CNT on the study of dielectric<br />
relaxation mechanisms of PA6 is investigated, to look for effects of CNT on molecular mobility of the polymer matrix, which<br />
may arise from polymer-filler interactions.<br />
Acknowledgement<br />
"This work has been funded by the project PENED 2003. The project is cofinanced 75% of public expenditure through EC -<br />
European Social Fund, 25% of public expenditure through Ministry of Development - General Secretariat of Research and<br />
Technology and through private sector, under measure 8.3 of OPERATIONAL PROGRAMME "COMPETITIVENESS" in<br />
the 3rd Community Support Programme."<br />
249
Polymer Based Hybrid Materials: Synthesis and Applications of Materials Containing<br />
Carbon Nanostructures<br />
Grigoris Mountrichas 1* , Stergios Pispas 1 and Nikos Tagmatarchis 1<br />
1 Theoretical and Physical Chemistry Institute, National Hellenic Research Foundation, 48 Vass. Constantinou Ave., 11635<br />
Athens, Greece<br />
*gmountri@eie.gr<br />
Carbon nanostructures, like the well known carbon nanotubes (CNTs) and the newly discovered carbon nanohorns (CNHs),<br />
are promising materials towards a wide gamut of application in biomedicine, nanoelectronics, and materials science. The<br />
inherent insolubility of both CNTs and CNHs hampers their utilization in nanotechnological applications. On going efforts of<br />
our group concern the solubility enhancement of these materials which will aid not only the study of their solution properties<br />
but most importantly the preparation of a series of novel nanosized hybrids. Towards this end, CNTs and CNHs have been<br />
functionalized with polymers by applying diverse strategies. In this context, we have succeeded on the covalent attachment as<br />
well as non-covalent wrapping of polymers onto the skeleton of the carbon-based nanostructures, Scheme 1. Importantly,<br />
with the latter approach the novel π-electronic network of CNTs and CNHs remain intact, however, the interactions between<br />
the polymers and the carbon nanostructures are strong enough that solubilization of the nanosized hybrid material is<br />
achieved. Moreover, we have been able to combine functionalities of the polymer with the exotic properties of the carbonbased<br />
nanostructures. The hybrid materials were characterized by a variety of complementary analytical techniques, while<br />
investigated morphologically by state-of-the-art HR-TEM and DLS. Finally, such hybrids have been studied in terms of their<br />
physical properties as independent units and as parts of supramolecular aggregates with functional moieties like porphyrins<br />
and inorganic semiconductor nanoparticles.<br />
Scheme 1: Schematic representation of the covalent (left) and non-covalent (right) functionalization of carbon<br />
nanostructures with polymers<br />
References<br />
1) Mountrichas Grigoris, Pispas Stergios, Tagmatarchis Nikos Small, 2007, 3, 404-407<br />
2) Mountrichas Grigoris, Tagmatarchis Nikos, Pispas Stergios J. Phys. Chem. B in press.<br />
Acknowledgements<br />
The work presented has been conducted as part of the award “Functionalization of Carbon Nanotubes Encapsulating Novel<br />
Carbon-based Nanostructured Materials” made under the European Heads of Research Councils and European Science<br />
Foundation EURYI (European Young Investigator) Awards scheme and supported by funds from the Participating<br />
Organizations of EURYI and the EC Sixth Framework Programme. We are deeply indebted to Prof. Sumio Iijima (NEC<br />
Corporation, Tsukuba, Japan) for kindly providing carbon nanohorns with the highest quality.<br />
250
Structure, Mechanical, and Optoelectronic Properties of Amorphous and<br />
Nanostructured Carbon<br />
G. Kopidakis 1,* , C. Mathioudakis 1 , I. N. Remediakis 1,2 , M. G. Fyta 2 , and P. C. Kelires 2,3<br />
1 Department of Materials Science and Technology, University of Crete, P. O. Box 2208, 710 03 Heraklion, Crete,<br />
Greece<br />
2 Physics Department, University of Crete, P. O. Box 2208, 710 03 Heraklion, Crete, Greece<br />
3 Department of Mechanical Engineering and Materials Science and Technology, Cyprus University of Technology,<br />
P.O. Box 50329, 3036 Limassol, Cyprus<br />
* E-mail: kopidaki@materials.uoc.gr<br />
Recent advances in materials deposition and characterization techniques have exploited the unique bonding nature of<br />
carbon atoms and lead to the discovery of a variety of carbon allotropes. Besides some well known nanostructured<br />
forms, such as fullerenes and nanotubes, diamond-amorphous carbon heterostructures have emerged with promising<br />
mechanical and optoelectronic properties. Nanocomposite carbon, in which diamond nanocrystals are embedded in<br />
amorphous carbon (a-C) matrix, as well as ultrananocrystalline diamond films are carbon nanostructures with<br />
fundamental and technological interest. They intermingle properties of nanocrystals with those of the amorphous phase<br />
and open up possibilities for tailoring carbon-based materials properties for specific applications through nanostructure<br />
modification or doping.<br />
In order to investigate theoretically these mixed phases we use empirical potential Monte Carlo and Tight-Binding<br />
Molecular Dynamics (TBMD) simulations. TBMD is a semi-empirical method that allows for accurate calculations in<br />
relatively large systems and for long simulation times. Our previous studies of pure a-C networks with TBMD over the<br />
whole range of possible densities, have resolved long-standing issues related to the structural, mechanical, electronic,<br />
and optical properties of these materials, directly connecting our theoretical results with experiment [1-3].<br />
Fig.1 Atomic structure of interfaces of high density a-C with low index faces of diamond (100) (left), (110) (centre),<br />
(111) (right). Grey atoms are 4-fold, white are 3-fold coordinated.<br />
In the present work, TBMD simulations allow us to obtain the detailed atomic-scale picture of a-C/diamond<br />
interfaces and predict their structural and electronic properties, which are crucial to understand nanocomposite carbon<br />
[4]. We find that such interfaces are stable, with a-C covalently bonded to the diamond surfaces. The atomic and<br />
electronic structure of the a-C region is consistent with previous results on pure a-C and does not depend critically on<br />
the diamond face exposed. However, diamond surface properties influence the relative stability of interfaces with high<br />
density a-C. In this case, the interfacial region is small and very dense a-C grows on diamond (Fig. 1). At lower<br />
densities, carbon atoms nucleate on diamond surfaces and create a more extended intermediate region between<br />
diamond and lower density a-C. The shape of faceted diamond nanocrystals embedded in a-C is predicted using the<br />
Wulff construction with appropriately defined interface energies. These predictions are verified by empirical potential<br />
simulations of nanodiamond inclusions in a-C matrix (Fig. 2).<br />
251
Fig.2 Top: cubic diamond nanocrystal embedded in a-C matrix before relaxation (left) and after relaxation (right).<br />
Bottom: spherical diamond nanocrystal in a-C before relaxation (left) and after relaxation (right). On the left, white<br />
atoms belong to the amorphous matrix and dark grey atoms to the diamond crystal. On the right, white and light grey<br />
atoms are 4-fold and 3-fold coordinated a-C atoms, respectively, while dark grey are crystalline atoms.<br />
We find a universal dependence of compressibility on the mass density that is valid for all carbon-based materials<br />
studied here [5]. Compressibility decreases with increasing fraction of the diamond phase. On the other hand, the<br />
optoelectronic properties of these materials are dominated by the amorphous phase: the calculated electronic density of<br />
states, dielectric function and other related properties are found to be very similar to the respective quantities of pure a-<br />
C. Our results suggest that the optoelectronic and mechanical properties of nanostructured amorphous carbon can be<br />
tuned independently, as they rely on different phases of this composite material.<br />
In the case of ultrananocrystalline diamond, our theoretical predictions about the dependence of mechanical<br />
properties on the grain size may be applicable to nanocrystalline materials in general.<br />
REFERENCES<br />
1. C. Mathioudakis, G. Kopidakis, P.C. Kelires, C.Z. Wang, and K.M. Ho, “Physical Trends in Amorphous Carbon: A<br />
Tight-Binding Molecular Dynamics Study”, Phys. Rev. B, 70, 125202 (2004).<br />
2. C. Mathioudakis, G. Kopidakis, P.C. Kelires, M. Gioti, P. Patsalas, and S. Logothetidis, “Electronic and Optical<br />
Properties of a-C from Tight-Binding Molecular Dynamics Simulations”, Thin Solid Films, 482, 151 (2005).<br />
3. C. Mathioudakis, G. Kopidakis, P. Patsalas, and P.C. Kelires, “Disorder and Optical Properties of Amorphous<br />
Carbon”, submitted.<br />
4. G. Kopidakis, I.N. Remediakis, M.G. Fyta, and P.C. Kelires, “Atomic and Electronic Structure of Crystalline-<br />
Amorphous Carbon Interfaces”, submitted.<br />
5. I.N. Remediakis, M.G. Fyta, C. Mathioudakis, G. Kopidakis, and P.C. Kelires, “Structure, Elastic Properties and<br />
Strength of Amorphous and Nanocomposite Carbon”, submitted.<br />
252
Designing Nanoporous Materials for Hydrogen Storage<br />
G. E. Froudakis*<br />
Department of Chemistry, University of Crete,<br />
ABSTRACT: A combination of ab-initio and<br />
Molecular Dynamics methods is used for investigating the<br />
nature of hydrogen interaction in different types of<br />
Nanotubes (C-NT, BN-NT, SiC-NT - Fig.1), Nanoscrolls<br />
(Fig.2) and Metal Organic Frameworks (MOFs). The<br />
curvature and the chirality of the tube walls together with<br />
the direction of the hydrogen approach are considered and<br />
evaluated under different DFT-functionals (Fig.3). In<br />
addition the improvement of the storage capacity is tested<br />
under various conditions of pressure and temperature after<br />
substitution and doping,<br />
Group A<br />
Group C<br />
Group B<br />
Figure 3: Potential energy surfaces of molecular hydrogen<br />
interacting with (5,5) CNT in different sites and with<br />
different structural orientations of hydrogen (P:<br />
perpendicular, L: longitudinal, T: transversal).<br />
References:<br />
Figure 1: CNT bundle consisting of seven (5,5)<br />
carbon nanotubes with hydrogen molecules after 500 ps of<br />
molecular dynamics at 10 K.<br />
• Hydrogen Interaction with Single Wall Carbon<br />
Nanotubes. A Combined QM/MM study, G. E. Froudakis,<br />
Nano Letters 1 (2001) 179.<br />
• Why alkali doped Carbon Nanotubes poses high<br />
hydrogen uptake, G. E. Froudakis, Nano Letters 1 (2001)<br />
531.<br />
• Extreme hydrogen sensitivity of the transport<br />
properties of Single Wall Carbon Nanotubes, A.Andriotis,<br />
M.Menon, D.Srivastava, G.Froudakis, Physical Review B<br />
64 (2001) 193401.<br />
• Hydrogen Interaction with Carbon Nanotubes. A<br />
Review of ab-initio studies, G. E. Froudakis, Journal of<br />
Physics – Condensed Matter 14 (2002) 453.<br />
• Hydrogen and Oxygen Interaction with Carbon<br />
Nanotubes, G. E. Froudakis, Encyclopedia of Nanoscience<br />
and Nanotechnology (2003).<br />
• SiC nanotubes: A novel material for hydrogen<br />
storage, Mpourmpakis G, Froudakis GE, Lithoxoos GP,<br />
Samios J. Nano Letters 6 (2006) 1581.<br />
• Why boron nitride nanotubes are preferable to<br />
carbon nanotubes for hydrogen storage? An ab initio<br />
theoretical study, G. Mpourmpakis, G. E. Froudakis,<br />
Catalysis Today, in press (2006).<br />
Figure 2: H at Li doped Carbon Nanoscroll.<br />
* E-mail: frudakis@chemistry.uoc.gr<br />
253
Simulating the neutron diffraction profiles of the mineralogical variations during firing<br />
in ancient ceramics<br />
I.M.Siouris 1 , V.Moumtzi 2 ,F.Moumtzis 2 ,, W. Kockelmann 3<br />
1<br />
Department of Production and Management Engineering , Democritus University of Thrace<br />
Xanthi, 67 1 00 Xanthis, Greece<br />
2 Altec SA, Research Programmes Division, 56429 Thessalonica, Greece<br />
3 Rutherford Appleton Laboratory, ISIS Facility, OX11 0QX Chilton, United Kingdom<br />
*jsiou@pme.duth.gr<br />
The possibility to perform quantitative phase analysis on intact archaeological ceramic objects or pottery<br />
fragments by neutron diffraction (ND) was extensively demonstrated before [1,2]. However, the determination<br />
and interpretation of maximum firing temperatures is the subject of many debates in the archaeology community<br />
[3]. The knowledge of the mineral content and the firing temperatures are of interest since they permit an<br />
assessment of the raw materials used and of details of the firing procedures. This information may allow for an<br />
assessment of the technical skills of the ancient potters and hence on the cultural achievements of ancient<br />
civilizations. When only oxidizing firing is considered, the physical and chemical transformations taking place in<br />
pottery clays cannot be reversed by firing again below the original firing temperature [4]. Such in-situ<br />
measurements of mineral phase transformation are well performed on a neutron diffractometer that do not<br />
require detector scans. The current study was the first part of a proposed systematic investigation, using TOF-<br />
ND, on the characterization of ancient pottery from different periods ranging from prehistoric to 1 st<br />
century BC, found at various excavation sites in North Greece. The aim of this project is to supply a<br />
ceramic/pottery database on the constituent minerals, firing and weathering conditions, to both archaeologist and<br />
scientists in the field. The present experiment was performed in two steps. First, each of the eight ceramic pieces<br />
of approximate dimensions 3 - 15 cm 2 and 0.7 – 1.5 cm thick, were exposed to the beam for several hours at<br />
room temperature and ND patterns were collected (Fig. 1).<br />
Fig.1: Observed diffraction patterns collected at room temperature of seven ceramic samples.<br />
During the second step a single piece of very low fired pottery from Karabournaki was selected for<br />
firing measurements in a furnace. In-situ of ND patterns were collected (Fig.2). The aim was to estimate the<br />
firing temperature by re-firing pottery samples on the beam line and record the neutron diffraction pattern after<br />
each firing step. The starting temperature was 600 ºC and the first significant changes in the diffraction pattern<br />
were observed for temperatures above 650 ºC. Then the temperature was increased from 700 to 975 ºC in<br />
steps of 25 ºC. The neutron diffraction data was analyzed and structure refinement on the observed mineral<br />
phases was performed using the program AMPhOrAe (Archeometric Multi Phase Ornament & Artefacts<br />
analyses)[5]. This program was developed to serve the multiphase modeling requirements of TOF –ND data<br />
analysis. The neutron diffraction data was analyzed and structure refinement on the observed mineral phases<br />
was performed using the program AMPhOrAe (Archeometric Multi Phase Ornament & Artefacts analyses)[5].<br />
254
This program was developed to serve the multiphase modeling requirements of TOF –ND data analysis. Initial<br />
modeling of the experimental data during the refinement process adopted a quartz, feldspar, plagioclase,<br />
hematite and diopside mineral combination (see Fig 3), according to earlier ND analysis [6]. Preliminary<br />
analyses revealed that in all diagrams quartz and feldspars phase fractions are dominant.<br />
Fig.2: Observed diffraction patterns collected at various temperatures for the Karabournaki sample.<br />
Fig.3: Initial modeling of the possible mineral phases .<br />
Diopside and iron oxide phases were also identifiable. The diopside content is found to decrease with<br />
increasing quartz - feldspar compositions. Further more the plagioclase content is increased almost linearly with<br />
the temperature. The hematite content in the sample remains almost constant above 700 ºC and is in excess of<br />
7% . Based upon the data collected in the second step, the firing temperatures of the pottery samples were<br />
determined to be within 850 to 950ºC.<br />
[1] W. Kockelmann, et al.: Radiation in Art and Archeometry (2000), Elsevier Science B.V., ISBN: 0-444-50487-7, p. 347-<br />
377.<br />
[2] W. Kockelmann et al: Journal of Arch. Sc. 28 (2001) 213–222.<br />
[3] A. Livingstone Smith, J. Archaeological Science 28 (2001) 991-1003.<br />
[4] U. Wagner et al.: Radiation in Art and Archeometry (2000), Elsevier Science B.V., ISBN: 0-444-50487-7, p. 417-443.<br />
[5] I.M. Siouris, V.Moumtzi: A program for multiphase neutron diffraction data analysis. Proceedings of TEMU 2005<br />
Heraklion Crete 205-207.<br />
[6] I.M. Siouris, J. Walter : Physica B 385-386, Part 1, ( 2006) 225-227<br />
255
7 η Προφορική Συνεδρία<br />
«Μη Συμβατικά Νανοδομημένα και Άμορφα Υλικά»
Νέα Αυτό-οργανούμενα Νανο-πορώδη Οξείδια του Βαναδίου Χρησιμοποιώντας<br />
Συμπυκνώσιμα Επιφανειοδραστικά Μόρια<br />
Βασίλειος Δ. Μπίνας 1 , Κώστας Τριανταφυλλίδης 2 και Παντελής Ν. Τρικαλίτης 1*<br />
1 Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο Κρήτης, Βασιλικά Βουτών, Ηράκλειο, 71003<br />
2 Τμήμα Χημείας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης<br />
*ptrikal@chemistry.uoc.gr<br />
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μια πρωτότυπη και αποτελεσματική μέθοδος για την σύνθεση νέων, εξαγωνικά<br />
οργανωμένων, νανο-πορωδών βαναδο-πυριτικών στερεών με ελεγχόμενο και υψηλό ποσοστό βαναδίου στον ανόργανο<br />
σκελετό. Συγκεκριμένα, η μέθοδος επιτρέπει την ανάπτυξη πορωδών στερεών σε ένα στάδιο, με επιφάνεια >800 m 2 /g και<br />
διάμετρο πόρων ~20 Å, στα οποία το ποσοστό του βαναδίου ελέγχεται συστηματικά από 3% έως και 12% κατά βάρος. Η<br />
σπουδαιότητα της μεθόδου εντοπίζεται: α) στην απλή μεθοδολογία εκτέλεσης, η οποία περιλαμβάνει ένα και μόνο στάδιο<br />
σύνθεσης, β) στην δυνατότητα ελέγχου του ποσοστού βαναδίου στην τελική δομή, με απλή ρύθμιση του pH στο μίγμα της<br />
σύνθεσης, γ) στην επίτευξη ασυνήθιστα υψηλών ποσοστών βαναδίου στην τελική δομή (12% κ.β.) χωρίς την εμφάνιση<br />
κρυσταλλικού V 2 O 5 , με ταυτόχρονη διατήρηση της μεγάλης ειδικής επιφάνειας αλλά και της ομοιόμορφης εξαγωνικής<br />
διάταξης των πόρων και (δ) στο γεγονός ότι η διάμετρος των πόρων κειμένεται στην περιοχή των super-micropores (17-20 Å<br />
), μέγεθος το οποίο είναι δύσκολο να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας απλά επιφανειοδραστικά μόρια όπως τα alkyltrimethylammonium<br />
halides.[1-5]<br />
Η μέθοδος στηρίζεται στην χρήση ενός ιδιαίτερου επιφανειοδραστικού μορίου και συγκεκριμένα του κατιοντικού σιλανίου<br />
n-octadecyldimethyl (3-trimethoxysilylpropyl) ammonium chloride (βλέπε εικόνα 1). Το συγκεκριμένο μόριο<br />
εφαρμόζεται για πρώτη φορά για την ανάπτυξη πορωδών οξειδίων μετάλλων μετάπτωσης και επιλέχθηκε επειδή διαθέτει<br />
ταυτόχρονα τα εξής χαρακτηριστικά: α) μια συμπυκνώσιμη ομάδα ικανή για την πραγματοποίηση χημείας sol-gel, β) ένα<br />
τεταρτοταγές (θετικά φορτισμένο) άζωτο, ικανό να αλληλεπιδρά ηλεκτροστατικά με ανιοντικές ομάδες όπως για παράδειγμα<br />
VO 3- 4 και γ) μια κορεσμένη ανθρακική αλυσίδα (C-18) ικανή<br />
για διεργασίες αυτό-οργάνωσης (δημιουργία μυκκηλίων μέσω<br />
υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων).<br />
Εικόνα 1: Χαρακτηριστικά κατιοντικού σιλανίου n-<br />
octadecyldimethyl (3-trimethoxysilylpropyl) ammonium<br />
Το γενικό συνθετικό πρωτόκολλο που αναπτύχθηκε για την<br />
ελεγχόμενη σύνθεση των νέων πορωδών βαναδο-πυριτικών<br />
στερεών, περιλαμβάνει την διάλυση ποσότητας του<br />
επιφανειοδραστικού σιλανίου σε ισχυρά αλκαλικό περιβάλλον<br />
παρουσία διαλελυμένης ποσότητας NaVO 3 και ποσότητας<br />
tetraethylorthosilicate (TEOS) σε αναλογία mole 1/1.5/4. Με<br />
προσθήκη συγκεκριμένης ποσότητας διαλύματος HCl<br />
κατάλληλης συγκέντρωσης, προκύπτουν τα πρόδρομα<br />
μεσοδομημένα στερεά (δεν είναι ακόμα πορώδη διότι το<br />
οργανικό μέρος του σιλανίου καταλαμβάνει τους πόρους).<br />
Όλα τα στερεά χαρακτηρίστηκαν με πληθώρα τεχνικών<br />
συμπεριλαμβανομένων ακτίνων-Χ σε δείγματα σκόνης,<br />
μέτρηση ειδικής επιφάνειας και κατανομής των πόρων,<br />
θερμική ανάλυση (TGA/DSC), ICP-AES, φασματοσκοπία<br />
υπερύθρου (IR), Raman, διάχυτης ανακλαστικότητας ορατούυπεριώδους<br />
και ηλεκτρονική μικροσκοπίας σάρωσης<br />
(SEM/EDS) και διέλευσης (ΤΕΜ). Αντιπροσωπευτικά<br />
διαγράμματα ακτίνων-Χ μεσοδομημένων και αντίστοιχων<br />
πορωδών φαίνονται στο σχήμα 1.<br />
Intensity<br />
18000<br />
16000<br />
14000<br />
12000<br />
10000<br />
8000<br />
6000<br />
4000<br />
as made<br />
110<br />
200<br />
210<br />
14<br />
10<br />
8<br />
7<br />
Intensity<br />
16000<br />
14000<br />
12000<br />
10000<br />
8000<br />
6000<br />
4000<br />
calcined<br />
14<br />
10<br />
8<br />
7<br />
2000<br />
2000<br />
0<br />
0<br />
-2000<br />
-2000<br />
0 2 4 6 8 10 12 14<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22<br />
2θ, Cuka<br />
2θ, Cuka<br />
Σχήμα 1: Διαγράμματα μεσοδομημένων στερεών (αριστερά) και αντίστοιχων πορωδών υλικών (δεξιά) σε διάφορα pH.<br />
256
Σχήμα 2. (a) Αντιπροσωπευτική φωτογραφία ΤΕΜ εξαγωνικά μεσοδομημένου στερεού κοιτάζοντας παράλληλα με τον<br />
άξονα των πόρων [100]. (b) Αντιπροσωπευτική φωτογραφία ΤΕΜ μεσοπορώδους στερεού κοιτάζοντας κάθετα στον άξονα<br />
των πόρων [110].<br />
Σημαντικός βαθμός εξαγωνικής οργάνωσης των πόρων τύπου MCM-41 παρατηρείται σε όλα τα μεσοδομημένα στερεά όπως<br />
υποδηλώνουν οι χαρακτηριστικές ανακλάσεις τύπου Bragg (100), (110), (200) και (210) σε χαμηλές γωνίες 2θ. Μετά την<br />
θερμική κατεργασία και την απομάκρυνση του οργανικού, όλα τα στερεά διατηρούν σε ικανοποιητικό βαθμό την εξαγωνική<br />
οργάνωση όπως δείχνουν και οι φωτογραφίες ΤΕΜ στο σχήμα 2b. Ισόθερμες προσρόφησης εκρόφησης Ν 2 στους 77Κ και<br />
αντίστοιχες κατανομές πόρων αντιπροσωπευτικών στερεών, φαίνονται στο σχήμα 3. Σε όλες τις περιπτώσεις η χρήση του<br />
οργανο-σιλανίου οδηγεί στον σχηματισμό στερεών που διαθέτουν πόρους στην περιοχή των 20 Å. Αξιοσημείωτο είναι το<br />
γεγονός ότι η χρήση του κλασσικού επιφανειοδραστικού μορίου cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) οδήγησε σε<br />
στερεά με μεγαλύτερο πορώδες (27 Å ) παρόλο το μικρότερο μέγεθος ανθρακικής αλυσίδας που διαθέτει (βλέπε σχήμα 3).<br />
Σχήμα 3. Ισόθερμες προσρόφησης-εκρόφησης και αντίστοιχες κατανομές πόρων αντιπροσωπευτικών στερεών.<br />
Η φύση του οξειδίου του βαναδίου στα τελικά στερεά μελετήθηκε με φασματοσκοπία Raman. Στο σχήμα 4 φαίνεται ένα<br />
αντιπροσωπευτικό φάσμα στο οποίο εμφανίζεται μια έντονη κορυφή στους ~1030 cm -1 η οποία είναι χαρακτηριστική της<br />
ύπαρξης απομονωμένων ομάδων –VO 4 , πιστοποιώντας ότι το βανάδιο είναι σε μέγιστο βαθμό διεσπαρμένο στον ανόργανο<br />
σκελετό και ταυτόχρονα δείχνουν την απουσία μικρο-κρυσταλλικού V 2 O 5 .<br />
Σχήμα 4: Φάσμα Raman πορώδους βαναδο-πυριτικού<br />
στερεού με ~12% wt V.<br />
257<br />
Ευχαριστίες<br />
Ευχαριστούμε την ΓΓΕΤ για την οικονομική ενίσχυση μέσω<br />
του προγράμματος ΠΕΝΕΔ.<br />
Αναφορές<br />
[1] C. T. Kresge, M. E. Leonowicz, W. J. Roth, J. C. Vartuli, J.<br />
S. Beck, Nature 359 (1992) 710.<br />
[2] P. D. Yang, D. Y. Zhao, D. I. Margolese, B. F. Chmelka, G.<br />
D. Stucky, Nature 396 (1998) 152.<br />
[3] F. Arena, A. Parmaliana, Accounts Chem. Res. 36 (2003)<br />
867.<br />
[4] B. M. Weckhuysen, D. E. Keller, Catalysis Today 78<br />
(2003) 25-46.<br />
[5] E. P. Reddy, R. S. Varma, J. Catal. 221 (2004) 93.
A Physical Model to Interpret the Effect of the Crystalline Inclusions Size on the<br />
Fracture Modes in Glass-Ceramic Materials<br />
C Α Charitidis 1* , T E Karakasidis 2 , P Kavouras 3 and Th Karakostas 3<br />
1 School of Chemical Engineering, National Technical University of Athens, GR-157 80 Athens, Greece<br />
2 Department of Civil Engineering, University of Thessaly, Pedion Areos, GR-38834 Volos, Greece<br />
3 Department of Physics, Solid State Section, Aristotle University of Thessaloniki, GR54124 Thessaloniki, Greece<br />
*charitidis@chemeng.ntua.gr<br />
The main parameters influencing the mechanical performance of glass-ceramic materials are the shape and mean size of the<br />
ceramic phase, i.e. the crystalline inclusions. It is a common practice for the ceramic industry to modify the coherence of<br />
grain boundaries in order to control the active fracture modes in ceramic products [1-3], in other words to decide whether the<br />
cracks should propagate in transgranular or intergranular mode. In the former case the crack paves its way irrespectively of<br />
the direction of the grain boundaries, i.e. the interfaces between the different phases. In the latter case the crack preferentially<br />
follows them, i.e. debonds the interfaces [4]. It is now widely accepted that intergranular fracture is connected to high<br />
toughness, while transgranular to high strength [5]. These fracture modes have been extensively studied in the case of<br />
ceramic materials, while they have not received the same attention in the case of glass-ceramic materials.<br />
In the present study the influence of crystalline inclusions size on the mechanical properties of glass-ceramic products<br />
containing granularly shaped inclusions has been examined. The strength and toughness of glass-ceramic materials depends<br />
on their morphological and microstructural features that can be tailored in order to affect the mechanical performance of<br />
glass-ceramic end-products. It has also been reported that understanding the fracture mechanisms can glean light into the<br />
inter-relations with wear that is critical to the prevention of catastrophic failure [6]. It was experimentally observed that the<br />
mean size of the granularly shaped crystalline inclusions determine the crack propagation mode. For sizes and widths smaller<br />
than one micron, transgranular fracture occurs, while for sizes and widths of several microns intergranular fracture occurs.<br />
With the help of a physical model the crack propagation mode is related to the ratio of the interface area between the<br />
crystalline inclusion and the amorphous matrix with the area of the crystallite inclusion. The details of the model are<br />
presented in [7]. Here we present the basic notions of the model.<br />
Figure 1: Schematic view of large and small crystalline<br />
inclusions represented as circles. The light grey regions<br />
represent the extent of the interface, while the darker gray<br />
regions represent the bulk-like crystallite.<br />
Figure 2: Two different paths of the crack are schematically<br />
presented. A straight path, corresponding to transgranular<br />
propagation through the bulk of the crystallite, and a curved<br />
one through the interface region, corresponding to<br />
intergranular propagation.<br />
In Figure 1 two granularly shaped crystallites are represented schematically as circles for simplicity reasons. The lighter<br />
grey regions represent the interface regions with the amorphous matrix and the darker gray regions represent the “bulk” of<br />
the crystallites. The thickness of the interface region (dr) does not depend on the size of the crystalline inclusion. The<br />
interface region is a region for easier crack propagation, since weaker bonding means that atomic bonds are more easily<br />
broken than in the bulk crystallite region. However, another parameter that should be taken into account is the size of the<br />
interface as a percentage of the size of the whole crystallite, since the size of the crystallite will affect the boding of the atoms<br />
within the crystallite. In the case of the small crystalline inclusions the ratio of interface area (S inter ) over the “bulk” area of<br />
the crystallite (S cryst ) is important while in the case of larger crystallites the ratio is reduced. This ratio is an important<br />
parameter since once the tip of the crack has reached the interface it will have to decide on how it will continue i.e. through<br />
the crystallite or through the periphery of the crystallite (through the interface region). For small crystallites, once the crack<br />
has reached the interface and has broken several atomic bonds, a region of nearby atoms in the previously bulk region will be<br />
affected and the bonding will get reduced making the propagation through the crystallite also probable (transgranular mode).<br />
However, for larger crystallites the bonding of atoms close to the interface will be less affected when the crack will break<br />
some bonds and thus the propagation through the interface region will be privileged (intergranular propagation). The above<br />
arguments comply with our experimental observations: in the case of crystallites with average size or width smaller than 1μm<br />
transgranular propagation of the crack is favored, while for larger crystallites (average size or width of several microns)<br />
either intergranular or blocking of propagation is observed [7].<br />
In the following we proceed to a more detailed analysis in order to obtain some qualitative results by simple energetic<br />
considerations. A circular crystallite is assumed, for simplicity reasons, and the energetics of transgranular and intergranular<br />
propagation are examined. In the case of transgranular propagation the energy (E transgranular ) required is proportional to the<br />
characteristic width 2r 1 of the crystallite (Figure 2):<br />
258
E transgranular = 2r 1 ×Ε cryst (1)<br />
where 2r 1 is the size of the crystallite and E cryst is the bonding energy for the crystallite atoms.<br />
In the case of intergranular propagation, the energy required (E intergranular ) is again proportional to the path<br />
E intergranular = πr 1 ×E inter (2)<br />
where E inter is the bonding energy between the atoms at the interface region.<br />
The ratio of energy for intergranular over the energy required for transgranular propagation (E intergranular / E transgranular ) is:<br />
E intergranular / E transgranular = (π r 1 E inter ) / (2r 1 ×Ε cryst ) ≅ 1.6 E inter / E cryst (3)<br />
and it will determine the mode of the crack propagation. In fact, it is the ratio of the bonding energies of atoms in the<br />
interface region and the crystallite region (E inter / E cryst ) that will determine the path to be followed. For values of E inter ≤ 0.6<br />
E cryst the intergranular propagation is favored, since in this case E intergranular < E transgranular . The ratio E inter / E cryst will be affected<br />
by the size of crystallite since E cryst is expected to increase as a function of crystallite size approaching the bulk value. Thus,<br />
as crystallite size increases the intergranular propagation will be favored. This qualitative energetic discussion can explain the<br />
experimentally observed crack propagation in a straight line for the case of small granular crystalline inclusions, while in the<br />
case of larger granular crystalline inclusions intergranular fracture results in a deviation from straight propagation of the<br />
crack. The same reasoning explains also qualitatively the observations about the extent of crack propagation as a function of<br />
crystallite size. An increase in the extent of crack propagation as the size of the crystallites reduces is observed since the<br />
smaller size will result to transgranular propagation and thus larger distances traveled by the crack.<br />
A question that arises is if there is a characteristic size of crystallites that determine the propagation mode of the crack. A<br />
reasonable estimation can be made by considering the size at which E cryst reaches a value comparable to that of the bulk<br />
material. This will depend on the size of the crystallite in comparison to the interface zone for a two dimensional topology.<br />
Since atoms are nearly homogeneously distributed in these regions, a rough estimation will be based on the ratio of the area<br />
of interface region (S inter ) over the area of bulk crystallite region (S cryst ). Thus as the size of a crystallite increases, E inter will<br />
be smaller than E cryst and the crack will preferably follow a path along the interface (intergranular propagation). As the size of<br />
the crystallite decreases, E cryst will be closer to E inter and the crack will preferably cross the crystallite (transgranular<br />
propagation). A calculation for this ratio in the case of circular crystallites is made. In general, the modified width of the<br />
interface extends over several atomic distances. The average size of crystallites ranges from 0.5 μm up to 3 μm, resulting in a<br />
radius from 0.25 μm up to 1.5 μm. Assuming an interface region of 10 interatomic distances, with an average of 5Å each, the<br />
width of the interface is 0.005 μm. From the calculated ratio S inter /S cryst = 2dr/r (Table 1) it can be seen that for crystallites of<br />
size up to 1.5μm the ratio is a few percent and for larger crystallites it falls to less than 1%. For values of S inter /S cryst less than<br />
1% a bulk behavior is obtained favoring the intergranular propagation.<br />
Table 1. Calculated ratio (S inter /S cryst ) for various crystallite sizes, in the case of granular crystallites.<br />
Crystallite size (μm) Crystallite radius (μm) Interface width (μm) S inter /S cryst (%)<br />
0.2 0.1 0.005 10.00<br />
0.5 0.25 0.005 4.00<br />
1.0 0.50 0.005 2.00<br />
1.5 0.75 0.005 1.33<br />
2.0 1.00 0.005 1.00<br />
2.5 1.25 0.005 0.80<br />
3.0 1.50 0.005 0.67<br />
The existence of a critical value for the grain size is clear in our case. This critical size is estimated about 1.5 μm. When<br />
the size of the crystallites is larger than this critical size, the crack follows intergranular propagation or it cannot cross the<br />
crystallites, since the periphery is quite large while in the opposite case it follows transgranular propagation.<br />
The proposed physical model relates the crack propagation mode to the ratio of the interface area between the crystalline<br />
inclusion and the amorphous matrix over the area of the crystallite inclusion. It turns out that there is a critical value for this<br />
ratio that determines the mode of crack propagation. It seems that for a ratio larger than one per cent it is the transgranular<br />
propagation that it is favoured while for lower values intergranular propagation or blocking of the crack occurs. This model<br />
also explains the behaviour of the length of crack propagation as a function of the size/width of crystalline inclusions.<br />
References<br />
[1] Flinders M., Ray D., Anderson A., Cutler R.A., J. Am. Ceram. Soc. 88 (2005) 2217.<br />
[2] Zhou Y., Brito M.E., Yang J.F., Ohji T., J. Am. Ceram. Soc. 86 (2003) 1789.<br />
[3] Sun X., Li J.G., Guo S., Xiu Z., Duan K., Hu X.Z., J. Am. Ceram. Soc. 88 (2005) 1536.<br />
[4] Strnad., Z Glass-Ceramic Materials, New York: Elsevier Science, 1986.<br />
[5] Morrell R., Materials Science and Technology Series., vol. 17A, ed R W Cahn, P Haasen, E J Kramer (Weinheim and<br />
New York: VCH editions) p 11, 1996.<br />
[6] Marshal Y.A.H., Eng. Frac. Mech. 52 (1995) 43.<br />
[7] Charitidis C.A., Karakasidis T.E., Kavouras P. and Karakostas Th., J. Phys.: Condens. Matter, 19 (2007) 6209.<br />
Acknowledgements: The project is co-funded by the European Social Fund & National Resources-EPEAEK II<br />
“ARCHIMEDES II” program Sub-Project 2.6.8.<br />
259
FIR study of Ag x (As 33 S 33 Se 33 ) 100-X glasses<br />
Th Hasapis (1) , E. Hatzikraniotis (1) , K.M.Paraskevopoulos (1) , K. S. Andrikopoulos (2) , S. N. Yannopoulos (3) , T. Wagner (4)<br />
(1) Solid State Physics, Dept. of Physics, Aristotle University of Thessaloniki<br />
(2) Physics Division, School of Technology, Aristotle University of Thessaloniki<br />
(3) FORTH /ICE-HT, P.O. Box 1414, GR-26504, Rio, Patras<br />
(4) Department of General and Inorganic Chemistry, University of Pardubice, 53210 Pardubice, Czech Republic<br />
Abstract<br />
The structure of chalcogenide glasses Ag x (As 33 S 33 Se 33 ) 100-x with 0≤x≤22 was studied by infrared reflectance spectroscopy. The<br />
absorption coefficient spectra, calculated from reflectance by Kramers-Kroning analysis, were deconvoluted in the frequency<br />
range from 150-450cm -1 with six Gaussian line shape bands and the frequency and relative intensity of the component bands were<br />
determined as a function of silver content. The results were found to be consistent with a glass structure formed by AsSe 3 and<br />
AsS 3 pyramidal units with the silver content to influence mostly the arsenic-selenium component of the glasses, as a strong peak<br />
appears at 252 cm -1 for x=18 glass composition.<br />
Introduction<br />
Chalcogenide glasses have attracted much attention in light of their technological applications, including infrared transmitting<br />
optical elements, xerography, memory switching devices and materials useful for image creation and storage. The chemical<br />
bonding determines the short-range order and consequently many physical properties. Infrared spectroscopy is a technique<br />
sensitive to changes at the atomic level and therefore is a powerful tool for structure detection.<br />
The major features of the vibrational spectra of As 2 S 3 and As 2 Se 3 stoichiometric glasses are determined by vibrations of<br />
AsS 3 and AsSe 3 pyrmamidal units, respectively which are interconnected through As-S(Se)-As bridges [1,2,3]. This model can be<br />
extended also in the case of ternary systems As x S y Se z with the resultant spectrum being a superposition of the spectra of the<br />
constituent units [4], which are determined by the y/z ratio in the glass.Raman spectra of As 33 S 67-x Se x and Ag x (As 0.33 S 0.67-y Se y ) 100-x<br />
amorphous films showed contributions from different structural units as pyramids AsS(Se) 3 , Se-rings, S-chains and As 3 S(Se) 6<br />
units connected by S(Se)-Ag-S(Se) linkages with a decrease in S-S or Se-Se bonds respectively [5,6].<br />
In this work we present infrared reflectivity spectra of Ag x (As 33 S 33 Se 33 ) 100-x glasses in order to study the effect of silver<br />
doping on the structure of the non-stoichiometric glass matrix (As 33 S 33 Se 33 ) since the knowledge of optical properties of<br />
amorphous bulk or thin films of Ag-As-S-Se is important for potential applications.<br />
Experimental<br />
Infrared spectra were recorded at nearly normal incidence in the 150-450cm -1 spectral region, at room temperature, with a Bruker<br />
113V FTIR spectrometer. The reflection coefficient shown in figure 1 for different Ag compositions was determined by typical<br />
sample-in-sample-out method with a gold mirror as the reference. The absorption coefficient spectra, (fig. 2) were calculated from<br />
reflectance by Kramers-Kroning analysis, using the expression α(ω)=2π·ω·ε 2 (ω)/n(ω), where ε 2 (ω) is the imaginary part of the<br />
dielectric function, ε=ε 1 +iε 2 , and n(ω) is the real part of the refractive index.<br />
Reflectance<br />
0,30<br />
0,25<br />
0,20<br />
0,15<br />
0,10<br />
150 200 250 300 350 400 450<br />
Wavenumber (cm -1 )<br />
Figure 1: Infrared reflection spectra of Ag x (As 33 S 33 Se 33 ) 100-x .<br />
For clarity the spectra are shifted vertically against each other<br />
22<br />
18<br />
12<br />
8<br />
4<br />
0<br />
Absorption Coefficient (cm -1 )<br />
4000<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0<br />
18<br />
22<br />
12<br />
4 8<br />
0<br />
150 200 250 300 350 400 450<br />
Wavenumber (cm -1 )<br />
Figure 2:Absorption coefficient specrta ofAg x (As 33 S 33 Se 33 ) 100-x<br />
Spectra have been off-set to facilitate comparison.<br />
260
x=18<br />
x=18<br />
Infrared Absorption<br />
x=12<br />
Infrared Absorption<br />
x=12<br />
x=0<br />
x=0<br />
200 210 220 230 240 250 260 270 280<br />
Wavenumber (cm -1 )<br />
280 300 320 340 360 380 400<br />
Wavenumber (cm -1 )<br />
Figure 3: Examples of deconvolution of the low frequency (left) and high frequency (right) envelope of Ag x (As 33 S 33 Se 33 ) 100-x<br />
glasses. Dashed lines represent the three Gaussian component bands.<br />
Results<br />
Figure 1 presents infrared reflectance spectra of Ag x (As 33 S 33 Se 33 ) 100-x glasses and figure 2 the respective absorption coefficient<br />
spectra. The measured reflectivity spectra show two distinct broad peaks in the spectral regions 200-280 cm -1 and 290-400 cm -1<br />
which can be attributed to different structural pyramidal units AsSe 3 and AsS 3 , respectively. As Ag content increases these<br />
dominant bands become broader and shift to lower frequencies. Inspection of figure 2 shows that Ag influences these two bands<br />
in a way that the maximum position of the strongest peak moves upwards for AsSe 3 and downwards for AsS 3 pyramidal units,<br />
while in both cases there is a shoulder that exhibits an intensity increase. Especially for the lower frequency envelope the<br />
spectrum corresponding to x=18 glass shows an inversed behavior of these two peaks.<br />
Figure 3 shows the infrared absorption coefficient, for selected glasses, in an expanded frequency scale for the two<br />
absorption envelopes. The profile of the envelopes suggests the existence of three component bands and a good fit was obtained<br />
with three bands of Gaussian line shape. For the lower frequency envelope the first band moves to lower frequency showing a<br />
broadening and an increase in intensity. The second band moves to higher frequency and exhibits a considerable decrease of its<br />
intensity and a broadening as x increases. The third deconvoluted band moves also downwards and its peak position is fixed at<br />
252 cm -1 for the x=22 sample while its contribution to the absorption coefficient spectrum becomes dominant. As far as the higher<br />
frequency envelope is concerned, the first Gaussian band shifts to lower frequencies with decreased intensity. The peak positions<br />
of the other two deconvoluted bands are unaffected by Ag content, while the contribution of the last one increases with increasing<br />
x. Results were found to be consistent with a glass structure formed by AsSe 3 and AsS 3 pyramidal units with the silver content to<br />
influence mostly the arsenic-selenium component of the glasses.<br />
Acknowledgment.<br />
We acknowledge financial support from GSRT (Ministry of Development) in the framework of the program PENED 2003<br />
(03ΕΔ887). The Hellenic Telecommunications Organization (OTE S.A.) is also thanked for support.<br />
References.<br />
[1] Lucovsky G., Phys. Rev. B 6 (1972) 1480.<br />
[2] Lucovsky G., Martin R., J. Non-Cryst. Solids 8-10 (1972) 185.<br />
[3] Giehler M.,phys. stat. sol. (b) 106 (1981) 193.<br />
[4] Lucovsky G., Mat. Res. Bull. 4 (1969) 505.<br />
[5] Kohoutek T., Wagner T.,Vlcek Mil., Vlcek Mir, Frumar M., J. Non-Cryst. Solids 352 (2006) 1563.<br />
[6] Krbal M., Wagner T., Vlcek Mil, Vlcek Mir, Frumar M., J. Non-Cryst. Solids 352 (2006) 2662.<br />
261
Mελέτη Μεικτών Γυαλιών Οξειδίων Te-Zn με τις Τεχνικές<br />
Φασματοσκοπίας Raman και Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης<br />
Ε. Σταύρου*, Ρ. Τσοπουρίδου, A.Γ. Κόντος, και Κ. Ράπτης<br />
Τμήμα Φυσικής, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο 15780 Αθήνα<br />
* estavrou@central.ntua.gr<br />
Η φασματοσκοπική μελέτη Raman αμόρφων μεικτών οξειδίων Τελλουρίου-Ψευδάργυρου (ΤeO 2 ) x (ZnO) 1-x σε<br />
συνάρτηση με τη σύσταση και τη θερμοκρασία δίνει σημαντικές πληροφορίες για τις δομικές μεταβολές και τη δυναμική του<br />
άμορφου πλέγματος αυτών των υλικών.<br />
Στο πρώτο σκέλος της παρούσας εργασίας μελετωνται τα γυαλιά (ΤeO 2 ) 80 (ZnO) 20 και (ΤeO 2 ) 70 (ZnO) 30 ) με την τεχνικά<br />
τηας Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης σε ευρεία περιοχή υψηλών θερμοκρασιών με σκοπό τον ακριβή προσδιορισμό<br />
της θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης T g των γυαλιών. Η έμφαση, όμως, δίνεται στη θερμοκρασιακή εξάρτηση του<br />
φάσματος Raman ενός εκ των γυαλιών από τους 20Κ, μέσω της υαλώδους μετάβασης και μέχρι το σημείο κρυστάλλωσης.<br />
Με αυτόν τον τρόπο (και σε σύγκριση με τις θερμιδομετρικές μετρήσεις της T g ) διερευνάται η δυνατότητα χρήσης της<br />
φασματοσκοπίας Raman (και πιο συγκεκριμένα της Μποζονικής ζώνης στις χαμηλές συχνότητες) για την μελέτη και τον<br />
προσδιορισμό κρίσιμων φαινομένων στην περιοχή της υαλώδους μετάβασης όπως έχει γίνει σε προηγούμενη εργασία για τα<br />
γυαλιά χαλκογενιδίων [1]. Στο Σχήμα 1 παρουσιαζεται η θερμοκρασιακή εξέλιξη των πολωμένων (ΗH) φασμάτων Raman<br />
του γυαλιού (ΤeO 2 ) 70 (ZnO) 30 το οποίο παραμένει άμορφο μέχρι τη θερμοκρασία των 643 Κ. Πάνω από αυτή τη<br />
θερμοκρασία το υλικό αρχίζει να κρυσταλλώνεται σταδιακά έως τους 752 Κ όπου έχει κρυσταλλωθεί πλήρως, όπως<br />
συμπεραίνεται από την εμφάνιση στενών κορυφών στο φάσμα.<br />
(TeO 2<br />
) 0.7<br />
(ZnO) 0.3<br />
HH<br />
752 Κ<br />
632 Κ<br />
582 Κ<br />
498 Κ<br />
380 Κ<br />
294 Κ<br />
200 Κ<br />
130 Κ<br />
24 Κ<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
Συχνότητα (cm -1 )<br />
Σχήμα 1: Εξέλιξη του φάσματος Raman HH του γυαλιού (TeO 2 ) 0.7<br />
(ZnO) 0.3 με τη θερμοκρασία στην περιοχή 24-752 Κ. Τα φάσματα<br />
είναι κατακόρυφα μετατοπισμένα μεταξύ τους για ευκρίνεια.<br />
Η συχνότητα όλων των παρατηρούμενων ζωνών Raman μειώνεται ομαλά με αυξανόμενη θερμοκρασία στην περιοχή<br />
Τ < T g υποδηλώνοντας συμπεριφορά κανονικού τρόπου ταλάντωσης. Καθώς όμως προσεγγίζεται η T g , η συχνότητα της<br />
Μποζονικής ζώνης υφίσταται μία ασυνεχή (απότομη) μείωση ( Σχήμα 2) σε σύγκριση με την ομαλή μείωση της μοριακής<br />
ζώνης (ένθετο Σχήματος 2), γεγονός που συνοδεύεται από μια εξίσου απότομη αύξηση της έντασης της Μποζονικής ζώνης<br />
(Σχήμα 3).<br />
Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι οί μεταβολές των φασματικών χαρακτηριστικών (συχνότητα, εύρος, ένταση)<br />
της Μποζονικής ζώνης μπορούν να χρησιμοποηθούν επιτυχώς για τον προσδιορισμό της T g των γυαλιών οξειδίων, όπως έχει<br />
εφαρμοστεί για την μελέτη αντίστοιχων φαινομένων σε γυαλιά χαλκογενιδίων [1]. Πρέπει να τονιστεί ότι η αύξηση του<br />
λόγου έντασης της Μποζονικής προς μοριακή παρατηρείται πριν την Τ g γεγονός που λειτουργεί ως προπομπός της<br />
επερχόμενης μεταβολής.<br />
262
43<br />
(TeO 2<br />
) 0.7<br />
(ZnO) 0.3<br />
1.4<br />
(ΤeO 2<br />
) 0.7<br />
(ZnO) 0.3<br />
42<br />
1.2<br />
41<br />
1.0<br />
ω boson<br />
(cm -1 )<br />
40<br />
39<br />
38<br />
Raman shift (cm -1 )<br />
766<br />
764<br />
762<br />
760<br />
758<br />
Ι<br />
VHboson<br />
/I<br />
HHμοριακή<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
37<br />
756<br />
0 100 200 300 400 500 600 700<br />
Temperature (K)<br />
36<br />
0 100 200 300 400 500 600Τ 700 g<br />
Θερμοκρασία (K)<br />
Σχήμα 2: Θερμοκρασιακή εξάρτηση της συχνότητας της<br />
Μποζονικής ζώνης για το αποπολωμένο (VH) φάσμα<br />
Raman του γυαλιού (TeO 2 ) 0.7 (ZnO) 0.3 . Στο ένθετο<br />
φαίνεται η αντίστοιχη θερμοκρασιακή εξάρτηση της<br />
συχνότητας της κύριας μοριακής ζώνης στα 764 cm -1 .<br />
0.2<br />
0 100 200 300 400 500 600Τ 700 g<br />
Θερμοκρασία (Κ)<br />
Σχήμα 3. Θερμοκρασιακή εξάρτηση του λόγου<br />
εντάσεων της Μποζονικής ζώνης προς τη<br />
μοριακή ζώνη για το γυαλί (TeO 2 ) 0.7 (ZnO) 0.3<br />
στην περιοχή 24-652 Κ.<br />
Αυτά τα συμπεράσματα επιβεβαιώνονται από παράλληλες μετρήσεις Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης από τις<br />
οποίες έχουν προκύψει αντίστοιχες τιμές της T g (Πίνακας 1).<br />
c R<br />
Πίνακας 1: Συχνότητες Μποζονικής (ω b ) και μοριακών (ω m ) ζωνών, θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης Τ g και Τ g ,<br />
θερμοκρασία κρυστάλλωσης<br />
Τ<br />
f<br />
.<br />
Γυαλί ω b (cm -1 ) ω m (cm -1 ) c<br />
Τ<br />
g (K)<br />
R<br />
Τ<br />
g (K)<br />
Τ<br />
f<br />
(K)<br />
x= 0.2 39.4 430 670 744 785 646<br />
x=0.3 40.6 430 673 745 790 631 631 752<br />
R<br />
Τ<br />
g : Θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης προσδιορισμένη με τη μέθοδο φασματοσκοπίας Raman.<br />
c<br />
Τ<br />
g : Θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης προσδιορισμένη με τη μέθοδο Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης<br />
Τ<br />
f : Θερμοκρασία κρυστάλλωσης προσδιορισμένη με τη μέθοδο φασματοσκοπίας Raman.<br />
Στο γυαλί (ΤeO 2 ) 70 (ZnO) 30 , η T g είναι χαμηλότερη (631 Κ) σε σχέση με αυτή του (ΤeO 2 ) 80 (ZnO) 20 (646 Κ). Αυτό<br />
υποδηλώνει ότι η προσθήκη οξειδίου ZnO, έχει ως αποτέλεσμα τη χαλάρωση του πλέγματος.<br />
Είναι γνωστό [2], ότι ο λόγος r(T g )=I Rmin /I Rmax των εντάσεων ελαχίστου προς μέγιστο του ανηγμένου φάσματος της<br />
Μποζονικής ζώνης στην T g εκφράζει την ευθραυστότητα του γυαλιου. Για r(T g ) < 0.85 το γυαλί θεωρείται [2] ισχυρός<br />
υαλοποητής, ενώ για r(T g ) > 0.85 το γυαλί αναφέρεται ως ευθραυστο. Στην περίπτωση των γυαλιών της παρούσας εργασίας<br />
η τιμή της r(T g ) βρέθηκε ίση με 0.71 για το γυαλί (ΤeO 2 ) 70 (ZnO) 30 .<br />
[1] Y.C. Boulmetis, C. Raptis, D. Arsova, J. Optoelectronics and Advanced Materials 7 (2005) 1209<br />
[2] S.N. Yannopoulos and G.N. Papatheodorou, Phys. Rev. B 62 (2000) 3728<br />
# Η εργασία υποστηρίχθηκε οικονομικά από το πρόγραμμα ενίσχυσης βασικής έρευνας Ε.Μ.Π. «Κ. ΚΑΡΑΘΕΟΔΩΡΗ»<br />
263
The Structural Role of Fe and Zn in the Formation of Glasses Containing Electric Arc<br />
Furnace Dust: an EXAFS study<br />
F. Pinakidou, M. Katsikini, A. Mavromati, G. Kaimakamis, Th. Kehagias and E.C. Paloura *<br />
Aristotle University of Thessaloniki, School of Physics, 54124 Thessaloniki, Greece.<br />
*<br />
paloura@auth.gr<br />
1. Introduction<br />
The volume of the solid waste that originates from the steel industry increases globally and thus its management must be<br />
efficient and environmentally friendly. Electric arc furnace dust (EAFD) is the largest solid waste stream produced by steel<br />
mills and it comprises mainly of heavy metals which are toxic when disposed to the environment. A simple and cost<br />
effective method used to stabilize these metals is vitrification, which produces vitreous or glass-ceramic materials [1].<br />
Application of this process immobilizes metallic Zn and Fe and thus leads to the formation of safe for disposal EAFD-rich<br />
materials [2]. Since the structural rigidity and hence the chemical stability of the final products is strongly correlated to the<br />
presence of the metals, it is crucial to study the structural role of Fe and Zn, i.e. the type of polyhedra that Fe and Zn<br />
constitute the glassy matrix, in vitrified EAFD-rich industrial wastes.<br />
2. Experimental Details<br />
The studied samples are vitrified materials, produced by co-melting of the EAFD<br />
with SiO 2 , Na 2 O and CaO and casting at 1400 o C. The EAFD mainly consists of ZnO<br />
and ferric oxides (ZnFe 2 O 4 )). The EAFD concentration in the studied glasses<br />
increases with a step of 5 wt% in the range 10 to 30 wt% while the SiO 2 /Na 2 O ratio is<br />
equal to 11, i.e. in all samples the glassy network is a silica matrix. The Fe-K-and Zn-<br />
K-EXAFS measurements were conducted at the synchrotron radiation facility BESSY<br />
in Berlin using the KMC2 beamline. The spectra were recorded in the fluorescence<br />
yield mode using a Si-PIN photodiode.<br />
3. Results and discussion<br />
The Fourier transforms (FT) of the k 3 -weighted χ(k) Fe-K edge EXAFS spectra<br />
(k-range 2.8-9.5Å -1 ) of the studied samples are shown in Fig 1(a). In the FTs only the<br />
1 st nearest neighbor (nn) shell is resolved and thus the samples are amorphous and<br />
homogeneous. Therefore, the Fe-K-EXAFS spectra of all the EAFD-containing<br />
glasses were fitted in the 1 st nearest neighbor shell that consists of oxygen atoms. The<br />
EXAFS analysis results demonstrate that the local coordination of Fe is mixed, i.e. Fe<br />
forms both FeO 4 tetrahedra and FeO 6 octahedra while the coordination environment of<br />
Fe changes gradually from octahedral to tetrahedral when the EAFD content increases.<br />
More specifically, as the EAFD concentration increases from 10 to 30 wt% the Fe-O<br />
bond length (R Fe-O ) decreases from 1.93 to 1.88Å while the coordination number of Fe<br />
(number of O atoms participating in the FeO x polyhedra N(O)) decreases from 4.9 to<br />
3.4. The simultaneous decrease of the Fe-O bondlength and the coordination number<br />
of Fe as a function of the waste concentration, are shown in Fig. 2. The intermediate<br />
role of Fe, i.e. its mixed tetrahedral and octahedral coordination, in the glass has been<br />
also reported previously on Fe and Pb-rich vitrified industrial wastes [3].<br />
In order to determine the percentage of the different FeO x polyhedra in the glassy<br />
matrix of the studied samples we fitted the Fe-K EXAFS spectra again using a mixed<br />
model, which assumes that X% of the Fe atoms belong to octahedral sites while the<br />
rest (100-X)% is bonded in tetrahedra. The spectra were fitted in the 1 st nn shell and<br />
the fitting parameters were the percentage of the Fe tetrahedra and octahedra and the<br />
value of the Debye-Waller (DW) factor. The fitting was performed simultaneously for<br />
all the samples and the distance in the tetrahedral coordination was kept fixed to the<br />
value derived from the previous EXAFS analysis (1.88Å).<br />
The application of the mixed model discloses that in the glass with 10wt% EAFD<br />
concentration, approximately 42 at% (±15%) of the Fe atoms are octahedrally<br />
coordinated in the vitreous matrix, while the rest constitute tetrahedra. The same<br />
percentage of octahedrally bonded Fe atoms (58±11 at%)) is also detected in the glass<br />
with 15wt% EAFD. However, as the EAFD content increases further, the percentage<br />
of the FeO 4 polyhedra increases significantly, i.e. in the glasses with 20 and 25wt%<br />
EAFD, the percentage of the octahedrally coordinated Fe is approximately equal to<br />
24at% (±6%), while it is drastically reduced to 10at% (±3%) when the EAFD content<br />
reaches the value of 30wt%. Thus, the intermediate role of Fe is also verified by the<br />
EXAFS results using the mixed model, i.e. Fe acts as a glass modifier and former<br />
when the EAFD content ranges from 10 to 30 wt%. In particular, in the glass with the<br />
highest waste concentration (30 wt%), the dominant role of Fe is that of network<br />
former since the number of the FeO 6 octahedra is only 10 at%.<br />
FT (arb. units)<br />
FT (arb. units)<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
Fe-K edge<br />
(a)<br />
10 wt% EAFD<br />
15 wt% EAFD<br />
20 wt% EAFD<br />
25 wt% EAFD<br />
30 wt% EAFD<br />
0<br />
0 1 2 3 4 5 6<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
R (Å)<br />
(b)<br />
Zn-K edge<br />
10 wt% EAFD<br />
15 wt% EAFD<br />
20 wt% EAFD<br />
25 wt% EAFD<br />
30 wt% EAFD<br />
0<br />
0 1 2 3 4 5 6<br />
R (Å)<br />
Figure 1: (a) The Fourier transforms<br />
(FT) of (a) the k 3 ×χ(k) Fe-K edge<br />
spectra and (b) of k 3 ×χ(k) Zn-K edge<br />
spectra of all studied glasses<br />
264
The local coordination of Zn in the vitrified samples was investigated using Zn-K-EXAFS spectroscopy. The Fourier<br />
transforms (FT) of the k 3 -weighted χ(k) (k-range 2.8-9.5Å -1 ) spectra are shown in Fig 1(b). Again structure appears only in<br />
the distance range 1 to 2Å of the FT, i.e. the samples are glassy. Therefore, the Zn-K EXAFS spectra of all the EAFDcontaining<br />
glasses were fitted in the 1 st nn shell that comprises of oxygen atoms. The EXAFS analysis at the Zn-K edge<br />
discloses that the bonding environment of Zn is not affected by the different EAFD concentration (Fig. 2). In all samples, the<br />
Zn atom is coordinated with approximately 4 oxygen ions at a distance 1.94-1.95Å. Thus, it is concluded that Zn acts a<br />
network-former and participates in the formation of the glassy matrix by constituting linking FeO 4 tetrahedra.<br />
Number of O atoms<br />
R (Å)<br />
5.5<br />
5.0<br />
4.5<br />
4.0<br />
3.5<br />
3.0<br />
1.96<br />
1.94<br />
1.92<br />
1.90<br />
1.88<br />
1.86<br />
R Fe-O<br />
R Zn-O<br />
N Fe<br />
N Zn<br />
10 15 20 25 30<br />
EAFD concentration (wt%)<br />
Figure 2: Modulation of the Fe-O and Zn-O<br />
bondlenght and the coordination number of<br />
Fe and Zn, as a function of the EAFD<br />
concentration in the glasses.<br />
FT (arb. units)<br />
4<br />
2<br />
Fe-K edge<br />
10 wt%<br />
EAFD<br />
15 wt%<br />
EAFD<br />
20 wt%<br />
EAFD<br />
25 wt%<br />
EAFD<br />
30 wt%<br />
EAFD<br />
0<br />
1 2 3 4 5<br />
R (Å)<br />
(a)<br />
8 Zn-K edge<br />
6<br />
4<br />
2<br />
10 wt%<br />
EAFD<br />
15 wt%<br />
EAFD<br />
20 wt%<br />
EAFD<br />
25 wt%<br />
EAFD<br />
30 wt%<br />
EAFD<br />
0<br />
1 2 3 4 5<br />
R (Å)<br />
(b)<br />
Figure 3: (a) Fe-K edge and (b) Zn-K edge filtered spectra for the 2 nd nn<br />
shell. The raw data and the fitting are shown in thin and thick solid lines,<br />
respectively.<br />
Finally, in an effort to determine the identity of the atoms that constitute the 2 nd nn shell around both Fe and Zn, we<br />
resorted to Fourier filtering in the distance range 2.4 to 3.05Å and 2.8 to 3.3Å, for the Fe-K and Zn-K-EXAFS spectra,<br />
respectively. The FTs of the filtered k 3 -weighted χ(k) Fe- and Zn-K-EXAFS spectra of the vitrified samples are shown in Fig.<br />
3(a) and (b), respectively. The data were fitted using one shell and assuming that: in the case of Fe, the 2 nd nn shell comprises<br />
of Fe atoms while in the case of Zn, the 2 nd nn shell comprises of Fe atoms. The EXAFS analysis reveals that the<br />
composition of the 2 nd nn shell is independent on the waste content. More specifically, the Fe-Fe distance is found equal to<br />
3.00-3.02Å while each Fe atom is linked to 2-3 Fe-centered polyhedra. The results extracted from the Zn-K-EXAFS analysis<br />
in the 2 nd nn shell are different: each ZnO 4 tetrahedron is linked to 3-4 FeO x polyhedra while the Zn-Fe distance is equal to<br />
3.35Å.<br />
4. Conclusions<br />
The coordination environment and structural role of Fe and Zn in a series of EAFD-rich vitrified industrial wastes is<br />
investigated using X-Ray Absorption Fine Structure (XAFS) spectroscopies. It is disclosed that the structural role of Fe<br />
depends on the waste concentration in the final products. The EXAFS analysis demonstrates that when the samples contain<br />
10-20 wt% EAFD, approximately 50 at% of the Fe atoms are octahedrally coordinated and thus Fe acts as a glass modifier.<br />
When the EAFD content increases the coordination environment of Fe changes gradually and becomes increasingly<br />
tetrahedral. Only 25 at% of the Fe atoms occupy octahedral sites and therefore the glass-forming role of Fe becomes<br />
gradually more important. At the higher limit of 30 wt% EAFD, the majority of Fe (90 at%) is tetrahedrally bonded with O<br />
atoms, i.e. Fe is mainly a glass former. On the contrary, Zn always acts as a glass-former and forms ZnO 4<br />
tetrahedra into the glass matrix, independent of the glass composition.<br />
Acknowledgement: The experimental work was realized with financial support from the EU BESSY-BM.07.1.659 and the<br />
"PYTHAGORAS II" program. One of the authors, F. Pinakidou, acknowledges financial support from the Greek Foundation<br />
of Research Scholarships (IKY).<br />
References<br />
[1] F.G.F. Gibb, Waste Manag., 157 (2000) 27.<br />
[2] M. Pellino et al., Waste Manag., 22 (2002) 945.<br />
[3] F. Pinakidou et al, J. Non-Crystal. Solids, 352 (2006) 2933.<br />
265
ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΥΓΓΡΑΦΕΩΝ<br />
(ΕΛΛΗΝΙΚΟ)
Α<br />
Αγγελακέρης Μ………101,128<br />
Αλεξάκη Ν………………..210<br />
Αλεξάνδρου Κ……………...23<br />
Αλιπράντης Δ………………27<br />
Αναγνωστόπουλος Δ.Φ……...5<br />
Αναστασιάδης Σ.Χ…...145,173<br />
Ανδριανάκης Α…………….27<br />
Ανδρικόπουλος Κ.Σ…173,187,<br />
……………………………260<br />
Ανδριώτης Α.Ν…………...126<br />
Ανδρουλιδάκης Ι.Ι…………..5<br />
Ανδρουλιδάκη Μ……….16,45<br />
Ανέστου Κ…………………59<br />
Αντωνάκος Α……………..133<br />
Αντωνιάδης Γ…………….179<br />
Αντωνίου Σ……………….226<br />
Απέκης Λ…………………171<br />
Απεραθίτης Η…………...16,45<br />
Αρβανιτίδης Ι………...187,247<br />
Αργείτης Π……………...84,86<br />
Αργυρίου Δ.Ν…………….132<br />
Αχιλλέως Δ.Σ…………….158<br />
Β<br />
Βάϊνος Ν………………….177<br />
Βαλαμόντες Ε……………...57<br />
Βαμβακάκη Μ…………....158<br />
Βαμβακάς Β………………197<br />
Βανακάρας Α.Γ…………...152<br />
Βανταράκης Γ.Ε……………29<br />
Βάρδα Μ…………………...45<br />
Βασιλείου Α………………179<br />
Βασιλοπούλου Μ……55,84,86<br />
Βασιλακάκη Μ……………104<br />
Βελλής Π…………………...62<br />
Βερνάρδου Δ…….153,206,207<br />
Βες Σ……………...38,187,247<br />
Βισκαδουράκης Ζ………….16<br />
Βιτωράτος Ε……………...228<br />
Βλασόπουλος Δ…………..149<br />
Βλαχοπούλου Μ…………...55<br />
Βλάχος Δ…………………156<br />
Βλάχου Κ…………………207<br />
Βουλγαροπούλου Π………..16<br />
Βούρδας Ν…………………55<br />
Βουρουτζής Ν…………..32,34<br />
Βουτσάς Α.Τ……..68,70,72,74<br />
Γ<br />
Γαλατά Σ……………………5<br />
Γαλιώτης Κ………………190<br />
Γαρδέλης Σ………………..30<br />
Γεωργά Σ.Ν………………151<br />
Γεωργακάκη Δ…………….51<br />
Γεωργακάκος Π………………….41<br />
Γεωργακίλας Α…………………....8<br />
Γεωργούλας Α…………………..222<br />
Γιαννακόπουλος Κ………….6,21,76<br />
Γιαννακουδάκης Ζ……………...206<br />
Γιαννέτα Β……………………….36<br />
Γιαννέτας Β……………………...62<br />
Γιαννόπουλος Σ.Ν……………...260<br />
Γιαννούλης Π…………………...214<br />
Γίτσας Α……………….147,164,166<br />
Γκάμαρη-Seale Ε………………...94<br />
Γκαντζούνης Γ……………..199,245<br />
Γκιόκα Μ……………………..90,92<br />
Γλέζος Ν…………………………64<br />
Γλένης Σ………………………....99<br />
Γογγολίδης Ε…………………….55<br />
Γουδούρη Ο. Μ…………………182<br />
Γούναρη Ε………………………186<br />
Γρηγοράς Μ……………………...92<br />
Δ<br />
Δενδρινού-Σαμαρά Κ…………...128<br />
Δημητρακάκης Γ.Κ………...191,193<br />
Δημητρακόπουλος Γ.Π...14,224,226,<br />
………………………………….234<br />
Διαμάντη Ε……………………..222<br />
Διμάκης Ε…………………………8<br />
Διμουλάς Α………………………..5<br />
Δούβαλης Α.Π…………………...19<br />
Δρακόπουλος Β…………………154<br />
Δρυγιαννάκης Δ………………….53<br />
Ε<br />
Ελευθερίου Μ…………………..202<br />
Έξαρχος Μ.Α…………………68,74<br />
Ευαγγέλου Ε.Κ…………………….5<br />
Ευθυμιάδης Κ.Γ……………..90,106<br />
Ευθυμιόπουλος Η………………247<br />
Ευθυμιόπουλος Π………………160<br />
Ζ<br />
Ζασπάλης Β…………………….116<br />
Ζαχαράτος Φ…………………….36<br />
Ζεκεντές Κ……………………….60<br />
Ζεργιώτη Ι………………………..60<br />
Ζιώγος Ο.Γ……………………….51<br />
Ζορμπά Τ…………………..182,242<br />
Ζορμπάς Κ……………………...240<br />
Ζώης Χ………………………….171<br />
Η<br />
Ηλιόπουλος Κ…………………..177<br />
Θ<br />
Θεοδώνης Ι…………….118,122<br />
Θεοδώνη Π…………………197<br />
Θεοδωροπούλου Μ………….10<br />
Θεοδωροπούλου Σ…………..59<br />
Θεωνάς Β……………………78<br />
Ι<br />
Ιατρού Ε……………….145,166<br />
Ίτσκος Γ………………………4<br />
Ιωάννου Δ.Ε…………………21<br />
Ιωάννου Ι…………………..226<br />
Ιωαννίδης Δ………………..218<br />
Κ<br />
Καβούνης Κ.Α……………...108<br />
Κάβουρας Π………………..258<br />
Καζακόπουλος Α…………….88<br />
Καϊμακάμης Γ.220,224,226,234,<br />
……………………………...264<br />
Καλογεράκης Γ…………….207<br />
Καλογήρου Ο..88,90,92,101,128<br />
Καλόσακας Γ……………….181<br />
Καλτσάς Γ………………..80,82<br />
Καμαράτος Μ………………156<br />
Καμπυλαυκά Β………………16<br />
Κανατζίδης Μ.Γ……………236<br />
Κανδυλιώτη Γ……………...189<br />
Καντιράνης Ν………………182<br />
Καντώνης Γ………………...212<br />
Καράκαλος Σ……………….154<br />
Καρακασίδης Μ……….222,258<br />
Καρακώστας Θ...14,224,234,258<br />
Καρατάσος Κ………………169<br />
Καραχάλιου Π.Κ…………...151<br />
Καρούτσος Ε……………….186<br />
Καστάνης Δ………………...190<br />
Κατσαράκης Ν…...153,201,206,<br />
………………………….207,244<br />
Κατσικίνη Μ....8,43,218,220,264<br />
Καφεσάκη Μ…………...201,244<br />
Κελαϊδής Ν…………………..66<br />
Κελίρης Π.Κ…………….29,251<br />
Κενανάκης Γ….153,201,206,207<br />
Κέννου Σ……………..12,64,228<br />
Κεχαγιάς Θ……..14,220,234,264<br />
Κεχράκος Δ…………………130<br />
Κιοσέογλου Γ……………..18,20<br />
Κιοσέογλου Ι…………………14<br />
Κιούσης Ν……………...118,122<br />
Κλώντζας Ε…………….193,195<br />
Κοϊδής Π……………………182<br />
Κόκκορης Γ………………….55<br />
Κόκκου Σ………………224,234<br />
Κομνηνού Φ………8,14,224,234<br />
266
Κομπίτσας Μ……………….23<br />
Κοντογιαννόπουλος Γ.Π…...70<br />
Κόντος Α.Γ……60,97,103,137,<br />
…………………..208,210,262<br />
Κόντος Α.Ι………………...208<br />
Κόντος Γ.Α………………..151<br />
Κοπιδάκης Γ………………251<br />
Κορρές Α…………………...84<br />
Κοσμάς Κ…………………112<br />
Κοσμάς Μ………………...160<br />
Κουβάτσος Δ.Ν.21,68,70,72,74<br />
Κουδουμάς Ε…….153,206,207<br />
Κουρής Σ………………….177<br />
Κουρκούλης Σ…………….208<br />
Κουρούκλης Γ.Α...173,187,247<br />
Κουρούπης-Αγάλου Κ……..45<br />
Κροντηράς Χ.Α…………...151<br />
Κυράτση Θ…………...236,238<br />
Κωνσταντινίδης Γ………41,78<br />
Κωνσταντούδης Β………….55<br />
Κωτούλας Α………………..90<br />
Λ<br />
Λαδάς Σ………………154,204<br />
Λαζαρίδης Ν……………...202<br />
Λαμπάκης Δ…………...97,139<br />
Λάμπου Δ…………………189<br />
Λεκάτου Α………………...222<br />
Λιαροκάπης Ε…….97,133,139<br />
Λιούτας Χ.Β…………….32,34<br />
Λιτσαρδάκης Γ…………...106<br />
Λογκάκης Ε………….171,249<br />
Λόντος Χ.Α………………..27<br />
Λυκοδήμος Β………………99<br />
Μ<br />
Μαθιουδάκης Κ…………...251<br />
Μαλάκης Α……………….135<br />
Μαντζαρίδης Κ………...…175<br />
Μαντζώλα Χ……………...232<br />
Μανωλάκης Ι……………...106<br />
Ματίκας Θ………………...222<br />
Μαυρομάτη Α…...218,220,264<br />
Μαυρόπουλος Φ…………..125<br />
Μαύρου Γ……………………5<br />
Μεριστούδη Α…………….177<br />
Μικρογιαννίδης Ι…………...62<br />
Μιχαλάς Λ………………….72<br />
Μοσχοπούλου Ε.Γ………...103<br />
Μόσχου Δ.Κ…………….68,74<br />
Μουμτζή Β………………..254<br />
Μουμτζής Φ………………254<br />
Μουντρίχας Γ………...149,250<br />
Μουρδικούδης Σ……..101,128<br />
Μπαγιάτη Π……………….197<br />
Μπάκας Θ………………………..19<br />
Μπασινά Γ……………………...216<br />
Μπατιστάκης Χ…………………108<br />
Μπερδέκας Δ…………………38,40<br />
Μπικιάρης Δ……………………179<br />
Μπίνας Β.Δ……………………..256<br />
Μποτσιαλάς Α…………………...86<br />
Μπούκος Ν………………………..6<br />
Μπουλούσης Γ…………………...55<br />
Μπουντουβής Α.Γ………………..53<br />
Μπούνταλης Α………………….124<br />
Μπουρμπάκης Γ………………...193<br />
Μπουτόπουλος Χ………………...60<br />
Ν<br />
Νασιοποπούλου Α.Γ…..10,30,32,34,<br />
…………………………….36,80,82<br />
Νεοφώτιστου Ε…………………167<br />
Νιάρχος Δ…………………2,92,216<br />
Νομικός Κ……………………….57<br />
Ντάλας Ε……………………….228<br />
Ντούνης Σ……………………….16<br />
Ο<br />
Οικονόμου Ε.Ν…………..1,201,244<br />
Π<br />
Παλιατσάς Ν……………………228<br />
Παλούρα Ε. Κ…....8,43,218,220,264<br />
Παμβουξόγλου Α………………149<br />
Παναγόπουλος Χ……………….139<br />
Πανδής Χ…………………..171,249<br />
Πανόπουλος Ν…………………...96<br />
Παπαβασιλείου Γ……………96,208<br />
Παπαγγελής Κ…………187,189,190<br />
Παπαδημητρίου Δ………………..59<br />
Παπαδόπουλος Δ……………….224<br />
Παπαδόπουλος Π……………….147<br />
Παπαδοπούλου Ε.Λ……………...45<br />
Παπαδοπούλου Η……………….242<br />
Παπάζογλου Σ…………………..189<br />
Παπαϊωάννου Γ.Ι………41,68,72,78<br />
Παπαϊωάννου Θ………………...114<br />
Παπανικολάου Ν………………..197<br />
Παπαπολυμέρου Ι………………..78<br />
Παρασκευόπουλος Κ.Μ..51,179,182,<br />
…………………….236,240,242,260<br />
Παρθένιος Ι……………………..190<br />
Πασχαλίδης Δ.Γ………………...108<br />
Πάτσης Γ.Π…………………...25,53<br />
Παυλίδου Ε………………...224,236<br />
Παυλοπούλου Ε………………...145<br />
Περγαντής Σ.Α…………………...47<br />
Περλεπές Σ……………………...124<br />
Περσεφόνης Π…………………...62<br />
Πετεκίδης Γ……………… 149<br />
Πετράκη Φ…………...12,64,228<br />
Πετρόπουλος Α…………...80,82<br />
Πέτρου Α…………………….20<br />
Πιζάνιας Μ.Ν……………….151<br />
Πινακίδου Φ……..8,218,220,264<br />
Πίσπας Σ…145,149,175,177,250<br />
Πίσσας Μ……………………96<br />
Πίσσης Π………………171,249<br />
Πολύζος Ι……………………62<br />
Πολυχρονιάδης Ε.Κ………..116<br />
Προυκάκης Π.Ν………….141<br />
Ρ<br />
Ράπτης Ι………………25,53,197<br />
Ράπτης Ι.Σ……………60,97,137<br />
Ράπτης Κ……………….137,262<br />
Ραπτοπούλου Α…………….124<br />
Ρεμεδιάκης Ι.Ν…………..29,251<br />
Σ<br />
Σακελλάρη Δ………………..116<br />
Σακκόπουλος Σ……………..228<br />
Σαλονίδου Α…………………10<br />
Σαλπέα Ε……………………137<br />
Σαμαράς Ι…………………….51<br />
Σανάκης Ι…………………...124<br />
Σαραφίδης Χ……………...90,92<br />
Σαργέντης Χ………………….76<br />
Σγούρου Ε.Ν…………………27<br />
Σερλέτης Χ………………90,106<br />
Σιμσερίδης Κ………………..181<br />
Σιούρης Ι.Μ…………….230,254<br />
Σιρανίδη Ε…………………..139<br />
Σιώκου Α……………………154<br />
Σκαρλάτος Δ…………………66<br />
Σκαρμούτσου Α…………….216<br />
Σόμπολος Ζ…………………214<br />
Σούκουλης Κ.Μ………..201,244<br />
Σουλιντζής Α.Λ……………..151<br />
Σπηλιώτης Α…………….23,197<br />
Σταθόπουλος Ν…………...84,86<br />
Σταύρου Ε……………...137,262<br />
Στεργιόπουλος Τ……….210,212<br />
Στεργίου Α……………..106,232<br />
Στεφανόπουλος Κ.Λ…………94<br />
Στεφάνου Ν…………….199,245<br />
Στόγιος Χ……………………...6<br />
Στρατάκης Ε……………153,207<br />
Συμεωνίδης Κ………….101,128<br />
Συμιανάκης Ε……………….204<br />
Τ<br />
Ταγματάρχης Ν…………...250<br />
Τάνης Ι…………………....169<br />
267
Τάσης Δ…………186,189,190<br />
Τερζής Π…………………...60<br />
Τζιτζιός Β.Κ………………216<br />
Τζιώγας Π……………224,226<br />
Τούμπας Ν………………..236<br />
Τραυλός Α……………….6,76<br />
Τριανταφυλλίδης Κ………256<br />
Τρικαλίτης Π.Ν……47,49,167,<br />
……………………….238,256<br />
Τρίτσαρης Γ………………152<br />
Τροχίδου Κ.Ν………..104,130<br />
Τσακαλούδη Β……………116<br />
Τσαμάκης Δ………………..76<br />
Τσάμης Χ……………….23,66<br />
Τσαμουρτζή Ν.Κ…………...49<br />
Τσαουσίδου Μ……………184<br />
Τσερέπη Α………………….55<br />
Τσερκέζης Χ……………....199<br />
Τσιαούσης Ι……..30,32,34,128<br />
Τσιάπα Ι………………201,244<br />
Τσιάππος Α…………..236,238<br />
Τσικρίκας Ν………………..25<br />
Τσιλίκα Ε………………….234<br />
Τσιρώνης Γ.Π……………..202<br />
Τσίτσιας Β………………...208<br />
Τσοπουρίδου Π…………...262<br />
Τσουκαλάς Δ………………21<br />
Τσουκλερής Δ…………….210<br />
Τυλλιανάκης Ε……….191,193<br />
Χανδρινού Χ……………….……..6<br />
Χαριτίδης Κ.Α………...216,226,258<br />
Χαριτωνίδης Ι…………………..226<br />
Χαρτοκονίδου Κ………………..242<br />
Χασάπης Θ……………………...260<br />
Χατζηισαάκ Α…………………..242<br />
Χατζηκρανιώτης Ε…51,236,240,260<br />
Χατζησταύρου Χ……………….182<br />
Χατζηχρηστίδη M………………197<br />
Χατζηχρηστίδης Ν…………145,166<br />
Χατζόπουλος Ζ…………………..41<br />
Χορτοκονίδου Κ………………..242<br />
Χούλης Σ.Α……………………..228<br />
Χριστόφιλος Δ………...173,187,247<br />
Χριστοφόρου Ε…………………112<br />
Χρυσάφης Κ………………..179,242<br />
Χρυσοπούλου Κ……………145,173<br />
ψ<br />
Ψαρράς Γ.Χ……………………..151<br />
Ψυχάρης Β…………………..124<br />
Φ<br />
Φακής Μ…………………...62<br />
Φαλάρας Π………208,210,212<br />
Φαρδής Μ…………………208<br />
Φαρμάκης Φ…………….23,70<br />
Φασάκη Ι…………………...23<br />
Φθενάκης Ζ.Γ……………..126<br />
Φιλιππίδης Α……………….47<br />
Φλούδας Γ…..147,162,164,166<br />
Φούλιας Σ.Δ………………156<br />
Φράγκης Ν…………..30,32,34<br />
Φραντζεσκάκης Δ………...143<br />
Φρουδάκης Γ.Ε…191,193,195,<br />
253<br />
Φυτά Μ.Γ…………………251<br />
Φυτάς Ν.Γ………………...135<br />
Φυτίλης Ι…………………...62<br />
Φωτιάδου Σ……………….173<br />
Χ<br />
Χαϊδόγιαννος Γ…………….64<br />
268
ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΥΓΓΡΑΦΕΩΝ<br />
(ΛΑΤΙΝΙΚΟ)
A<br />
Ando Y………………..247<br />
Aydogdu G.H…………133<br />
B<br />
Barenghi C.F..................141<br />
Belton C………………….4<br />
Blügel S……………….125<br />
Boscherini F…………….43<br />
Bradley D.D.C…………...4<br />
Butler W.H……………122<br />
C<br />
Cardin Ch.J……………108<br />
Chikoidze E.....................45<br />
Chiriak H.........................90<br />
Chshiev M.....................122<br />
Cobet Ch..........................59<br />
Conder K.......................139<br />
D<br />
Dawson M.D......................4<br />
Devlin E.<br />
Diaz-Avila M...................20<br />
Dietz M.........................164<br />
Doo X............................162<br />
E<br />
Elmahdy M.M................162<br />
Erko A...........................218<br />
Esser N............................59<br />
F<br />
Fric B............................173<br />
G<br />
Gan Y.............................108<br />
Η<br />
Habermeier H.-U...........133<br />
Hanbicki A.T...................18<br />
Hawke L.K……………181<br />
Heger G.........................110<br />
Hutanu V.......................110<br />
Huyberechts G................45<br />
I<br />
Isobe M..........................97<br />
Iwasa Y……………….247<br />
J<br />
Jackson B......................141<br />
Jani D.<br />
Jankovic L......................19<br />
Jonker B.T..................18,20<br />
K<br />
Kalitsov A...............118,122<br />
Kataura H......................247<br />
Kockelmann W.......230,254<br />
Koschny Th...................244<br />
L<br />
Ležaić M........................125<br />
Li C.H.........................18,20<br />
Lin C.L………………....99<br />
Liz-Marzan L……….....101<br />
Lupu N……………….....90<br />
Μ<br />
Maletin M……………..103<br />
Mantl S…………………..3<br />
Matolin V……………..154<br />
Menon M……………...126<br />
Merz M………………..110<br />
Meven M……………...110<br />
Mičusík M…………….249<br />
Mondeshki M...147,164,166<br />
Mravčáková M………...171<br />
Müllen K………….147,162<br />
Murray R………………...4<br />
Ν<br />
Nehasil V……………...154<br />
Nešpůrek S……………...64<br />
Normand P……………...21<br />
O<br />
Omastová M……...171,249<br />
P<br />
Pemble M.E…………...153<br />
Pionteck J……………...249<br />
Popović Z.V……………97<br />
Portale G………………145<br />
Pötschke P…………….249<br />
Prince K……………….154<br />
Prokein P.........................16<br />
R<br />
Rahman M.S......................5<br />
Rao K.V.........................120<br />
Ruymbeke van E............149<br />
Ružinský M.....................16<br />
S<br />
Sahonta S.-L…................14<br />
Salcianu C……………....14<br />
Šály V..............................16<br />
Sazonov A.......................94<br />
Sazonov A.P…………..110<br />
Scheloudko N..................90<br />
Shavel A........................101<br />
Sikolenko V.V...............110<br />
Simolensko V..................94<br />
Skala T..........................154<br />
Skoda M........................154<br />
Spiess H.W…..147,164,166<br />
Srdic V.V.......................103<br />
Stavrev S........................182<br />
Stoof H.T.C...................141<br />
Sutara F..........................154<br />
Svec P.....................112,114<br />
T<br />
Takenobu T....................247<br />
Thrush E.J………………14<br />
Thompson P.E………….18<br />
U<br />
Ueda Y.............................97<br />
V<br />
Verrelli E.........................21<br />
269
W<br />
Watson I.M………………4<br />
Wegner G.......................164<br />
Wagner T.......................260<br />
Wendler E........................43<br />
Wesch W.........................43<br />
Y<br />
Yasar M...........................20<br />
Yates H.M......................153<br />
Z<br />
Zhao X...........................247<br />
270