Από τα λεπτά υμένια στις νανοδομές και στις μεγάλης κλίμακας κατασκευές

Των Δημήτρη Παυλόπουλου*

& Χρήστου Σκοπετέα**

Από τα λεπτά υμένια στις νανοδομές και στις νάνο & μεγάλης κλίμακας κατασκευές.

 1.ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ

Η εξέλιξη της επιστημονικής έρευνας, πέρα της ικανοποίησης της έμφυτης ανάγκης του ανθρώπου για γνώση, είχε και ως παράλληλο στόχο την τεχνολογική εκμετάλλευση των επιστημονικών ανακαλύψεων. Η τεχνολογία επηρέασε την επιστήμη μέσω της χρήσης των επιστημονικών οργάνων και της παροχής προβλημάτων. Η επιστήμη από τη μεριά της επηρέασε την τεχνολογία μέσω της θεωρίας δίνοντας τους έτσι έναν ξεχωριστό χαρακτήρα, βρισκόμενες όμως σε άμεση αλληλεπίδραση και αλληλοεπιρροή. Αποτέλεσμα αυτών είναι η εξελικτική διαδικασία, που έχει σαν συνέπεια την πρόοδο και των δύο. Απόρροια της αναγκαιότητας για τεχνολογική και επιστημονική εξέλιξη, που υπήρξε η κινητήριος δύναμη δια μέσου των αιώνων, είναι η στροφή προς την μελέτη του μικρόκοσμου και η σημερινή προσπάθεια για θεμελίωση και ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας.

Η σημασία των ειδικών φυσικών χαρακτηριστικών τα οποία εμφανίζονται ως αποτέλεσμα νανοδομών έχει αναγνωριστεί πριν πολλές δεκαετίες. Εντούτοις μόνο πρόσφατα έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι που επιτρέπουν στους επιστήμονες να εφαρμόζουν προχωρημένες τεχνικές για την παρασκευή και τον χαρακτηρισμό των δομών αυτών. Σήμερα υπάρχει δυνατότητα δόμησης υλικών άτομο-άτομοήμόριο-μόριο. Η κατανόηση και ο έλεγχος των νανοδομών έγινε δυνατός με την εντυπωσιακή ανάπτυξη νέων πολύ καλυτέρων μεθόδων χαρακτηρισμού όπως η μικροσκοπία διαπερατότητας ηλεκτρονίων ΤΕΜ (TransmissionElectronMicroscopy). Η γνώση που αποκτάται μας βοηθά στην αποτελεσματικότερη χρησιμοποίηση θεωρητικών μεθόδων σχεδιασμού νέων υλικών για χρήσεις μεγάλης πρακτικής αξίας.

Μεγάλη σημασία για τη φυσική μελέτη των δομών αυτών έχουν τα φαινόμενα μεταφοράς ηλεκτρονίων σε νανοδομημένα υμένια και νανοσωματίδια ημιαγωγών. Οι ενεργειακές εφαρμογές που είναι δυνατές περιλάμβαναν φωτοβολταϊκά στοιχεία για τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισμό. Γίνεται εφαρμογή των μεθόδων φασματικής ευαισθητοποίησης με προσροφημένα μόρια χρωστικών σενανοσωματίδιαυμενίων όπως το TiO₂, ενώ υπάρχει δυνατότητα χρησιμοποίησης πολλών συνδυασμών χρωστικών και ημιαγωγών. Άλλες εφαρμογές περιλαμβάνουν υλικά όπως το WO₃ για ηλεκτροχρωμικά φαινόμενα καθώς και αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές νέου τύπου.

Η εξέλιξη της επιστημονικής έρευνας έδειξε ότι η σύνθεση και ο έλεγχος των υλικών σε διαστάσεις νανομέτρων αναδεικνύει νέες ιδιότητες και χαρακτηριστικά των υλικών και των συστημάτων. Έτσι, η ανάγκη για νέα, προηγμένα υλικά και συστήματα με νέες ιδιότητες οδήγησε προς τη Τεχνολογία των Λεπτών Υμενίων (ThinFilmTechnology). Πρέπει να γίνει σαφές ότι δεν υπάρχει κανένας φυσικός νόμος που να περιορίζει τη σύνθεση και τον έλεγχο της ύλης σε νανοκλίμακα και τη κατασκευή νανοδομών. Αντίθετα η νόμοι της Διάχυσης, της Θερμοδυναμικής και της Κβαντικής Φυσικής, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προσδιοριστούν οι αρχές που διέπουν την κίνηση και τις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα άτομα.

Βέβαια παραμένει το ερώτημα του πώς θα ήταν δυνατό να χειρίζονται ξεχωριστά και σε ικανοποιητικό βαθμό, τα άτομα για να πραγματοποιηθεί κάθε μια από τις προοπτικές που ανοίγει η τεχνολογία. Είναι αλήθεια ότι σήμερα, τα όργανα που έχουν την δυνατότητα να “δουν” και να διατάξουν άτομα και μόρια (scanningprobemicroscopies – SPM), πέραν του γεγονότος ότι έχουν μεγάλο ποσοστό σφαλμάτων στις λειτουργίες που επιτελούν, είναι και εξαιρετικά αργά, αφού χρειάζονται πολύ χρόνο για να χειριστούν ένα μικρό αριθμό ατόμων. Η απάντηση στο ερώτημα αυτό έρχεται μέσα από μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση και προς αυτήν τη κατεύθυνση έρχονται να βοηθήσουν τόσο η θεωρία, οι υπολογιστικές μέθοδοι, και η “αντιγραφή της φύσης”.

Η θεωρία σε συνδυασμό με τις υπολογιστικές μεθόδους (modelling),αποτελούν σημαντικότατες και θεμελιώδεις παραμέτρους στην Επιστήμη των Υλικών και ειδικότερα στη νανοτεχνολογία. Χρησιμοποιώντας τις θεμελιώδεις θεωρητικές αρχές της Φυσικής και της Χημείας που διέπουν τις καταστάσεις και τις ιδιότητες της ύλης, μπορούμε να σχεδιάσουμε και να προβλέψουμε νέα και πρωτοποριακά υλικά και διατάξεις με βελτιωμένες ιδιότητες και χαρακτηριστικά. Ο συνδυασμός των αναλυτικών – θεωρητικών αρχών με τις αριθμητικές – υπολογιστικές μεθόδους σε μια ευρεία κλίμακα μήκους και χρόνου  (πάνω από 10 τάξεις μεγέθους) καθιστά δυνατή τη κατανόηση της φύσης τω νυλικών, επιτρέποντάς μας να κάνουμε το επόμενο βήμα προς τη σχεδίαση νέων λειτουργικών υλικών.

Επίσης, σημαντικό ρόλο παίζει και η βασική ιδέα, που αποτελεί αντιγραφή της φύσης. Δηλαδή στη χρήση ολόκληρων μοριακών δομικών μονάδων (τα λεγόμενα molecularbuildingblocks – MBBs) για το χτίσιμο των επιθυμητών διατάξεων αντί για μεμονωμένων μορίων. Στην πραγματικότητα η ιδέα αυτή δεν είναι και τόσο καινούργια ούτε και τόσο πρωτοποριακή αφού τα MBBs συναντώνται σε όλους τους βιολογικούς οργανισμούς. Είναι ο τρόπος με τον οποίο πραγματοποιείται η μεταβίβασή των κληρονομικών χαρακτηριστικών από τους γεννήτορες στους απογόνους. Το DNA(DesoxyriboNucleicAcid) είναι στην ουσία μια αλληλουχία αζωτούχων βάσεων (αδενίνη, θυμίνη, γουανίνη, κυτοσίνη) τα οποία περιβάλλονται από μια διπλή έλικα κατασκευασμένη από μόρια σακχάρου (δεσοξυριβόζη) και μόρια που περιέχουν φώσφορο.

Στην πραγματικότητα, το DNA είναι ένα μεγαλομόριο, μια συστοιχία ενός μεγάλου αριθμού μορίων, το οποίο έχει την εκπληκτική ιδιότητα, στην οποία οφείλεται το ίδιο το φαινόμενο της ζωής, να μπορεί μέσα από πολύπλοκους μηχανισμούς, να αυτοοργανώνεται και να αυτοαναπαράγεται. Είναι μια βιολογική μοριακά δομημένη μονάδα, που με κατάλληλους μηχανισμούς μεταφέρει την γενετική πληροφορία αναπαράγοντας την έμβιαύλη. Είναι ένα φαινόμενο νανοτεχνολογίας υπαρκτό στον κόσμο πολύ πριν από τον ίδιο τον άνθρωπο.

Έτσι, αντί να επιχειρήσουμε να “κτίσουμε” μια νανοδομή άτομο προς άτομο( είναι πολύ πιο βολικό να χρησιμοποιήσουμε ολόκληρες μοριακές μονάδες αποτελούμενες από δεκάδες, εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες άτομα, όπως για παράδειγμα στους νανοσωλήνες άνθρακα (carbonnanotubes) οι οποίοι είναι στην ουσία ένα σύστημα, ένα σύνολο από εκατοντάδες άτομα(σχ.3.4).

1.1  ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ

Ως βάση της τεχνολογίας αυτής θεωρείται η διαδικασία και οι μηχανισμοί τηςεναπόθεσης των ατόμων ή μορίων από την αέρια φάση στην επιφάνεια ενός στερεού υλικού.

 

Εναπόθεση λεπτού  υμενίου πάνω σε επίπεδο υπόστρωμα. Η πορεία στρέψης του επιστημονικού ενδιαφέροντος προς τις ολοένα και πιο μικρές κλίμακες της ύλης.

  1.1.1 ΤΙ ΟΝΟΜΑΖΟΥΜΕ ΛΕΠΤΟ ΥΜΕΝΙΟ;

Λεπτό υμένιο ονομάζουμε την μικροδομή που δημιουργείται από τα ατομικά στρώματα ενός υλικού-εναποθέτη πάνω στην επιφάνεια ενός στερεού (bulk) υλικού, που η μια διάστασή του είναι τάξεις μεγέθους μικρότερη από τις άλλες δύο. Τα λεπτά υμένια, με πάχη που κυμαίνονται από λίγα nm έως και μερικά μm, έχουν ιδιότητες που είναισημαντικάδιαφορετικέςαπόαυτέςτωνστερεώνυλικώνκαιτωνεπιφανειών. Οι διαφοροποιήσεις αυτές είναι ιδιαίτερα σημαντικές όταν τα πάχη τους είναι πολύ μικρά ή στα πρώτα στάδια ανάπτυξής τους. Αυτές οι διαφορές οφείλονται κυρίως στη μικροδομική συγκρότηση και συσσωμάτωση που λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια του μετασχηματισμού των ελευθέρων ατόμων μιας αέριας φάσης απευθείας σε στερεά φάση.

Στις περισσότερες τεχνικές εναπόθεσης, τα λεπτά υμένια εναποτίθενται στηνεπιφάνειαενόςυλικούσεθερμοκρασίεςπολύμικρότερεςαποτομισότηςθερμοκρασίας τήξης του αντίστοιχου bulk υλικού. Ενώ η ανάπτυξη τους λαμβάνει χώρα κάτω από συνθήκες πολύ μακριά από τη θερμοδυναμική ισορροπία. Αυτές ακριβώς οι συνθήκες είναι υπεύθυνες για το σχηματισμό διαφόρων μετασταθών φάσεων, άμορφων και νανοδομικών υλικών(nanostructuredmaterials).

Η ανάπτυξη μονοστρωματικών ή πολυστρωματικών δομών λεπτών υμενίων, θα προσδώσει στο συνολικό σύστημα τις επιθυμητές ιδιότητες (φυσικές, χημικές, βιολογική δράση) που απαιτούνται για την συγκεκριμένη χρήση του, αλλά και νέες εξαιρετικές ιδιότητες που θα επεκτείνουν το πεδίο εφαρμογών του και τη διάρκεια  ζωής του.

Η Τεχνολογία των Λεπτών Υμενίων έχει γίνει το μέσο και το κατάλληλο εργαλείο για τη παραγωγή νέων προηγμένων υλικών και συστημάτων που παρουσιάζουν νέες, άγνωστες μέχρι σήμερα ιδιότητες και συμπεριφορά. Σε πολλές περιπτώσεις δίνουν τη δυνατότητα να αναδειχθούν και να παρατηρηθούν νέα φαινόμενα. Αυτές οι νέες ιδιότητες και χαρακτηριστικά με τη σειρά τους, καθιστούν τα Λεπτά Υμένια ιδανικά για ένα πλήθος επιστημονικών και τεχνολογικών εφαρμογών.

Μερικοί από τους τομείς που βρίσκουν εφαρμογές τα Λεπτά Υμένια( σχ.3.6) είναι οι εξής:

• Μικροηλεκτρονική
• Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές
• Τηλεπικοινωνίες
• Αισθητήρες (sensors)
• Βιοϋλικά (βιοσυμβατές,αντι-μικροβιακέςεπικαλύψεις)
• Οπτοηλεκτρονική
• Οπτική(ανακλαστικές, αντι-ανακλαστικές επικαλύψεις, απορροφητικές επικαλύψεις, κτλ).
• Επιφανειακή κατεργασία-προστασία    υλικών     (surface    engineering-materialsprotection)
• Χημικώς ενεργά υλικά (καταλυτικές επικαλύψεις, corrosionresistantcoatings, κτλ.)

Μερικές από τις εφαρμογές της Τεχνολογίας των Λεπτών Υμενίων. Μικροηλεκτρονική και στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές,. Επιφανειακή κατεργασία για τη προστασία υλικών και συστημάτων. Βιοϋλικά και Οπτική.

Επίσης η Τεχνολογία των Λεπτών Υμενίων χρησιμοποιείται εκτενώς και σε εφαρμογές μεγάλης κλίμακας(σχ.3.7), όπως π.χ.:

• Συσκευασία τροφίμων (foodpackaging)
• Κατασκευή εύκαμπτων    ηλεκτρονικών    διατάξεων    (επίπεδες    οθόνες απεικόνισης, φωτοβολταϊκά στοιχεία)
• Glassbuildings
• Διακοσμητική

Επικάλυψη  πολυμερικών  μεμβρανών για  τη  βελτιστοποίηση  των  ιδιοτήτων φραγμού (πάνω). Εύκαμπτες ηλεκτρονικές διατάξεις (flexibleflatdisplays,flexiblephotovoltaics) (κάτω)

   1.2 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ

Αναφέραμε ήδη γιατί η Παρασκευή λεπτών υμενίων έχει ιδιαίτερη σηµασία στην ενέργεια υδρογόνου. Οι µέθοδοι µε τη χρήση των οποίων µπορεί να κατασκευαστεί ένα υµένιο μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες:

1. Στις φυσικές µεθόδους. Χαρακτηριστική φυσική µέθοδο αποτελεί η απόθεση µε δέσµη ιόντων (ion-beamdeposition) καθώς και η επιταξία µε µοριακή δέσµη (molecular-beamepitaxy,MBE)
2. Στις χηµικές. Στις χηµικές ανήκουν δύο πολύ σηµαντικές µέθοδοι, η χηµική απόθεση από ατµό (ChemicalVaporDeposition, CVD) και η πιο πρόσφατη, τεχνική sol-gel η οποία χαρακτηρίζεται µε σαφή πλεονεκτήματα όπως θα φανεί παρακάτω έναντι των άλλων.
3. Στις υβριδικές (ως συνδυασµός των δύο πρώτων)

Τα πλεονεκτήματα κατασκευής λεπτών υµενίων βάση της sol-gel τεχνικής εν συγκρίσει µε τις συμβατικές μεθόδους κατασκευής τους είναι ότι καταρχάς απαιτείται λιγότερος εξοπλισµός και επομένως συµφέρει οικονοµικά. Επιπλέον, η τεχνική αυτή δίνει ακριβή έλεγχο πάνω στην τελική δοµή του υµενίου, το βαθµό τον οποίο αυτό καθίσταται πορώδες καθώς και την τελική επιφάνεια του. Τέλος είναι η τεχνική πουχρησιμοποιείταιπροκειμένουναεπιτευχθούνπάχηστηνκλίµακατουνανοµέτρου.

Η δοµή του υµενίου, πιο συγκεκριμένα, εξαρτάται από το μέγεθος και την έκταση της διακλάδωσης του υλικού που αποτελεί το διάλυµα, πριν την απόθεση του πάνω στην επιφάνεια, ενώ η δοµή του υµενίου εξαρτάται επιπλέον και από το ρυθµό συμπύκνωσης και εξάτμισης κατά το στάδιο αυτό.

Πρώτες ύλες χρησιμοποιούνται ανόργανα υλικά. Υπάρχουν δύο μέθοδοι για την κατασκευή λεπτών υµενίων βάση της sol-gel τεχνικής. Η επικάλυψη µέσω βύθισης (dipcoating) και η επικάλυψη µέσω περιστροφής (spincoating). Η κάθε µία από τις οποίες μπορούν να χωριστούν σε επιμέρους στάδια και διέπονται, γενικά, από τις ίδιες φυσικές αρχές.

           1.2.1 ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ ΜΕΣΩ ΒΥΘΙΣΗΣ

Η πρώτη μέθοδος είναι αυτή της επικάλυψης µέσω βύθισης (dipcoating). Τα στάδια της είναι πέντε και έχουν ωςεξής

1. Βύθιση(immersion)
2. Εκκίνηση(start-up)
3. Απόθεση(deposition)
4. Αποστράγγιση(drainage)
5. Εξάτµιση(evaporation)

Αν το διάλυμα που χρησιμοποιείται είναι πτητικό, τότε το στάδιο της εξάτμισης συνήθως συνοδεύει αυτά της εκκίνησης, απόθεσης και αποστράγγισης.

Κατά  τη βύθιση, το προς επικάλυψη υπόστρωμα (substrate) βυθίζεται στο διάλυµα, µέχρι να καλυφθεί εντελώς από αυτό. Κατά την εκκίνηση το υπόστρωµα αρχίζει να κινείται ακριβώς αντίθετα µε πριν µεταφέροντας µαζί του και µέρος του διαλύµατος, αυτό που βρίσκεται πολύ κοντά σε αυτό. Καθώς αποµακρύνεται από το διάλυµα, στο επόµενο στάδιο της απόθεσης, µέρος του διαλύµατος παραµένει επάνω σε αυτό ενώ συντελείται και µέρος της αποστράγγισης αφού το µεγαλύτερο µέρος του διαλύµατος επιστρέφει στο δοχείο που περιέχεται. Η αποστράγγιση ολοκληρώνεται αφού το υπόστρωµα έχει αποµακρυνθεί εντελώς από το δοχείο και τότε είναι που λαµβάνει χώρα το στάδιο της εξάτµισης, όπου µέρος του διαλύµατος εξατµίζεται και εποµένως µικραίνει σε όγκο και σκληραίνει.

Γενικά, το πάχος του υµενίου εξαρτάται από τη γραµµή ροής που διαχωρίζει προς τα πάνω και προς τα κάτω  κινούµενα  στρώµατα  του διαλύµατος γύρω από την επιφάνεια του υποστρώµατος. Η θέση αυτή της γραµµής καθορίζεται από τους εξής παράγοντες: τη δύναµη λόγω ιξώδους καθώς η επιφάνεια κινείται προς τα επάνω, τη δύναμη της βαρύτητας και τη συνισταμένη των επιφανειακών τάσεων στον κοίλο μηνίσκο που σχηματίζεται κατά την απομάκρυνση του υποστρώματος από το δοχείο (την περιοχή δηλαδή που “τέμνονται” οι επιφάνεια του διαλύματος και η προς επικάλυψη επιφάνεια). Στην ειδική περίπτωση που το ιξώδες και η ταχύτητα απομάκρυνσης είναι αρκετά υψηλά, το πάχος είναι αυτό στο οποίο επέρχεται ισορροπία μεταξύ των δυνάμεων λόγω ιξώδους και της βαρυτικής δύναµης.

Οι εξισώσεις που περιγράφουν τη δηµιουργία του υµενίου παρουσιάζουν αποκλίσεις σε αρκετές περιπτώσεις για διαλύµατα διαφόρων pH. Επιπλέον λόγοι είναι η µη ιδανική συµπεριφορά της ελεύθερης επιφάνειας καθώς επίσης η µη Νευτώνεια συµπεριφορά του διαλύµατος, η οποία θεωρείται δεδοµένη στις εξισώσεις αυτές.

Στο στάδιο της εξάτµισης είναι τοτε που ουσιαστικά συντελείται η στερεοποίηση του υµενίου (και εποµένως η λέπτυνση του), αν και συµπύκνωση του υλικού έχουµε ήδη από το στάδιο της απόθεσης και αποστράγγισης, ωστόσο µε µικρότερο ρυθµό. Ο πιο σηµαντικός παράγοντας για το ρυθµό στερεοποίησης στο στάδιο της εξάτµισης είναι ο ρυθµός µε τον οποίο διοχετεύεται ο εξατµισµένος ατµός µακριά από το υµένιο. Ο τελευταίος εξαρτάται από την κίνηση του υποστρώµατος εν µέρει, αλλά ο πιο ουσιαστικός παράγοντας είναι οι εξωτερικές συνθήκες που επικρατούν πάνω από το διάλυµα.

Όπως ήδη είδαµε στις παραπάνω εξισώσεις όσο πιο µικρή είναι η ταχύτητα αποµάκρυνσης του υλικού από το διάλυµα τόσο πιο µικρό είναι το πάχος του υµενίου που προκύπτει. Παράλληλα τόσο πιο µεγάλο είναι το µέρος που τα στάδια της απόθεσης και αποστράγγισης αλληλεπικαλύπτονται.

3.1.2 ΕΠΙΚΑΛΥΨΗΜΕΣΩΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗΣ

Η επικάλυψη µέσω περιστροφής (spincoating) χωρίζεται σε τέσσερα επιµέρους στάδια:

1. Απόθεση (deposition)
2. Επιτάχυνση (spin-up)
3. Αποµάκρυνση (spin-off )
4. Εξάτµιση (evaporation)

Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση το στάδιο της εξάτµισης µπορεί να συντελείται ταυτόχρονα µε τα άλλα στάδια. Στο πρώτο στάδιο, ποσότητα ρευστού τοποθετείται επάνω στην επιφάνεια του υποστρώµατος. Ακολουθεί το στάδιο της επιτάχυνσης όπου η επιφάνεια αρχίζει να περιστρέφεται, µε σταθερή γωνιακή επιτάχυνση έτσι ώστε το ρευστό να κινηθεί προς την περίµετρο εξαιτίας της φυγοκέντρου δύναμης που αναπτύσσεται.

Στο  επόµενο  στάδιο  η  περίσσεια  του    ρευστού αποµακρύνεται µε τη µορφή σταγονιδίων καθώς αυτή συνεχίζει να κινείται προς την περίµετρο της περιστρεφόµενης επιφάνειας. Ο ρυθµός µε τον οποίο συντελείται η αποµάκρυνση µειώνεται καθώς µειώνεται και η ποσότητα του υµένιο που απομένει πάνω στην επιφάνεια, λόγω της αυξανόµενης αντίστασης ροής που παρουσιάζει σταδιακά το ρευστό. Αυτό οφείλεται στο ότι αυξάνεται η συγκέντρωση των µη πτητικών στοιχείων του διαλύµατος, η οποία προκαλεί µε τη σειρά της αύξηση του ιξώδους. Τέλος, η εξάτμιση αναλαµβάνει τον πρωταρχικό ρόλο στη στερεοποίηση και λέπτυνση του υµενίου.

Πλεονέκτηµα αυτής της µεθόδου έναντι της προηγούµενης είναι ότι από αυτήν προκύπτουν υλικά µε τάση να παρουσιάσουν οµοιοµορφία στο πάχος.

  1.3 Η ΧΡΗΣΗ ΛΕΙΖΕΡ  ΓΙΑ   ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗ ΕΜΦΥΤΕΥΣΗ ΕΞΩΤΕΡΙΚΩΝ ΠΡΟΣΜΙΞΕΩΝ ΣΕ ΛΕΠΤΑ ΥΜΕΝΙΑ

 Μια νέα τεχνική που βασίζεται στην παλμική εναπόθεση με λέιζερ (PLD,pulsedlaserdeposition)  και επιτρέπει τον έλεγχο της περιεκτικότητας καιτην κατανομή εξωτερικών προσμίξεων σε ημιαγώγιμες νανοδομές λεπτών υμενίων αναπτύχθηκε στο Ινστιτούτο Θεωρητικής και Φυσικής Χημείας του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών (ΙΘΦΧ/ΕΙΕ), σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Ατομικής Φυσικής στο Βουκουρέστι της Ρουμανίας. Η μέθοδος αυτή ειδικεύεται σε εφαρμογές των οπτικών τεχνολογιών στην βιομηχανία.

Η τεχνολογία λεπτών υμενίων (thinfilms) αποτελεί σήμερα τη βάση πολλώνκλάδωντηςοπτο-ηλεκτρονικής βιομηχανίας. Οι εφαρμογές εκτείνονται από την ανάπτυξη οθονών TFT,φωτοβολταϊκών και θερμο-ηλεκτρικώνστοιχείων, ανιχνευτών τοξικών αερίων μέχρι εφαρμογές στις τηλεπικοινωνίες ως δισδιάστατοικυματοδηγοί, οπτικοί ενισχυτές λέιζερ,LED’sκ.ά.

Η εμφύτευση (doping) εξωτερικών στοιχείων σε λεπτά υμένια παίζει ουσιαστικό ρόλο στη μεταβολή των μορφολογικών (π.χ.κρυσταλλικότητα), των ηλεκτρικών (αγωγιμότητα) και των οπτικών (απορρόφηση/ανάκλαση, εκπομπή φωταύγειας) ιδιοτήτων των λεπτών υμενίων. Η ανάγκη βελτιστοποίησης όλων των παραπάνω παραμέτρων για κάθε συγκεκριμένη εφαρμογή είναι προφανής, και αυτόκαθιστά την ελεγχόμενη εμφύτευση εξωτερικών προσμίξεων ένα σημαντικό κομμάτι της διαδικασίας παραγωγής τέτοιων νανοδομών.

Σήμερα υπάρχει μία πληθώρα τεχνικών εναπόθεσης λεπτών υμενίων, με πιο γνωστές τη χημική εναπόθεση ατμών(CVD), την ιοντοβολή (sputtering), την επιταξία με μοριακές δέσμες (MBE) και τη μέθοδο PLD που αναπτύσσεται ραγδαίως τα τελευταία χρόνια. Η μέθοδος PLD χαρακτηρίζεται κυρίως από τη σχετική απλότητά της και από το ότι μπορεί να εφαρμοστεί για την εναπόθεση σχεδόν κάθε υλικού.

Η αρχή λειτουργίας της βασίζεται στην εστίαση ενός ισχυρού παλμού λέιζερ πάνω σε ένα στόχο με αποτέλεσμα την εξαέρωση ενός μέρους της επιφάνειας του υλικού. Τα σωματίδια διατρέχουν μία απόσταση μερικών εκατοστών υπό συνθήκες υψηλού κενού και εναποτίθενται σε ένα θερμαινόμενο ή μη υπόστρωμα (πυρίτιο, γυαλί ή άλλο). Έτσι, με κάθε παλμό λέιζερ, το υμένιο σχηματίζεται με αλλεπάλληλαστρώματα υλικού. Μία ενδιαφέρουσα κατηγορία λεπτών υμενίων που παράγονται με την PLD είναι τα μεταλλικά οξείδια γιατί είναι διαφανή και έχουν μικρή ηλεκτρικήαντίσταση,ιδιότητεςχρήσιμεςσεπολλέςοπτο-ηλεκτρονικές εφαρμογές.

Στην πλειονότητα των περιπτώσεων η εμφύτευση εξωτερικών ατόμων, για τους λόγους που προαναφέρθηκαν, γίνεται μετά την εναπόθεση με βομβαρδισμό του υμενίου με δέσμες ταχέως κινούμενων ιόντων. Εκτός από το κόστος και την πολυπλοκότητα της συσκευής, υπάρχει ο κίνδυνος καταστροφής του πλέγματος του υμενίου από τα ιόντα και μόλυνσης της επιφάνειας του υμενίου κατά τη μεταφορά του από τον χώρο εναπόθεσης στη συσκευή εμφύτευσης.

Επιπλέον είναι δύσκολος ο έλεγχος κατανομής των ατόμων εμφύτευσης και η όλη διαδικασία περιορίζεται σε μονοστρωματικά (δηλ. ενός είδους) υμένια, ενώ δεν εφαρμόζεται σε πολυστρωματικές δομές με διαφορετικές απαιτήσεις εξωτερικών ατόμων πρόσμιξης σε κάθε στρώμα.  Όλα αυτά τα προβλήματα λύνονται με την

Εμφύτευση κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης, όπως γίνεται στη περίπτωση της μεθόδου ΜΒΕ. Όμως, οι συσκευές ΜΒΕ έχουν μεγάλο κόστος αγοράς και πολλές απαιτήσεις από το σύστημα άντλησης λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που απαιτούνται για τη λειτουργία των φούρνων των ατομικών δεσμών. Επίσης έχουν πολύπλοκα κινούμενα μηχανικά μέρη μέσα στον θάλαμο εναπόθεσης και απαιτούν μεγάλη ποσότητα υλικού.

Η μέθοδος που αναπτύχθηκε από την ελληνική ερευνητική ομάδα στο ΙΘΦΧ/ΕΙΕ είναι ένα “πάντρεμα” των μεθόδων εναπόθεσης PLD και ΜΒΕ χωρίς τα μειονεκτήματα της τελευταίας. Σημειώνεται ότι προσπάθειες εμφύτευσης προσμίξεων με την PLD έχουν γίνει ήδη στο παρελθόν με την χρήση προ-αναμεμιγμένων (σύνθετων) στόχων. Πέρα από το κόστος παρασκευής του κάθε στόχου με την επιθυμητή αναλογία, έχει αποδειχθεί ότι η στοιχειομετρία του υμενίου δεν ήταν πάντοτε η αναμενόμενη. Αντίθετα, η νέα μέθοδος παρακάμπτει αυτά τα προβλήματα, επιλέγοντας δύο ανεξάρτητα και συγχρονισμένα παλμικά λέιζερ και δύο στόχους.

Το πρώτο “ισχυρό” λέιζερ, με σταθερή ενέργεια παλμού, χρησιμοποιείται για την εναπόθεση του πλέγματος-δέκτη, ενώ το δεύτερο λέιζερ χρησιμοποιείται για την αποδόμηση του στόχου του υλικού πρόσμιξης στο πλέγμα. Έτσι το σύστημα “δέσμη λέιζερ-στόχος” ισοδυναμεί με μία πηγή ατομικής δέσμης της μεθόδου ΜBE.Ελέγχοντας την ενέργεια δέσμης του δεύτερου λέιζερ ή τον αριθμό των παλμών του, επιτυγχάνεται ο πλήρης έλεγχος της αποδομούμενης ποσότητας, της περιεκτικότητας αλλά και του πάχους του στρώματος εμφύτευσης της εξωτερικής πρόσμιξης.

Το εργαστήριο του ΙΘΦΧ/ΕΙΕ χρησιμοποιεί δύο παλμικά λέιζερ με δυνατότητα εκπομπής δέσμης στο υπέρυθρο (IR), ορατό (VIS) και υπεριώδες (UV) μέρος του φάσματος. Αυτό δίνει μεγάλη ευελιξία ως προς τη δυνατότητα επιλογής του μήκους κύματος και της ενέργειας παλμού, ανάλογα με τις οπτικές ιδιότητες των στόχων. Η όλη διάταξη εναπόθεσης (σχ. 3.11) συμπληρώνεται με μία κινητή βάση μέσα στον θάλαμο εναπόθεσης, όπου τοποθετούνται πολλοί στόχοι που επιλέγονται ανά δύο με την χρήση Η/Υ.

Έτσι καθίσταται δυνατή και η εναπόθεση πολυστρωματικών δομών με διαφορετική κάθε φορά σύσταση και πρόσμιξη, επιλέγοντας μόνον τις παραμέτρους των λέιζερ κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης (σε πραγματικό χρόνο). Το τελευταίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό, γιατί ο χρόνος για πολύπλοκες δομές ελαχιστοποιείται και η μόλυνση της διεπιφάνειας μεταξύ των διαφόρων στρωμάτων αποφεύγεται.

H παραπάνω τεχνική εφαρμόστηκε με επιτυχία για πρώτη φορά στο ΙΘΦΧ/ΕΙΕ σε υμένιο οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO) με εμφύτευση ατόμων αλουμινίου. Η επιλογή του ZnO έγινε γιατί τα τελευταία χρόνια υπάρχει τεράστιο ενδιαφέρον για το συγκεκριμένο οξείδιο, λόγω των σημαντικών ηλεκτρο-οπτικών ιδιοτήτων του για βιομηχανικές εφαρμογές. Όπως επισημαίνει ερευνητής του ΙΘΦΧ, “Πρόκειται για μια καινοτόμο τεχνική η οποία μπορεί να εφαρμοστεί, καταρχήν, για εμφύτευση οποιουδήποτε υλικού σε οποιοδήποτε υμένιο.

1.4 ΤεχνικήSol-Gel

Ητεχνικήsol-gel χρησιµοποιείται ευρέως για την κατασκευή κεραμικών και υαλικών υλικών. Η sol-gel στα πλαίσια της ενέργειας υδρογόνου είναι αρκετάχρήσιμη καθώς µας επιτρέπει την παρασκευή νανοδοµηµένων λεπτών υµενίων µε καταλυτικές ιδιότητες, οι οποίες όπως ήδη αναφέραµε παίζουν καθοριστικό ρόλο σε κάθε τοµέα της ενέργειας υδρογόνου.

Η αρχή της στηρίζεταιστη μετατροπή ενός συστήματος απόµίακολλοειδήυγρήµορφήδιεσπαρµένωνσωµατιδίων(sol)στηστερεήμορφή(gel)ενόςδιασυνδεόµενου δικτύου πολυµερών αλυσίδων µέσου µήκους µεγαλύτερου του ενόςµικροµέτρου µε πόρους διαστάσεων κάτω του ενός µικροµέτρου. Ο όρος gel εισάγειµίαποικιλία υλικών τα οποίαµπορούµεναχωρίσουµεσετέσσεριςκατηγορίες

1. Καλά διατεταγµένες µεµβρανώδεις δοµές.
2. Οµοιοπολικά πολυµερή δίκτυα πλήρως ακατάστατα.
3. Πολυµερή δίκτυα που σχηµατίστηκαν µέσω φυσικής συσσωµάτωσης, κυρίως ακατάστατα.
4. Μερικώς ακατάστατες δοµές.

Μία κατάσταση gel µπορεί να δηµιουργηθεί µε τις εξής δυο µεθόδους

1. Μεζελατινοποίηση(gelation) του διαλύµατος της κολλοειδούς σκόνης.
2. Με υδρόλυση και πολυσυµπύκνωση αλκοξειδίων ή νιτρικών ενώσεων.

Οι πρώτες ύλε ςδηλαδή µπορεί να είναι όπως µόλις είδαµε, οργανικής ή µ ηοργανικής φύσεως.

Μία τυπική διαδικασία χωρίζεται συνοπτικά στο µέρος προετοιµασίας του διαλύµατος από κάποια κατάλληλη πρώτη ύλη, στο µέρος της ζελατινοποίησης του(gelation) και τέλος στο µέρος αποµάκρυνσης το υεναποµείναντος υγρού µέρους, δηλαδή του διαλύτη (solvent) ώστε να προκύψει το τελικό προϊόν.

Εφαρµογές της τεχνική ςαυτής είναι η κατασκευή:

• Λεπτώνυµενίων.
• Ανόργανων µεµβρανών µε µικροπόρους.
• Κεραµικώνινών.
• Υπέρλεπτες ή σφαιρικής µορφής σκόνες.
• Σύνθετα υλικά µε χρήση παραπάνω της µίας πρώτης ύλης.

3.1.3 ΣΤΕΡΕΑ ΜΟΡΦΗ GEL

 Το υγρό που περιέχεται µεταξύ των πόρων του gel στο τέλος µπορεί να αφαιρεθεί µετατρεπόµενο σε αέρια φάση κάτω από υπερκρίσιµες συνθήκες (ξήρανση σε συνθήκες κρίσιµου σηµείου). Γνωρίζουµε πως κρίσιµο σηµείο (criticalpoint)ονοµάζεταιοσυνδυασµόςθερµοκρασίαςκαιπίεσηςκατάτονοποίοηµετάβασηαπότηνυγρήσεαέριαφάσηγίνεταιχωρίςλανθάνουσα ενέργεια(µετάβαση 2ης τάξης). Τότε το διασυνδεδεµένο δίκτυο των αλυσίδων του gel διατηρείτις διαστάσεις του χωρίς να καταρρέει και παράγεται ένα υλικό χαµηλής πυκνότητας που ονοµάζεται aerogel. Xerogel ονοµάζεται το προϊόν που προκύπτει µε κατάρρευση του δικτύου των αλυσίδων του gel και τη συρρίκνωση του αφού το υγρό του gel αφαιρεθεί σε συνήθη πίεση µε θερµική εξάτµιση(drying).

Τέλος,έναυλικόgelαπότοοποίοτοφυσικάπροσροφηµένονερόέχειαποµακρυνθείεντελώςονοµάζεταιξηραµένο(dried),κάτιτοοποίογίνεταισεθερµοκρασίες µεταξύ 100⁰C και 180⁰C . Ταπερισσότεραgelείναι  άµορφα  ήαλλιώςµηκρυσταλλικάανκαιµπορούν  να µετατραπούν   σε   τέτοιαµεθέρµανση.

Η θερµική επεξεργασία το υgel σε υψηλέςθερµοκρασίες µειώνειτοναριθµότωνπόρωνκαιτηδιασύνδεσητουςλόγωσυνένωσηςτωνκόκκωντουυλικού (sintering) και ονοµάζεται πυκνοποίηση του υλικού (densification). Το όριο αυτής της διαδικασίας εµφανίζεται όταν το πορώδες gel έχειµετατραπείπλήρωςσεένα συνεκτικό υαλώδες υλικό χωρίς πόρους. Η θερµοκρασία πυκνοποίησης είναι ανάλογη του µεγέθους τωνπόρων και αντιστρόφως ανάλογη της ειδικής επιφάνειαςτουgel.

   1.4.2 ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ SOL-GEL

Θέλοντας να γίνουµε λίγο περισσότερο αναλυτικοί χωρίζουµε τη διαδικασία sol-gel σε 7 ξεχωριστά βήµατα:

1. Ανάµιξη.
2. Μορφοποίηση.
3. Ζελατινοποίηση.
4. Γήρανση.
5. Ξήρανση.
6. Αφυδάτωση.
7. Πυκνοποίηση.

Εξετάζουµε παρακάτω αυτά τα βήµατα αναλυτικότερα.

1) ΣΤΑΔΙΟ ΑΝΑΜΙΞΗΣ

Στην πρώτη µέθοδο η οποία  αναφέρθηκε  παραπάνω  για  την κατασκευή του gel (ζελατινοποίηση του διαλύµατος της κολλοειδούς σκόνης) το αιώρηµα των κολλοειδών σωµατιδίων, sol, σχηµατίζεται µε ανάµιξη των κολλοειδών σωµατιδίων σε νερό µε τέτοιο τρόπο ώστε να µην καταβυθίζονται τα σωµατίδια. Στη δεύτερη µέθοδο (υδρόλυση και πολυσυµπύκνωση αλκοξειδίων ήνιτρικών ενώσεων), έχουµε την υδρόλυση ενός αλκοξειδίου.

Τα ενυδατωµένα µόρια του πυριτίου τετραεδρικής δοµής ενώνονται στη συνέχεια µεταξύ τους. Το νερό το οποίο παράγεται παραµένει εντός των πόρων του δικτύου. Για ικανοποιητικό βαθµό δεσµών έχουµε συµπεριφορά του µίγµατος παρόµοια µε αυτή ενός κολλοειδούς αιωρήµατος sol. Το pH του διαλύµατος και ο λόγος των συγκεντρώσεων του νερού προς το υαλκοξειδίου καθορίζουν το µέγεθος των σωµατιδίων και το βαθµό διασύνδεσης τους.

Οι αντιδράσεις υδρόλυσης και πολυσυµπύκνωσης είναι αυτές οι οποίες καθορίζουν τη δοµή του gel. Εξάλλου, το διάλυµα το οποίο έχει προκύψει µετά το τέλος αυτού του βήµατος µπορεί να χρησιμοποιείται αυτούσιο για την κατασκευή λεπτών υµενίων. Οι αντιδράσεις αυτές καθορίζονται από τη θερµοκρασία, τη φύση και τη συγκέντρωση του αρχικού διαλύµατος. Αυτοί οι παράγοντες στην ουσία καθορίζουν τις σταθερές ταχύτητας των αντιδράσεων υδρόλυσης και πολυσυµπύκνωσης. Προκειµένου να µελετήσουµε πως αυτοί επηρεάζουν την όλη διαδικασία πρέπει να γνωρίζουµε το λόγο αυτών των δύο σταθερών.

2) ΣΤΑΔΙΟ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗΣ ΚΑΙ ΖΕΛΑΤΙΝΟΠΟΙΗΣΗΣ

Στο βήµα της µορφοποίησης (casting) εκµεταλλευόµαστε το χαµηλό ιξώδες το οποίο διατηρεί το sol για να δώσουµε συγκεκριµένη µορφή σε αυτό µέσω καλουπιού. Ακολουθεί το βήµα της ζελατινοποίησης ή πύκτωσης όπου, σταδιακά, εµφανίζεται ένα δίκτυο από τα κολλοειδή σωµατίδια (πρώτη µέθοδος) ή τασυµπυκνωµένα χηµικά είδη του πυριτίου (µέσω της δεύτερης µεθόδου).

Η αύξηση της πυκνότητας του υλικού γίνεται απότοµα, όπως εξάλλου γίνεται και µε το ιξώδες, και λαµβάνει χώρα η δηµιουργία του στερεού, µιας πολυµερούςδοµής. Το σηµείο όπου κάθε σωµατίδιο του sol αποτελεί µέρος ενός µακροµορίου του gel ονοµάζεται σηµείο ζελατινοποίησης (gelationpoint). Το σηµείο αυτό είναι δύσκολο να καθοριστεί ενώ ο χρόνος που απαιτείται για να επιτευχθεί αυτό ονοµάζεται χρόνος ζελατινοποίησης tg.

Καθορίζοντας το ιξώδες του συστήµατος µπορούµε στην ουσία να οδηγήσουµε το τελικό προϊόν προς µία συγκεκριµένη κατεύθυνση όπως στη δηµιουργία υµενίου επικάλυψης ή µονόλιθου. Για λεπτά υµένια απαιτούνται συγκεντρώσεις της τάξεως αρκετών δεκάδων γραµµαρίων ο ξειδίου στο λίτρο.

3) ΣΤΑΔΙΟ ΓΗΡΑΝΣΗΣ ΚΑΙ ΞΗΡΑΝΣΗΣ

Κατά τη γήρανση (aging) ή αλλιώς συναίρεση (syneresis) γίνεται ο διαχωρισµός του υγρού µέρους από το υπόλοιπο στερεό. Το βήµα αυτό µπορεί να κρατήσει από ώρες µέχρι µέρες. Κατά τη διάρκεια του συνεχίζουν να πραγµατοποιούνται αντιδράσεις πολυσυµπύκνωσης καθώς τα µέρη του µακροµορίου µπορούν να κινούνται µέσα στο ρευστό. Κατά αυτό τον τρόπο αυξάνεται η µηχανική αντοχή του στερεού καθώς οι πόροι όλο και µειώνονται σε όγκο, κάνοντας το δίκτυο πιο συνεκτικό. Κατά τη συναίρεση, το δίκτυο συρρικνώνεται περισσότερο καθώς αποβάλλεται το υγρό από τους πόρους.

Εκτός από τη συναίρεση και την πολυσυµπύκνωση, διαδικασίες όπως µεταβολές φάσεων και εκτράχυνσης (coarsening) µπορούν επίσης να λάβουν χώρα. Εκτράχυνση είναι η µη αντιστρεπτή µείωση της ειδικής επιφάνειας λόγω φαινόµενων διαλύσεως και επανακαταβύθισης στην επιφάνεια των σωµατιδίων του δικτύου. Η µεταβολή φάσεων αντιπροσωπεύει την πορεία του σχηµατιζόµενου στερεού σε πιο σταθερές θερµοδυναµικά καταστάσεις. Το στάδιο της γήρανσης µπορεί να επιταχυνθεί µε τεχνητά µέσα και όπως φαίνεται παραπάνω, είναι ένας επιπλέον παράγοντας που καθορίζει την τελική δοµή του προϊόντος.

Στη συνέχεια λαµβάνει χώρα το στάδιο της ξήρανσης (drying), το υγρό αφαιρείται από τα διάκενα µεταξύ των πόρων ενώ η µείωση αυτή του όγκου του gel είναι ανάλογη της απώλειας υγρού λόγω εξατµίσεως. Η εµφάνιση ισχυρών τριχοειδών φαινόµενων σε πόρους µικρής ακτίνας, µικρότερης δηλαδή των 20nm, έχουν ως αποτέλεσµα σπάσιµο(cracking)τουgel.

Οι πόροι στα gel που παράγονται, για παράδειγµα υπό όξινα καταλυόµενη αντίδραση αλκοξειδίων, έχουν µέγεθος µικρότερο των5nm. Για να αποφευχθεί αυτό, η διεργασία ξήρανσης ελέγχεται µε µείωση της επιφανειακής τάσης του υγρού. Προς το τέλος της ξηράνσεως η απώλεια βάρους είναι µικρή και το υγρό εξατµίζεται εντός των όρων και αποµακρύνεται µέσω διάχυσης των ατµών προς την επιφάνεια. Η ταχύτητα εξάτµισης του gel στην αρχή του σταδίου µειώνεται µε την πάροδο τουχρόνου.

4) ΣΤΑΔΙΟ ΑΦΥΔΑΤΩΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΠΟΙΗΣΗΣ

 Η αποµάκρυνση των επιφανειακών οµάδων του Si − OH και του νερού από το δίκτυο των πόρων έχει ως αποτέλεσµα το σχηµατισµό ενός χηµικά σταθερού πορώδους στερεού. Αυτό αποτελεί και το στάδιο της αφυδάτωσης ή χηµικής σταθεροποίησης (dehydration,chemicalstabilization). Το πορώδες υλικό το οποίο παράγεται µε αυτόν τον τρόπο είναι οπτικά διαφανές και χαρακτηρίζεται από αρκετή µηχανική αντοχή, υλικό µε οπτικές εφαρµογές εάν εµποτισθεί µε οπτικώς ενεργά πολυµερή.

Αν το νερό παραµένει στο gel σαν φυσικά προσροφηµένο τότε µπορεί να αφαιρεθεί µε θέρµανση στους 170⁰C ενώ ταυτόχρονα οι επιφανειακές υδροξυλοµάδες συµπυκνώνονται. Με περαιτέρω αύξηση της θερµοκρασίας η αφυδάτωση συνεχίζεται ενώ µέχρι και τη θερµοκρασία των 400⁰C η διαδικασία αυτή είναι αντιστρεπτή. Συνεχίζοντας, για ακόµα µεγαλύτερες θερµοκρασίες η διαδικασία της αφυδάτωσης αποκτά µη αντιστρεπτό χαρακτήρα και έχει ως αποτέλεσµα τη συρρίκνωση και τη θερµική συνένωση(sintering) κατά µήκος των πόρων.

Στη θερµοκρασία των 850⁰C βρισκόµαστε στο σηµείο όπου οι επιφανειακές υδροξυλοµάδες αντιδρούν µεταξύ τους φέρνοντας κατά αυτόν τον τρόπο τα επιµέρους σηµεία του κυρίου σώµατος πιο κοντά. Όση ποσότητα νερού παραµένει ακόµα εντός των πόρων του στερεού εγκλωβίζεται µέσα σε αυτό.

Για ακόµα µεγαλύτερες θερµοκρασίες τα υδροξύλια αποκόπτονται από την επιφάνεια και αρχίζει η πυκνοποίηση του υλικού. Τελικό βήµα της διαδικασίας είναι το βήµα της πυκνοποίησης στο οποίο αναφερθήκαµε και παραπάνω. Αυτή συµβαίνει στην περιοχή των θερµοκρασιών από 1000⁰C µέχρι 1700⁰C περίπου, θερµοκρασίες οι οποίες ωστόσο καθορίζονται από το µέγεθος των πόρων και την ειδική επιφάνεια του υλικού.

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ

Τα πλεονεκτήματα της τεχνικής αυτής σε σύγκριση µε τις συµβατικές µεθόδους παρασκευής, είναι ενδεικτικά:

• Μεγάλες ποσότητες προϊόντων.
• Προϊόντα µε καλύτερη οµοιογένεια.
• Καλύτερη καθαρότητα (µέχρικαι99,99%).
• Απαιτούνται µικρότερες θερµοκρασίες µε αποτέλεσµα την εξοικονόµηση ενέργειας.
• ∆ίνει εύκολα ειδικά προϊόντα όπως τα λεπτά υµένια.

Ωστόσο υπάρχουν και µειονεκτήµατα τα οποία τη χαρακτηρίζουν, όπως:

• Το υψηλό κόστος πρώτων υλών.
• Οι µεγάλοι χρόνοι επεξεργασίας.

*Δημήτρης Παυλόπουλος, Μηχανολόγος Ηλεκτρολόγος, πρώην Πρόεδρος ΔΚΜ, πρώην Μέλος ΔΣ ΕΛΟΤ

**Χρήστος Σκοπετέας, Μηχανικός πληροφορικής και συστημάτων