ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ ΤΥΠΟΥ ΤΙΤΑΝΙΑΣ

Transcript

1 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ ΤΥΠΟΥ ΤΙΤΑΝΙΑΣ I. Ζαχαρόπουλος, Σ. Βογιατζής, Ε. Φαρσάρη, Ε. Αμανατίδης, Δ. Ματαράς Εργαστήριο Τεχνολογίας Πλάσματος, Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Καραθοδωρή 1 Α, Πανεπιστημιούπολη Ρίο, Ν. Σπηλιόπουλος Εργαστήριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών, Πανεπιστημιούπολη Ρίο, ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η εναπόθεση υμενίων τύπου οξειδίων του τιτανίου χρησιμοποιώντας ως πρόδρομη ένωση το ισοπροποξείδιου του τιτανίου. Δύο διαφορετικά διαλύματα, ένα σε οργανικούς διαλύτες και ένα υδατικό χρησιμοποιήθηκαν για την εναπόθεση. Όλα τα υμένια που εναποτέθηκαν και από τα δύο διαλύματα ήταν άμορφα ενώ παρουσίασαν σημαντικό υδρόφιλο χαρακτήρα έπειτα από την έκθεσή τους σε UV ακτινοβολία. Τα υλικά αμέσως μετά την εναπόθεση υπέστησαν τόσο θερμική ανόπτηση όσο και επεξεργασία με πλάσμα οξυγόνου αργού προκειμένου να προσδιοριστεί η ελάχιστη θερμοκρασία κρυστάλλωσης καθώς και ο ελάχιστος χρόνος που απαιτείται για αυτήν. Για τον χαρακτηρισμό των υλικών πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις περίθλασης ακτίνων- x, ηλεκτρονιακή μικροσκοπία σάρωσης και μετρήσεις γωνιών διαβροχής σε επαφή με νερό. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το διοξείδιο του Τιτανίου (TiΟ 2 ), γνωστό κι ως Τιτάνια, είναι ένα λευκό κρυσταλλικό υλικό που βρίσκει εφαρμογές σε διαφόρους τομείς της βιομηχανίας και της καθημερινότητας. Η τιτάνια εμφανιζεται σε διάφορες κρυσταλλικές δομές, γνωστότερες από τις οποίες είναι ο ανατάσης, ο ρουτίλης και ο μπρουκίτης. Χρησιμοποιείται σε επιστρώσεις, χρώματα και πλαστικά λόγω της ικανότητάς του να προσδίδει αδιαφάνεια ή λαμπερότητα στην εκάστοτε επιφάνεια εξαιτίας του μεγάλου δείκτη διάθλασής του. Επιπλέον λόγω της υψηλής υδροφιλικότητάς της χρησιμοποιείται σε επιφάνειες για να προσδώσει αντιθαμπωτικές ή αυτοκαθαριζόμενες ιδιότητες. Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες ιδιότητές της είναι η ικανότητά της να καταλύει την οξείδωση των περισσοτέρων οργανικών ρύπων και των NO x της ατμόσφαιρας υπό την παρουσία UV ακτινοβολίας. Για την εναπόθεση υμενίων οξειδίου του πυριτίου έχουν προταθεί διαφορετικές τεχνικές η τεχνική πηκτώματος-λύματος (sol-gel) [1], η χημική εναπόθεση ατμών (CVD)[2,3] η χημική εναπόθεση ατμών υποβοηθούμενη με πλάσμα (PECVD) [4] και magnetron sputtering [5]κ.α. Ανάλογα με την τεχνική, χρησιμοποιούνται διαφορετικές πρόδρομες ενώσεις μεταξύ των οποίων τα αλκοξείδια του Τιτανίου ( Ti(O) n ) και το χλωρίδιο του τιτανίου (TiCl 4 ) είτε μείγματά τους με οξυγόνο ή αδρανή. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η εναπόθεση υμενίων οξειδίου του τιτανίου χρησιμοποιώντας ως πρόδρομη ένωση το ισοπροποξείδιο του τιτανίου (Ti(OC 3 H 7 ) 4 ). Το ισοπροποξείδιο του τιτανίου, όπως όλα τα αλκοξείδια των μετάλλων, υδρολύεται παράγοντας οξείδια και την αντίστοιχη αλκοόλη. Ο μηχανισμός της υδρόλυσης περιλαμβάνει τρία βήματα κατά τα οποία το νερό προσβάλει μια ομάδα Ο παράγοντας υδροξυ αλκοξείδια του τιτανίου, τα οποία είτε θα αντιδράσουν μεταξύ τους δίνοντας όξο αλκοξείδια του τιτανίου

2 και νερό ή θα αντιδράσουν με το ισοπροποξείδιο του τιτανίου δίνοντας πάλι οξο οξείδια και την αντίστοιχη αλκοόλη σύμφωνα με το παρακάτω σχήμα αντιδράσεων: Ti-O + H 2 O Ti-OH +OH (1) Ti-OH +HO-Ti Ti-O-Ti + H 2 O (2) Ti-O + HO-Ti Ti-O-Ti + OH (3) Τελικά ο σχηματισμός οξειδίου του τιτανίου έναντι των υπόλοιπων οργανικομεταλλικών ενώσεων καθορίζεται από τον ανταγωνισμό των παραπάνω διεργασιών και επιτυγχάνεται όταν ευνοείται η υδρόλυση, αντίδραση (1), έναντι των αντιδράσεων (2) και (3). Η πρόοδος της διεργασίας εξαρτάται από το είδος της αλκυλομάδας της οργανομεταλλικής ένωσης, τη συγκέντρωση του αλκοξειδίου και του νερού, το είδος του διαλύτη που χρησιμοποιείται καθώς επίσης και από την παρουσία οξέων ή βάσεων στο πρόδρομο διάλυμα. Όταν ο λόγος της συγκεντρωσης του νερού προς την συγκέντρωση του αλκοξειδίου υπερβαίνει το 2 η υδρόλυση ευνοείται και μπορούν να σχηματιστούν αιωρήματα ικανά να οδηγήσουν στην παραγωγή οξειδίων του τιτανίου ενώ όταν ο λόγος αυτός είναι πολύ μικρότερος της μονάδας ενισχύεται η παραγωγή συσσωματωμάτων όξο αλκοξειδίων [6]. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην περίπτωση που ενιχύεται η υδρόλυση, η κρυσταλλικότητα των παραγόμενων οξειδίων εξαρτάται σημαντικά από τη θερμοκρασία στην οποία λαμβάνει χώρα η διεργασία καθώς επίσης και η μετά την εναπόθεση επεξεργασία των υλικών. Στόχος της παρούσας εργασίας αποτελεί η μελέτη της εναπόθεσης υμενίων οξειδίων του τιτανίου από δύο διαφορετικά διαλύματα ισοπροποξειδίου του τιτανίου και αφ ενός η εύρεση εκείνων των πειραματικών συνθηκών που οδηγούν σε υδρόφιλα υμένια και αφ ετέρου η επεξεργασία των εναποτιθέμενων υμενίων μετά την εναπόθεση προκειμένου να επιτευχθεί η κρυστάλλωση των αρχικών υλικών. Οι - μετά την εναπόθεση - διεργασίες που εξετάζονται είναι η ανόπτηση σε ατμοσφαιρικό αέρα και η κατεργασία με πλάσμα οξυγόνουαργού με σκοπό την επίτευξη κρυστάλλωσης σε δυνατό χαμηλότερη θερμοκρασία ώστε να είναι εκμεταλεύσιμος όσο το δυνατό μεγαλύτερος αριθμός υποστρωμάτων. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Για την εναπόθεση των υμενίων παρασκευάστηκαν δύο διαφορετικά διαλύματα ισοπροποξειδίου του τιτανίου, ένα σε οργανικούς διαλύτες (διάλυμα Α) και ένα υδατικό (διάλυμα Β). Τα αντιδραστήρια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ισοπροποξείδιο του τιτανίου (97%, ldrich), αιθανόλη (99.999%), 1,2-προπανοδιόλη (99.999%) και απιονισμένο νερό. Η παρασκευή του διαλύματος Α περιελάμβανε την ανάμιξη ισοπροποξείδιου του τιτανίου, αιθανόλης και 1,2- προπανοδιόλης σε αναλογία όγκων 1:3:2 στην ατμόσφαιρα και την ταχεία ανάδευσή τους για 8 ώρες. Κατά την ανάδευση είναι δυνατή η υδρόλυση του ισοπροποξειδίου του τιτανίου από την υγρασία της ατμόσφαιρας. Η χρήση της προπανοδιόλης αυξάνει το ιξώδες του διαλύματος ώστε να είναι δυνατή η εναπόθεση με την τεχνική spin-coating. Οι εναποθέσεις πραγματοποιήθηκαν ακολουθώντας μια κυκλική διαδικασία κατά την οποία η εναπόθεση ακολουθούνταν από θέρμανση του υποστρώματος στους 100 ο C και νέα εναπόθεση υλικού [7]. Η ενδιάμεση θέρμανση του υποστρώματος επιτρέπει την απομάκρυνση των υγρών διαλυτών και των παραπροϊόντων της διεργασίας (ισοπροπανόλη και/ή νερό ). Η παρασκευή του διαλύματος Β περιελάμβανε την ανάμιξη ισοπροποξείδιου του τιτανίου, αιθανόλης και νερού σε αναλογία 1:2:40. Τα συστατικά του διαλύματος αναμίχθηκαν στην ατμόσφαιρα και αφέθηκαν υπό ταχεία ανάδευση για 2 ώρες. Η χρήση περίσσειας νερού

3 οδηγεί σε ταχεία υδρόλυση του ισοπροποξειδίου του τιτανίου και το σχηματισμό αιωρήματος. Για την εναπόθεση πραγματοποιήθηκε περιοδική έγχυση 1 ml αιωρήματος στην επιφάνεια των υποστρωμάτων. Κατά την εναπόθεση η θερμοκρασία των υποστρωμάτων διατηρούταν στους 180 ο C ώστε και πάλι να εξασφαλίζεται η απομάκρυνση των διαλυτών. Για τη μελέτη της κρυστάλλωσης των παραγόμενων υμενίων, ακολούθησε επεξεργασία τους με θερμική ανόπτηση σε φούρνο παρουσία ατμοσφαιρικού αέρα. Η θέρμανση των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε με βήμα 2 ο C/min μέχρι την τελική θερμοκρασία που κυμάνθηκε από 300 έως 800 ο C και προσδιορίστηκαν οι θερμοκρασίες στις οποίες λαμβάνει χώρα η αλλαγή της φάσης του υλικού. Έχοντας προσδιορίσει την ελάχιστη θερμοκρασία κρυστάλλωσης πραγματοποιήθηκε δεύτερη σειρά δοκιμών για διαφορετικούς χρόνους ανόπτησης (από min), με σκοπό τη βελτιστοποίηση της διεργασίας. Έχοντας προσδιορίσει εκ νέου τις συνθήκες που οδηγούν σε κρυσταλλικά υλικά με τη συμβατική τεχνική της ανόπτησης, εξετάστηκε η δυνατότητα κρυστάλλωσης των υλικών κατά την έκθεσή τους σε πλάσμα οξυγόνου-αργού με σκοπό την ελάττωση τόσο της θερμοκρασίας ανόπτησης όσο και του χρόνου της διεργασίας. Η επεξεργασία των υμενίων με πλάσμα πραγματοποιήθηκε σε αντιδραστήρα πλάσματος χωρητικής σύζευξης ο οποίος περιγράφεται αναλυτικά στην αναφορά [8]. Οι παράμετροι της διεργασίας που εξετάσθηκαν ήταν η παρεχόμενη στο πλάσμα ισχύς, ο χρόνος της κατεργασίας καθώς και η θερμοκρασία του υποστρώματος. Τα υλικά που παρήχθησαν χαρακτηρίσθηκαν τόσο αμέσως μετά την εναπόθεση όσο και μετά από την ανόπτηση και την επεξεργασία με πλάσμα. Η κρυσταλλικότητα των υμενίων ελέγχθηκε με περίθλαση των ακτίνων x ενώ η μορφολογία και χημική σύσταση των υλικών εξετάσθηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM-EDX). Για τη μελέτη της υδροφιλίας των υλικών πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις των γωνιών διαβροχής τους τόσο αμέσως μετά την εναπόθεση όσο και μετά από την έκθεσή τους σε UV ακτινοβολία για 30min. Oι μετρήσεις γωνιών διαβροχής πραγματοποιήθηκαν στο γωνιόμετρο Kruss DS100. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Η μελέτη των υμενίων αμέσως μετά την εναπόθεση έδειξε ότι ανεξάρτητα από το πρόδρομο διάλυμα και από την τεχνική εναπόθεση όλα τα υλικά ήταν άμορφα. Ωστόσο σημαντικές διαφορές παρατηρήθηκαν στις γωνίες διαβροχής των υμενίων σε επαφή με νερό. Τα υμένια που παρήχθησαν από το διάλυμα Α δεν έδειξαν υδρόφιλο χαρακτήρα αφού η μέση τιμή των γωνιών διαβροχής υπολογίστηκε ίση με 85 ο. Τα υμένια που παρήχθησαν από το υδατικό διάλυμα του ισοπροποξειδίου του τιτανίου παρουσίασαν μικρότερη γωνία διαβροχής 60 o. Η διαφοροποίηση αυτή αποδίδεται στον ισχυρότερο οργανικό χαρακτήρα των υμενίων που παρήχθησαν από το πρώτο διάλυμα. Η υγρασία της ατμόσφαιρας φαίνεται να μην επαρκεί για την πλήρη υδρόλυση του ισοπροποξειδίου του τιτανίου. Στην περίπτωση του υδατικού διαλύματος τόσο η περίσσεια του νερού όσο και οι υψηλότερες θερμοκρασίες των υποστρωμάτων φαίνεται να ενισχύουν τον υδρόφιλο χαρακτήρα του φιλμ. Στο σχήμα 1 εικονίζεται η μεταβολή της γωνίας διαβροχής των υμενίων έπειτα από την έκθεσή στους σε UV ακτινοβολία. Και τα δύο δείγματα, παρά το γεγονός ότι είναι άμορφα, παρουσιάζουν σημαντική πτώση της γωνίας διαβροχής. Η ενίσχυση της υδροφιλίας διατηρείται για περίπου 30 min μετά την έκθεση στην ακτινοβολία ενώ οι γωνίες διαβροχής επιστρέφουν στην αρχική τους τιμή έπειτα από 2h και για τα δύο υμένια.

4 elative Intensity (a.u.) elative Intensity (a.u.) wca (degrees) 9 ο ΠΕΣΧΜ: Η Συμβολή της Χημικής Μηχανικής στην Αειφόρο Ανάπτυξη UV exposure organic solvents water t (min) Σχήμα 1. Γωνίες διαβροχής των υμενίων αμέσως μετά την εναπόθεση και έπειτα από την έκθεσή τους σε UV ακτινοβολία Στο σχήμα 2α απεικονίζονται τα ακτινογράμματα των υμενίων που εναποτέθηκαν από το διάλυμα των οργανικών διαλυτών σε υποστρώματα γυαλιού έπειτα από την ανόπτησή τους για 5h σε θερμοκρασίες από 375 έως 800 ο C. Η κρυστάλλωση των υλικών λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία ίση με 400 ο C όπου και εμφανίζονται οι κύριες κορυφές του ανατάση στις 25.5 και 48 ο. Καθώς αυξάνει η θερμοκρασία ανόπτησης, σταδιακά εμφανίζονται οι κορυφές του ρουτίλη με αποτέλεσμα στους 500 ο C στο υλικό να συνυπάρχουν οι δύο φάσεις. Η πλήρης μετατροπή της φάσης του υλικού από ανατάση προς ρουτίλη πραγματοποιείται στους 600 ο C. Η αλλαγή φάσης από το άμορφο οξείδιο σε ανατάση στην περίπτωση των υλικών που παρήχθησαν από το υδατικό διάλυμα λαμβάνει χώρα σε ελαφρώς χαμηλότερη θερμοκρασία (375 ο C) όπως αυτό φαίνεται στο σχήμα 2β όπου εικονίζονται τα αντίστοιχα ακτινογράμματα για θερμοκρασίες ανόπτησης 350 και 375 ο C για 5 ώρες. 2a 2b 800 O C 700 O C 600 O C 500 O C 400 O C 375 O C 350 o C 375 o C Σχήμα 2. Ακτινογράμματα των υλικών έπειτα από την ανόπτησή τους για 5h σε διαφορετικές θερμοκρασίες a) υμένια που εναποτέθηκαν από το διάλυμα Α και b) υμένια που εναποτέθηκαν από το διάλυμα Β Στο σχήμα 3 εικονίζεται η επίδραση του χρόνου της ανόπτησης στην κρυστάλλωση των υλικών που εναποτέθηκαν από το υδατικό διάλυμα για θερμοκρασία ίση με 375 o C. Η κρυστάλλωση λαμβάνει χώρα στα πρώτα 20 min. Οι κορυφές που εμφανίζονται μεταξύ των 40 και 50 ο οφείλονται στο υπόστρωμα του ανοξείδωτου χάλυβα και αποδίδονται σε επινικελωμένο σίδηρο. Η μικρή ένταση της κορυφής του ανατάση οφείλεται στο μικρό πάχος

5 elative Intensity (a.u.) 9 ο ΠΕΣΧΜ: Η Συμβολή της Χημικής Μηχανικής στην Αειφόρο Ανάπτυξη του υμενίου σε σχέση με το πάχος του υποστρώματος. Ο απαιτούμενος χρόνος ανόπτησης για τα υμένια που παρήχθησαν από το οργανικό διάλυμα επίσης προσδιορίστηκε στα 20min για την ελάχιστη θερμοκρασία ανόπτησης. Το γεγονός ότι το πάχος των υμενίων δεν υπερβαίνει τα 5μm επιτρέπει την ταχεία κρυστάλλωση των υλικών στην ελάχιστη θερμοκρασία κρυστάλλωσης Tan = 375 o C 60 min 40 min 20 min Σχήμα 3. Ακτινογράμματα υμενίων που εναποτέθηκαν σε υποστρώματα ανοξείδωτου χάλυβα από το διάλυμα Β έπειτα από την ανόπτησή τους στη θερμοκρασία κρυστάλλωσης για διαφορετικούς χρόνους ανόπτησης Στο σχήμα 4 παρουσιάζεται η μορφολογία των υλικών όπως προέκυψαν μετά από την ανόπτησή τους στη θερμοκρασία κρυστάλλωσής τους. Στο σχημα 4(α) εικονίζονται τα υμένια που εναποτέθηκαν από το διάλυμα των οργανικών διαλυτών ενώ στο σχήμα 4(β) από το υδατικό διάλυμα σε υπόστρωμα ανοξείδωτου χάλυβα. Τα υλικά που παρασκευάσθηκαν από το διάλυμα Α παρουσιάζουν ομοιόμορφη κάλυψη, ωστόσο παρατηρούνται ρωγμές. Η παρουσία των ρωγμών οφείλεται στην σταδιακή απομάκρυση των οργανικών υπολειμμάτων κατά την ανόπτηση καθώς και στην αύξηση της πυκνότητας του υλικού κατά την ανόπτηση. Στα υλικά που εναποτέθηκαν από το υδατικό διάλυμα δεν εμφανίζονται ρωγμές ωστόσο τα υμένια είναι τραχύτερα και με υψηλό πορώδες. Οι μετρήσεις EDX και στα δύο υλικά έδειξαν ότι το ποσοστό της κρυσταλλικής τιτάνιας υπερβαίνει το 85% και για τα δύο υμένια. Αξίζει να σημειωθεί ότι η παρουσία των ρωγμών στην πρώτη περίπτωση καθώς και το αυξημένο πορώδες στη δεύτερη έχει ως αποτέλεσμα την προσρόφηση του νερού από το υμενιο.

6 a b c d Σχήμα 4: Μορφολογία υμενίων έπειτα από την ανόπτησή τους : (a-b) υμένια που εναποτέθηκαν από το διάλυμα Α, (c-d) υμένια που εναποτέθηκαν από το διάλυμα Β Τέλος έγινε προσπάθεια να κρυσταλλωθεί η άμορφη τιτάνια με την επεξεργασία των υμενίων σε πλάσμα αργού-οξυγόνου. Το πλάσμα έχει την ιδιότητα να μεταφέρει χημική και κινητική ενέργεια καθώς και θερμότητα στις επιφάνειες που εκτίθενται σε αυτό με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η κρυστάλλωση των αμόρφων υλικών σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από αυτές στις οποίες λαμβάνει χώρα η κρυστάλλωση με τις συμβατικές τεχνικές όπως η ανόπτηση. Παράλληλα η χρήση οξυγόνου στην εκκένωση οδηγεί στην παραγωγή ατομικού οξυγόνου το όποιο δίνει τη δυνατότητα απομάκρυνσης του οργανικού μέρους του υμενίου.οι παράμετροι της διεργασίας που εξετάσθηκαν ήταν ο χρόνος της επεξεργασίας, η θερμοκρασία του υποστρώματος κατά την επεξεργασία με πλάσμα, η θερμική κατεργασία των υλικών πριν την έκθεσή τους στο πλάσμα και η παρεχόμενη στο πλάσμα ισχύς. Η πίεση της διεργασίας διατηρήθηκε σταθερή και ίση με 0,4 mbar και το ποσοστό του οξυγόνου στο αέριο μίγμα διατηρήθηκε στο 10 %. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τόσο άμορφα υλικά που είχαν υποστεί θερμική κατεργασία σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από τη θερμοκρασια κρυστάλλωσης όσο και αμέσως μετά ην εναπόθεση. Αρχικά εξετάσθηκε η δυνατότητα κρυστάλλωσης των άμορφων υμενίων αμέσως μετά την εναπόθεση σε θερμοκρασία υποστρώματος ίση με την ελάχιστη θερμοκρασία κρυστάλλωσης μέσω ανόπτησης για διαφορετικούς χρόνους της διεργασίας. Στο σχήμα 5 εικονίζονται τα ακτινογράμματα των υμενίων που παρήχθησαν από το υδατικό διάλυμα έπειτα από την επεξεργασία τους με πλάσμα. Τα υμένια όπως και στην περίπτωση της ανόπτησης εμφανίζουν την κύρια κορυφή του ανατάση από τα πρώτα 30 min ενώ η αύξηση του χρόνου της διεργασίας δεν επιφέρει καμία σημαντική μεταβολή στη φάση των υλικών.

7 elative Intensity (a.u) elative intensity (a.u.) 9 ο ΠΕΣΧΜ: Η Συμβολή της Χημικής Μηχανικής στην Αειφόρο Ανάπτυξη 60 W 10% 60 min 60W 10% 30 min Σχήμα 5. Ακτινογράμματα υμενίων έπειτα από την επεξεργασία τους με πλάσμα σε θερμοκρασία υποστρώματος ίση με 375 ο C για διαφορετικούς χρόνους Έχοντας εξασφαλίσει τη δυνατότητα κρυστάλλωσης των υλικών στον αντιδραστήρα πλάσματος ελέγχθηκε ο ρόλος της θερμοκρασίας του υποστρώματος στην αλλαγή της φάσης του υλικού από άμορφο σε κρυσταλλικό. Στο σχήμα 6 εικονίζονται τα ακτινογράμματα των υμενίων που εναποτέθηκαν από το υδατικό διάλυμα σε υποστρώματα γυαλιού και υπέστησαν θερμική κατεργασία σε θερμοκρασία χαμηλότερη από τη θερμοκρασία ανόπτησης, έπειτα από την επεξεργασία τους με πλάσμα για 30 min για θερμοκρασία υποστρώματος 25 ο C και 200 ο C. Η κορυφή του ανατάση είναι εμφανής και στις δύο θερμοκρασίες και μάλιστα ενισχύεται στη μεγαλύτερη θερμοκρασία. Η αύξηση της θερμοκρασίας επιτρέπει την αλλαγή φάσης του υλικού σε μεγαλύτερο όγκο του υμενίου με αποτέλεσμα την εμφάνιση όλων των κορυφών του ανατάση. Αξίζει να σημειωθεί ότι η κρυστάλλωση των υλικών στον αντιδραστήρα πλάσματος φαίνεται να μην επηρεάζεται σημαντικά από τη θερμοκρασία της ανόπτησης που προηγήθηκε της επεξεργασίας με πλάσμα αφού η μεταβολή της δεν επιφέρει σημαντική αλλαγή στα ακτινογράμματα των υλικών (Σχήμα 7). 20W Ts=200 O C Ts=25 O C Σχήμα 6. Ακτινογράμματα υμενίων έπειτα από την επεξεργασία τους με πλάσμα για διαφορετικές θερμοκρασίες υποστρώματος

8 elative Intensity (a.u.) elative Intensity (a.u.) 9 ο ΠΕΣΧΜ: Η Συμβολή της Χημικής Μηχανικής στην Αειφόρο Ανάπτυξη Ts = 25 o C, P=40 Watt, t=30min, 10%O 2 350oC 325oC 300oC Normalized X1 Σχήμα 7. Ακτινογράμματα υμενίων έπειτα από την κατεργασία τους με πλάσμα και θερμοκρασία υποστρώματος ίση με 25 ο C. Τα υλικά είχαν υποστεί θερμική κατεργασία σε θερμοκρασία ο C Η τελευταία παράμετρος που εξετάσθηκε ήταν η παρεχόμενη στο πλάσμα ισχύς. Στο σχήμα 8 εικονίζονται τα ακτινογράμματα υλικών έπειτα από την κατεργασία τους με πλάσμα για δύο διαφορετικές τιμές ισχύος και για θερμοκρασία υποστρώματος ίση με 25 ο C και χρόνο 30min. Κατά την αύξηση της ισχύος η σχετική ένταση της κορυφής του ανατάση αυξάνει υποδεικνύοντας την ενίσχυση της κρυστάλλωσης του υλικού ακόμα και για τη χαμηλότερη θερμοκρασία υποστρώματος. 40 Watt 20 Watt Σχήμα 8. Ακτινογράμματα υμενίων έπειτα από την κατεργασία τους με πλάσμα για δύο διαφορετικές τιμές παρεχόμενης ισχύος σε θερμοκρασία υποστρώματος ίση με 25 ο C

9 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η εναπόθεση υμενίων οξειδίων του τιτανίου από δύο διαφορετικά διαλύματα ισοπροποξειδίου του τιτανίου καθώς επίσης και η επίδραση τόσο της θερμικής επεξεργασίας όσο και της επεξεργασίας με πλάσμα που ακολούθησαν την εναπόθεση στις φυσικοχημικές ιδιότητες των υλικών. Τα ακτινογράμματα των υλικών αμέσως μετά την εναπόθεση έδειξαν ότι όλα τα υμένια ήταν άμορφα ανεξάρτητα από το πρόδρομο διάλυμα. Σημαντική διαφορά ωστόσο παρατηρήθηκε στην υδροφιλία των υλικών αφού τα υμένια που παρήχθησαν από το οργανικό διάλυμα παρουσίασαν γωνίες διαβροχής ~85 ο ενώ αυτά που παρήχθησαν από το υδατικό διάλυμα παρουσίασαν γωνίες ~60 ο. Ωστόσο η υδροφιλία και των δύο υλικών ενισχύθηκε έπειτα από την έκθεσή τους σε UV ακτινοβολία. Η επίδραση της UV ακτινοβολίας διατηρήθηκε στα υμένια για 30 περίπου λεπτά, ενώ τα υλικά ανέκτησαν τις αρχικές τους γωνίες έπειτα από 2 ώρες. Κατά τη μελέτη της ανόπτησης των υλικών προσδιορίστηκαν τόσο οι ελάχιστες θερμοκρασίες όσο και ο ελάχιστος χρόνος που απαιτείται για την κρυστάλλωση των υμενίων. Τα υλικά που εναποτέθηκαν από το οργανικό διάλυμα παρουσιάζουν τις πρώτες κορυφές του ανατάση σε θερμοκρασία ίση με 400 ο C, ενώ η αντίστοιχη θερμοκρασία για τα υλικά που παρήχθησαν από το υδατικό διάλυμα είναι χαμηλότερη κατά 25 ο C. Ο ελάχιστος χρόνος που απαιτείται και για τα δύο υλικά προσδιορίστηκε στα 20min. Τα μικρά πάχη των υμενίων επιτρέπουν την ταχεία μεταβολή της φάσης όταν η θερμοκρασία λάβει την ελάχιστη τιμή κρυστάλλωσης. Κατά την επεξεργασία των άμορφων υμενίων με πλάσμα οξυγόνου-αργού παρατηρήθηκε σημαντική μείωση της θερμοκρασίας κρυστάλλωσης για χρόνους συγκρίσιμους με αυτούς της ανόπτησης. Τα αρχικά άμορφα υλικά παρουσίασαν την κορυφή του ανατάση όταν η θερμοκρασία του υποστρώματος κατά την επεξεργασία τους διατηρήθηκε στους 25 ο C ακόμα και για χαμηλές τιμές ισχύος. Η αύξηση της ισχύος αλλά και η αύξηση της θερμοκρασίας του υποστρώματος στους 200 ο C υποβοηθούν στην κρυστάλλωση μεγαλύτερου μέρους του υλικού. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] J. Yu, X. Zhao, Q. Zhao, Thin Solid Films, 379 (2009) 9 [2] H. Sun, C. Wang, S.Pang, X. Li, Y. Tao,H. Tang, M. Liu, J. Non-Cryst. Solids 354 (2008) 1440 [3] Α. Χριστογέρου, Δ. Κουμπούρη, Γ. Αγγελόπουλος, Πρακτικά 7 ο ΠΕΣΧΜ, Πάτρα 3-7/07/2009 [4] G.. Battiston,. Gerbasi,. Gregori,M. Porchia, S. Cattarin, G.. izzi, Thin Solid Films, 371 (2000) 126 [5] S-H. Nam, S-J. Cho, C.-K Jung, J.-K Boo, J. Sicha, D. Herman, J. Musil, J. Vicek, Thin Solid Films 519 (2011) 6944 [6].C.Pierre, Introduction in sol-gel processing, Kluwer cademic Publishers, 1998 [7].. Phani, S. Santucci, Material Letters 50 (2001) 240 [8]. Panou, E. manatides, D. Mataras, D. apakoulias, J. Phys : Conf. Ser. 10 (2005) 202