Παλμική εναπόθεση υλικών σε τρισδιάστατα μικροαντικείμενα με χρήση λέιζερ
Οι συνεχώς αναπτυσσόμενη παραγωγή τρισδιάστατων μικροσυσκευών και μικρομηχανών για τις βιοεπιστήμες, τις τεχνολογίες ανίχνευσης και επικοινωνιών επιβάλλουν την παροχή προηγμένων λειτουργικών λεπτών υμενίων. Τα νανοσύνθετα υλικά έχουν πρωταρχικό ενδιαφέρον λόγω των προηγμένων, ρυθμιζόμενων και προσαρ...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2022
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/15831 |
| id |
nemertes-10889-15831 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Νανοτεχνολογία Φωτονική Παλμική εναπόθεση λέιζερ Νανοσύνθετα Επεξεργασία λέιζερ Βιοπολυμερή Nanotechnology Photonics Pulsed laser deposition Nanocomposites Laser processing Biopolymer |
| spellingShingle |
Νανοτεχνολογία Φωτονική Παλμική εναπόθεση λέιζερ Νανοσύνθετα Επεξεργασία λέιζερ Βιοπολυμερή Nanotechnology Photonics Pulsed laser deposition Nanocomposites Laser processing Biopolymer Μπαγιώκης, Ελευθέριος Παλμική εναπόθεση υλικών σε τρισδιάστατα μικροαντικείμενα με χρήση λέιζερ |
| description |
Οι συνεχώς αναπτυσσόμενη παραγωγή τρισδιάστατων μικροσυσκευών και μικρομηχανών για τις βιοεπιστήμες, τις τεχνολογίες ανίχνευσης και επικοινωνιών επιβάλλουν την παροχή προηγμένων λειτουργικών λεπτών υμενίων. Τα νανοσύνθετα υλικά έχουν πρωταρχικό ενδιαφέρον λόγω των προηγμένων, ρυθμιζόμενων και προσαρμοσμένων λειτουργιών τους για νέες μηχανικές, ηλεκτρονικές, οπτικές και βιολογικές εφαρμογές. Η κατασκευή αυτών των υμενίων σε πολύπλοκες μορφολογικά επιφάνειες παρουσιάζει αρκετές προκλήσεις. Στις διαδικασίες ανάπτυξης υμενίου υγρής φάσης, η επιφανειακή τάση και τα τριχοειδή φαινόμενα επηρεάζουν την δομική σταθερότητα και καταστρέφουν την τρισδιάστατη τοπογραφία του αντικειμένου. Επιπλέον, απαιτείται μια τεχνική χαμηλής θερμοκρασίας για την επεξεργασία ευαίσθητων στη θερμότητα υλικών. Τέλος απαιτούνται αυστηρότερες προϋποθέσεις για τον σχηματισμό συνθετικών υβριδίων και μιγμάτων ετερογενών υλικών.
Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η παλμική εναπόθεση λέιζερ (PLD) είναι ο καταλληλότερος υποψήφιος, έχοντας ήδη αποδείξει την πλήρη συμβατότητα με τις παραπάνω απαιτήσεις. Λειτουργικά το κύριο πλεονέκτημα με το PLD είναι η παραγωγή ενός ενεργητικού πολυσυστατικού πλάσματος, που αποτελείται από ηλεκτρόνια, ιόντα, μόρια και μεγαλύτερα σωματίδια.
Αυτό το πλάσμα που παράγεται τόσο από στερεούς όσο και υγρούς στόχους, πιθανότατα αποτελούμενους από υλικά διαφορετικής φύσης, ταξιδεύει στο κενό και κατά την πρόσπτωση στο υπόστρωμα δημιουργεί ένα σύνθετο λεπτό υμένιο με νανομετρική ακρίβεια. Η ανάπτυξη της παλμικής εναπόθεσης λέιζερ τις τελευταίες δεκαετίες έχει ήδη αποδείξει την ευελιξία της να αναπτύσσει ανόργανες, οργανικές και υβριδικές επιστρώσεις σε ένα ευρύ φάσμα στερεών υποστρωμάτων. Αναμεσά στις σχετικές εξελίξεις αξίζει να επισημάνουμε του μεταλλικούς photo-ejectors για επιταχυντές σωματιδίων υψηλής ενέργειας, την επιταξιακή ανάπτυξη λέιζερ κυματοδηγού, τα λέιζερ υψηλής ισχύος, τα νανοσύνθετα οξείδια, συστήματα υάλων οπτοηλεκτρονικής και τους υπεραγωγούς. Επιπλέον η εναπόθεση πολυμερικών υλικών που έχει επιτευχθεί από την δεκαετία του 1980 έχει σημειώσει αξιοσημείωτη πρόοδος στην εναπόθεση πολυμερών και βιοϋλικών.
Η διπλωματική, εστιάζει στην κατασκευή λεπτών υμενίων μέσω παλμικής εναπόθεσης λέιζερ πάνω σε λειτουργικά τρισδιάστατα μικροαντικείμενα. Επί του παρόντος εγείρονται μεγάλες προκλήσεις στην κατασκευή βιοσυμβατών νανοσυσκευών, αισθητήρων, lab-on-chip και συμβατών πηγών φωτός. Τέτοια ζητήματα αντιμετωπίζει η παρούσα διπλωματική καταδεικνύοντας την παραδειγματική ανάπτυξη βιοπολυμερικών και πολυμερικών – ανόργανων νανοσύνθετων υμενίων σε μεταλλικά μηχανικά εξαρτήματα και οπτικές ίνες σκοπεύοντας σε εφαρμογές στο πεδίο της βιοεπιστήμης και την φωτονικής.
Το πρώτο παράδειγμα αφορά στην κατηγορία την βιοσυμβατών/βιοδιασπώμενων διατάξεων. Επικεντρώνεται στην κυτταρίνη, τον πιο άφθονο πολυσακχαρίτη ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως στη στην κλωστοϋφαντουργία, στο χαρτί, στην συσκευασία και στην ιατρική βιομηχανία, λόγω της αξιοσημείωτης δομικής του σταθερότητας, της βιοσυμβατότητας και της βιοδιασπασιμότητας. Η ανάδυση νέων εφαρμογών στην τεχνολογία τεχνητών ιστών, στους βιοαισθητήρες και στην οπτοηλεκτρονική βιοσυμβατών υλικών ενέπνευσαν την εκπόνηση αυτής της εργασίας στην οποία αναπτύσσονται υμένια κυτταρίνης σε τρισδιάστατα αντικείμενα που μιμούνται βιοϊατρικές διατάξεις.
Στο δεύτερο παράδειγμα εξετάζονται νανοσύνθετα πολυμερών – ανόργανων. Λεπτά υμένια μετάλλου – πολυμερούς έχουν δημιουργηθεί από την αποδόμηση στόχου. Επεκτείνοντας αυτήν την ιδέα σε σημαντικές οπτοηλεκτρονικές συσκευές, εξετάζεται η περίπτωση πηγών λευκού φωτός στέρεας κατάστασης (WLED) για σύγχρονο και ευέλικτο φωτισμό και βιομηχανικές εφαρμογές. Αναμεσά στους πολυάριθμους τύπους φωσφόρων, ο γαρνήτης Y3Al5O12:Ce (YAG:Ce) είναι βασικός εκπρόσωπος. Αν και έχει αναπτυχθεί εμπλουτισμένο επιταξιακό Y3Al5O12 με την παλμική εναπόθεση λέιζερ και πρόσφατα κρυσταλλικός YAG:Ce φωσφόρος έχει αναφερθεί απέχει από τις τεχνικές ανάπτυξης χαμηλών θερμοκρασιών που μας απασχολεί εδώ. Η εφαρμογή συνθέτων πολυμερών – φωσφόρων είναι μια μοναδική λύση που μας οδήγησε στην δημιουργία ενός νανοσύνθετων υμενίων polymethylmethacrylate (PMMA)/YAG:Ce σε τρισδιάστατα μηχανικά μικροαντικείμενα και οπτικές στα οποία παρατηρήθηκε φθορισμός. |
| author2 |
Bagiokis, Eleftherios |
| author_facet |
Bagiokis, Eleftherios Μπαγιώκης, Ελευθέριος |
| author |
Μπαγιώκης, Ελευθέριος |
| author_sort |
Μπαγιώκης, Ελευθέριος |
| title |
Παλμική εναπόθεση υλικών σε τρισδιάστατα μικροαντικείμενα με χρήση λέιζερ |
| title_short |
Παλμική εναπόθεση υλικών σε τρισδιάστατα μικροαντικείμενα με χρήση λέιζερ |
| title_full |
Παλμική εναπόθεση υλικών σε τρισδιάστατα μικροαντικείμενα με χρήση λέιζερ |
| title_fullStr |
Παλμική εναπόθεση υλικών σε τρισδιάστατα μικροαντικείμενα με χρήση λέιζερ |
| title_full_unstemmed |
Παλμική εναπόθεση υλικών σε τρισδιάστατα μικροαντικείμενα με χρήση λέιζερ |
| title_sort |
παλμική εναπόθεση υλικών σε τρισδιάστατα μικροαντικείμενα με χρήση λέιζερ |
| publishDate |
2022 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/15831 |
| work_keys_str_mv |
AT mpagiōkēseleutherios palmikēenapothesēylikōnsetrisdiastatamikroantikeimenamechrēsēleizer AT mpagiōkēseleutherios pldon3dmicroobjectsurfaces |
| _version_ |
1771297338881474560 |
| spelling |
nemertes-10889-158312022-09-05T20:22:48Z Παλμική εναπόθεση υλικών σε τρισδιάστατα μικροαντικείμενα με χρήση λέιζερ PLD on 3D micro-object surfaces Μπαγιώκης, Ελευθέριος Bagiokis, Eleftherios Νανοτεχνολογία Φωτονική Παλμική εναπόθεση λέιζερ Νανοσύνθετα Επεξεργασία λέιζερ Βιοπολυμερή Nanotechnology Photonics Pulsed laser deposition Nanocomposites Laser processing Biopolymer Οι συνεχώς αναπτυσσόμενη παραγωγή τρισδιάστατων μικροσυσκευών και μικρομηχανών για τις βιοεπιστήμες, τις τεχνολογίες ανίχνευσης και επικοινωνιών επιβάλλουν την παροχή προηγμένων λειτουργικών λεπτών υμενίων. Τα νανοσύνθετα υλικά έχουν πρωταρχικό ενδιαφέρον λόγω των προηγμένων, ρυθμιζόμενων και προσαρμοσμένων λειτουργιών τους για νέες μηχανικές, ηλεκτρονικές, οπτικές και βιολογικές εφαρμογές. Η κατασκευή αυτών των υμενίων σε πολύπλοκες μορφολογικά επιφάνειες παρουσιάζει αρκετές προκλήσεις. Στις διαδικασίες ανάπτυξης υμενίου υγρής φάσης, η επιφανειακή τάση και τα τριχοειδή φαινόμενα επηρεάζουν την δομική σταθερότητα και καταστρέφουν την τρισδιάστατη τοπογραφία του αντικειμένου. Επιπλέον, απαιτείται μια τεχνική χαμηλής θερμοκρασίας για την επεξεργασία ευαίσθητων στη θερμότητα υλικών. Τέλος απαιτούνται αυστηρότερες προϋποθέσεις για τον σχηματισμό συνθετικών υβριδίων και μιγμάτων ετερογενών υλικών. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η παλμική εναπόθεση λέιζερ (PLD) είναι ο καταλληλότερος υποψήφιος, έχοντας ήδη αποδείξει την πλήρη συμβατότητα με τις παραπάνω απαιτήσεις. Λειτουργικά το κύριο πλεονέκτημα με το PLD είναι η παραγωγή ενός ενεργητικού πολυσυστατικού πλάσματος, που αποτελείται από ηλεκτρόνια, ιόντα, μόρια και μεγαλύτερα σωματίδια. Αυτό το πλάσμα που παράγεται τόσο από στερεούς όσο και υγρούς στόχους, πιθανότατα αποτελούμενους από υλικά διαφορετικής φύσης, ταξιδεύει στο κενό και κατά την πρόσπτωση στο υπόστρωμα δημιουργεί ένα σύνθετο λεπτό υμένιο με νανομετρική ακρίβεια. Η ανάπτυξη της παλμικής εναπόθεσης λέιζερ τις τελευταίες δεκαετίες έχει ήδη αποδείξει την ευελιξία της να αναπτύσσει ανόργανες, οργανικές και υβριδικές επιστρώσεις σε ένα ευρύ φάσμα στερεών υποστρωμάτων. Αναμεσά στις σχετικές εξελίξεις αξίζει να επισημάνουμε του μεταλλικούς photo-ejectors για επιταχυντές σωματιδίων υψηλής ενέργειας, την επιταξιακή ανάπτυξη λέιζερ κυματοδηγού, τα λέιζερ υψηλής ισχύος, τα νανοσύνθετα οξείδια, συστήματα υάλων οπτοηλεκτρονικής και τους υπεραγωγούς. Επιπλέον η εναπόθεση πολυμερικών υλικών που έχει επιτευχθεί από την δεκαετία του 1980 έχει σημειώσει αξιοσημείωτη πρόοδος στην εναπόθεση πολυμερών και βιοϋλικών. Η διπλωματική, εστιάζει στην κατασκευή λεπτών υμενίων μέσω παλμικής εναπόθεσης λέιζερ πάνω σε λειτουργικά τρισδιάστατα μικροαντικείμενα. Επί του παρόντος εγείρονται μεγάλες προκλήσεις στην κατασκευή βιοσυμβατών νανοσυσκευών, αισθητήρων, lab-on-chip και συμβατών πηγών φωτός. Τέτοια ζητήματα αντιμετωπίζει η παρούσα διπλωματική καταδεικνύοντας την παραδειγματική ανάπτυξη βιοπολυμερικών και πολυμερικών – ανόργανων νανοσύνθετων υμενίων σε μεταλλικά μηχανικά εξαρτήματα και οπτικές ίνες σκοπεύοντας σε εφαρμογές στο πεδίο της βιοεπιστήμης και την φωτονικής. Το πρώτο παράδειγμα αφορά στην κατηγορία την βιοσυμβατών/βιοδιασπώμενων διατάξεων. Επικεντρώνεται στην κυτταρίνη, τον πιο άφθονο πολυσακχαρίτη ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως στη στην κλωστοϋφαντουργία, στο χαρτί, στην συσκευασία και στην ιατρική βιομηχανία, λόγω της αξιοσημείωτης δομικής του σταθερότητας, της βιοσυμβατότητας και της βιοδιασπασιμότητας. Η ανάδυση νέων εφαρμογών στην τεχνολογία τεχνητών ιστών, στους βιοαισθητήρες και στην οπτοηλεκτρονική βιοσυμβατών υλικών ενέπνευσαν την εκπόνηση αυτής της εργασίας στην οποία αναπτύσσονται υμένια κυτταρίνης σε τρισδιάστατα αντικείμενα που μιμούνται βιοϊατρικές διατάξεις. Στο δεύτερο παράδειγμα εξετάζονται νανοσύνθετα πολυμερών – ανόργανων. Λεπτά υμένια μετάλλου – πολυμερούς έχουν δημιουργηθεί από την αποδόμηση στόχου. Επεκτείνοντας αυτήν την ιδέα σε σημαντικές οπτοηλεκτρονικές συσκευές, εξετάζεται η περίπτωση πηγών λευκού φωτός στέρεας κατάστασης (WLED) για σύγχρονο και ευέλικτο φωτισμό και βιομηχανικές εφαρμογές. Αναμεσά στους πολυάριθμους τύπους φωσφόρων, ο γαρνήτης Y3Al5O12:Ce (YAG:Ce) είναι βασικός εκπρόσωπος. Αν και έχει αναπτυχθεί εμπλουτισμένο επιταξιακό Y3Al5O12 με την παλμική εναπόθεση λέιζερ και πρόσφατα κρυσταλλικός YAG:Ce φωσφόρος έχει αναφερθεί απέχει από τις τεχνικές ανάπτυξης χαμηλών θερμοκρασιών που μας απασχολεί εδώ. Η εφαρμογή συνθέτων πολυμερών – φωσφόρων είναι μια μοναδική λύση που μας οδήγησε στην δημιουργία ενός νανοσύνθετων υμενίων polymethylmethacrylate (PMMA)/YAG:Ce σε τρισδιάστατα μηχανικά μικροαντικείμενα και οπτικές στα οποία παρατηρήθηκε φθορισμός. Emerging 3-Dimensional (3D) microdevices and micromachines for the life-sciences, sensing, and communication technologies mandate the provision of advanced thin film functional coatings. Nanocomposite materials gain prime interest owing to their advanced, tunable and bespoke functionalities for novel and emerging mechanical, electrical, optical, and biological applications. The fabrication of such structures comprising complex surface morphologies presents several challenges, among which the production of functional coatings on miniaturized components and 3D microdevices in the microscale and nanoscale is not trivial. In liquid-phase growth processes, for example, the surface tension and capillary effects would affect the structural stability and destroy the object’s 3D topography and relief. Furthermore, a low-temperature, preferably a room-temperature, technique is needed to process heat-sensitive materials and maintain the functional properties. Finally, stricter requirements apply in the formation of synthetic hybrids, where heterogeneous materials are blended. In view of the above, pulsed laser deposition (PLD) is a most suitable candidate, having already demonstrated full compatibility with the above requirements. Operationally, the major advantage of laser ablation is the production of energetic multicomponent plasma, a source of electrons, ions, molecules, clusters, and larger particulates. These ejectiles, produced from solid or liquid targets, possibly composed of materials of different nature, travel in vacuum and upon incidence on a receiving substrate form a composite thin film with nanometric accuracy. The development of PLD in the past decades demonstrated its flexibility to grow inorganic, organic, and hybrid layers on a broad range of solid substrates. Among relevant developments we may highlight the very efficient metal photo-ejectors for high-energy particle accelerators, the epitaxial growth of waveguide lasers and high-power laser devices, the oxide nanocomposites and glass systems for optoelectronics, to superconductors. Furthermore, PLD of polymeric materials has been successfully demonstrated since the ‘80s and remarkable progress in the deposition of polymers and biomaterials has been made. In the present work we focus on the fabrication of 3D functional microdevices and report, for the first time to our knowledge, PLD on 3D micro-object surfaces of arbitrary stereometric forms. In fact, major challenges are currently raised in the fabrication of biocompatible nanodevices, sensors, lab-on-chip and conformal light sources. Such aspects of PLD we address here by demonstrating the paradigmatic growth of biopolymer and polymer-inorganic nanocomposite films on metallic engineering parts and polymer fibers with emphasis placed on biosciences and photonics. In our first paradigm we address the novel class of biocompatible/biodegradable devices. We focus on cellulose, the most abundant polysaccharide, which is widely used in textile, paper, packaging, and medical industries, owing to its remarkable structural stability, biocompatibility and biodegradability. Further to new commercial products of bio-phase fibers, films and membranes, novel applications in tissue engineering, biosensing, photonics and electronics are now emerging. Such trends have motivated our recent work on optical quality cellulose films and prompt the present cellulose growth on model 3D objects mimicking biomedical devices. In the second paradigm, polymer-inorganic nanocomposites are considered. Metal-polymer thin film composites have been demonstrated by sequential PLD using separate polymer and metal targets thus enabling control of the layered structure but limiting the uniformity of materials blends. Extending these concepts to critical optoelectronic devices, we consider the class of solid-state white-light LEDs (WLEDs). These phosphor-based sources have broad applications in modern and flexible lighting, industrial testing and sensing. Among numerous types of phosphors. the principal representative is the Y3Al5O12:Ce (Ce:YAG) garnet. It is excited by InGaN LED at 450 nm and emits a broad spectral band from 470 nm to 670 nm and beyond due to the 5d - 4f transition of Ce3+ ion. On the other hand, rare-earth doped crystalline garnets like Y3Al5O12 have been successfully grown by PLD since the 90’s and Ce:YAG was recently addressed. The high temperature growth required makes such methodology clearly incompatible to our concept. Therefore, polymer-phosphor composites would offer unique solutions. In contrast to concurrent multibeam PLD of phosphors and electro-optics we achieve, for the first time to our knowledge, congruent single-target growth of Ce:YAG /PMMA and Ce:YAG/PDMS nanocomposites on 3D micro-objects and demonstrate photoluminescence from nano layers grown on 3D engineering components and polymer fibers. 2022-02-28T06:42:22Z 2022-02-28T06:42:22Z 2021-12-15 http://hdl.handle.net/10889/15831 gr application/pdf |
