Please use this identifier to cite or link to this item: http://ktisis.cut.ac.cy/handle/10488/8891
Title: Surface processing of silicon-based materials: silicon, silicon oxide and PDMS
Authors: Pozov, Sergey 
Keywords: Nanotechnology
Silicon
Issue Date: 2016
Publisher: Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών και Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών, Σχολή Μηχανικής και Τεχνολογίας, Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Κύπρου
Abstract: Recent advances in nanotechnology have generated new forefronts in materials science and engineering. Surface modification at micro- and nano-scale leads to a wide range of surface characteristics such as roughness, hydrophobicity/hydrophilicity, surface charge/energy, biocompatibility and reactivity. Motivated by the wide range of applications, this work investigates two of the main processes for nanoscale surface modification: Thermal Oxidation and Non-Reactive Plasma Processing. An experimental approach is employed in this thesis where systematic synthesis/processing‒structure‒properties‒performance is undertaken in a controlled manner until structure‒property relations are established that will form the scientific basis for surface optimization for specific applications: surface tailoring. In Part A of the thesis, thermal growth of SiO2 thin films is investigated in order to understand the physics of thermal oxidation of Silicon and the characteristics of the resulting products. SiO2 thin films were thermally grown and tested for their resulting thicknesses (WLRS), densities (XRR), topography (AFM), and reflectivity (UV/VIS Spectroscopy). It is shown that amorphous-SiO2 thin films with oxidation rates of ~40 nm/hour are produced. The experimentally obtained thicknesses showed excellent correlation with theoretical predictions calculated by the Deal–Grove model. The color of the grown surfaces depends on the thickness of the layer, which through a color map gives quick optical access to film thickness. In Part B of the thesis, the effects of a non-reactive inductively coupled plasma (ICP) processing (Argon Ion Bombardment) on Si, SiO2 and PDMS are studied. The physical, topographical, optical and wetting characteristics of the processed surfaces revealed that in the case of hard materials, uniform and high quality etching rates of 0.1–1.5 nm/min were achieved. On the contrary, PDMS plasma exposure led to impressive surface wrinkles that can be attributed to a stiff layer generation that tends to buckle with specific wavelengths that strongly depend on ion energy and specific amplitudes that depend on both ion energy and fluence. Additionally, wetting characteristics of plasma exposed PDMS surfaces showed a significant reduction in CA linked to the removal of methyl groups from the exposed surface and increase of polar functionalities. However, the hydrophobic nature was recovered in time, due to the migration of low molecular weight polar groups from the surface to the bulk of the material. The transmittance spectra of the PDMS surfaces remained almost unchanged whereas there was a reduction on normal reflectance attributed to an increase in diffusive scattering caused by surface patterning.
Description: Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα της νανοτεχνολογίας διανοίγουν νέους ορίζοντες στην επιστήμη και μηχανική των υλικών. Η επεξεργασία επιφανειών στη μίκρο- και νάνο-κλίμακα οδηγεί σε ένα ευρύ φάσμα επιφανειακών χαρακτηριστικών όπως υδροφοβικότητα/ υδροφιλικότητα, επιφανειακό φορτίο, επιφανειακή ενέργεια και βιοσυμβατότητα. H παρούσα εργασία, εξετάζει δυο από τις κύριες διεργασίες τροποποίησης επιφανειών στη νανοκλίμακα: Θερμική Οξείδωση και Επεξεργασία Πλάσματος. Η μεθοδολογία που ακολουθείται είναι πρωτίστως πειραματική όπου διενεργείται συστηματική μελέτη της επεξεργασίας–δομής–ιδιοτήτων–απόδοσης για κατανόηση των μεταξύ τους σχέσεων οι οποίες αποτελούν την επιστημονική βάση για βελτιστοποίηση των επιφανειακών χαρακτηριστικών των υλικών, αναλόγως εφαρμογών. Στο Μέρος Α της διατριβής, λεπτά υμένια SiO2 αναπτύχθηκαν μέσω θερμικής επεξεργασίας και μελετήθηκαν προκειμένου να κατανοηθεί η φυσική της θερμικής οξείδωσης του Si και τα χαρακτηριστικά των προκύπτουσων προϊόντων. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά πάχους (WLRS), πυκνότητας (XRR), τοπογραφίας (AFM), και ανακλαστικότητας (UV/VIS Spectroscopy) των προαναφερόμενων υμενίων. Προκύπτει ότι, κατά τη θερμική οξείδωση παράγονται άμορφα υμένια SiO2 με ρυθμούς ανάπτυξης ~40nm/hr. Τα πειραματικά πάχη δεικνύουν πολύ καλή συσχέτιση με τις θεωρητικές προβλέψεις του μοντέλου Deal–Grove. Τα επιφανειακά χρώματα παρουσιάζουν άμεση συσχέτιση με το πάχος των υμενίων και η προτεινόμενη χαρτογράφηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μια ταχεία μέθοδος οπτικής εκτίμησης του εύρους της οξείδωσης. Στο Μέρος Β της διατριβής, μελετήθηκαν οι επιπτώσεις ενός επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος που αποσκοπεί στο βομβαρδισμό των επιφανειών Si, SiO2 και PDMS με ιόντα αργού. Τα φυσικά, τοπογραφικά, οπτικά και υδροφοβικά χαρακτηριστικά των επεξεργασμένων επιφανειών καταδεικνύουν ότι στην περίπτωση των σκληρών υλικών επιτυγχάνεται μια ομοιόμορφη και υψηλής ποιότητας εγχάραξη με ρυθμό 0.1–1.5 nm/min. Αντιθέτως, η έκθεση ενός μαλακού υλικού (PDMS) σε πλάσμα οδηγεί στη δημιουργία επιφανειακών μοτίβων με πτυχώσεις («ζαρώματα») που αποδίδεται στη δημιουργία ενός δύσκαμπτου στρώματος το οποίο τείνει να λυγίσει την επιφάνεια με συγκεκριμένα μήκη και πλάτη κύματος που εξαρτώνται από την κινητική ενέργεια και τη ροή των ιόντων. Τα χαρακτηριστικά διαβροχής των επιφανειών παρουσιάζουν σημαντική μείωση λόγω της απομάκρυνσης των ομάδων μεθυλίου από την εκτεθειμένη επιφάνεια. Ωστόσο, η υδρόφοβη φύση ανακτάται στο χρόνο λόγω της σταδιακής διάχυσης των πολικών ομάδων χαμηλού μοριακού βάρους από την επιφάνεια προς το εσωτερικό. Η οπτική διαπερατότητα των επιφανειών παραμένει σχεδόν αμετάβλητη, ενώ προκύπτει μείωση στην ανακλαστικότητα των υμενίων λόγω της αύξησης της διάχυτής σκέδασης που προκαλείται από την τραχιά επιφάνεια.
URI: http://ktisis.cut.ac.cy/jspui/handle/10488/8891
Rights: Απαγορεύεται η δημοσίευση ή αναπαραγωγή, ηλεκτρονική ή άλλη χωρίς τη γραπτή συγκατάθεση του δημιουργού και κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων
Appears in Collections:Μεταπτυχιακές Εργασίες/ MSc Degree

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
MSc_Thesis_FINAL.pdf7.42 MBAdobe PDFView/Open
Show full item record

Page view(s) 20

31
Last Week
0
Last month
4
checked on Aug 24, 2017

Download(s) 5

63
checked on Aug 24, 2017

Google ScholarTM

Check


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.