In this thesis, in the department of Materials Science, a high-vacuum system was designed and constructed from the beginning. A review is made on transition metal oxides, vacuum technology, and the basic concepts for thin films, their growth "using a vacuum chamber" and their applications. The purpose of this diploma thesis is to familiarize with ultra-high vacuum technology, the development and characterization of thin films of metal oxides, more specifically nickel oxide (NiO). Ultrathin NiO films in the thickness range between 1 and 27 nm have been deposited on high quality quartz substrates by direct magnetron sputtering under rough vacuum with base pressure of 2 x 10-2 mbar. The sputtering target was metallic Ni; however, due to the rough vacuum a precursor material was grown in which most of Ni was already oxidized. Subsequent short annealing at temperatures of about 600oC in a furnace in air resulted in NiO with high crystallinity quality as atomic force microscopy revealed. The images of surface morphology showed that the NiO films were continuous and follow a normal grain growth mode. Ultraviolet-visible light absorption spectroscopy experiments have revealed a blue shift of the direct band gap of NiO. The band gap was determined either by Tauc plots (onset) or by the derivative method (highest rate of absorbance increase just after the onset). The experimental results are interpreted as evidences of quantum confinement effects. Potential morphing method theoretical calculations based on Hartree Fock approximation as applied for an electron-hole system, in the framework of effective mass approximation were carried out. The agreement between theory and experiment supports the quantum confinement interpretation.
(EL)
Σε αυτή την διπλωματική στο ΠΜΣ Επιστημής Υλικών, σχεδιάστηκε και κατασκεύαστηκε από την αρχή ένα σύστημα υπερυψηλού κενού. Γίνεται βιβλιογραφική αναφορά στα οξείδια μεταβατικών μετάλλων,στη τεχνολογία κενού, και στις βασικές έννοιες σχετικά με τα λεπτά υμένια, την ανάπτυξή τους «με τη χρήση θαλάμου κενού» και τις εφαρμογές τους. Ο σκοπός της διπλωματικής αυτής, είναι η εξοικείωση με την τεχνολογία υπερυψηλού κενού, η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων οξειδίων μετάλλων, συγκεκριμένα του οξειδίου του νικελίου (ΝiO). Αρχικά υπερ-λεπτά υμένια NiO στην κλίμακα πάχους μεταξύ 1 και 27 nm εναποτέθηκαν σε υψηλής ποιότητας υποστρώματα χαλαζία με την διαδικασία ιοντοβολής “magnetron sputtering” κάτω από κακό κενό με πίεση 2 x 10-2 mbar. Ο στόχος αποτελούταν από καθαρό νικέλιο. Ωστόσο, λόγω του χαμηλού κενού αναπτύχθηκε ένα υλικό, το οποίο στο μεγαλύτερο μέρος του Νi ήταν ήδη οξειδωμένο. Επακουλούθησε σύντομη ανόπτηση σε θερμοκρασίες περίπου 600oC, σε φούρνο με αέρα, και είχε ως αποτέλεσμα NiO με υψηλή ποιότητα κρυσταλλικότητας, όπως αποκάλυψε η μικροσκοπία ατομικής δύναμης ΑFM. Οι εικόνες μικροσκοπίας επιφάνειας έδειξαν ότι τα υμένια NiO ήταν συνεχή και ακολουθούσαν έναν κανονικό τρόπο ανάπτυξης κόκκων. Τα πειράματα φασματοσκοπίας απορρόφησης φωτός UV-VIS αποκάλυψαν μια μπλε μετατόπιση του ενεργειακού χάσματος του NiO. Το ενεργειακό χάσμα προσδιορίστηκε είτε με γραφικές παραστάσεις Tauc (έναρξη) είτε με τη μέθοδο της παραγώγου (ο υψηλότερος ρυθμός αύξησης της απορρόφησης αμέσως μετά την έναρξη). Τα πειραματικά αποτελέσματα ερμηνεύονται ως αποδεικτικά στοιχεία των αποτελεσμάτων κβαντικού περιορισμού. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν θεωρητικοί υπολογισμοί με βάση την προσέγγιση Hartree Fock όπως εφαρμόζεται σε ένα σύστημα οπών ηλεκτρονίων, στο πλαίσιο της αποτελεσματικής μαζικής προσέγγισης. Τέλος η συμφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος υποστηρίζει την ερμηνεία του κβαντικού περιορισμού.
(EL)
Πανεπιστήμιο Πατρών
