Σύνθεση τελειών άνθρακα και αξιοποίηση στην ανάπτυξη μίκρο- και νανοσυσκευών και διατάξεων

Abstract

The aim of this doctoral thesis is the synthesis and characterization of Carbon Dots and their use for the development of micro- and nano- devices. Carbon Dots were first discovered in 2004 and are the newest member in the family of carbon nanomaterials. They have drawn scientific interest due to the facile and low-cost synthetic processes available and their low cytotoxicity, but mainly due to their photoluminescence when excited by visible and ultraviolet light. Although to date most of the mechanisms that govern their physicochemical properties have not been yet uncovered, these novel nanomaterials could be excellent candidates for a series of applications.The scientific methodology of this thesis is divided into three separate axes; at first, the synthesis of Carbon Dots by microwave-assisted hydrothermal methods is studied and the materials are characterized for their chemical and structural properties. This characterization takes place in both solutions and the solid state. Secondly, the research focuses on the fluorescent response of the synthesized Carbon Dots. Their photoluminescence is studied in solutions as well as in the solid state and the mechanisms governing it are discussed in association with the results of their chemical and structural characterization.Lastly, methodologies are developed which allow the fabrication of devices based on Carbon Dots. Two different approaches are discussed along with their respective process characterization and the resulting devices are also characterized for their functional properties.Studies of Carbon Dots are still in an early stage, with their structure and optical properties being a topic of intense discussion. To date, research regarding these novel nanomaterials has focused on their properties and applications in the form of solutions.The results of this doctoral thesis contribute to further understanding the chemical and structural properties of Carbon Dots and their association with their fluorescent properties. In addition, the conclusions derived extend to the properties of the materials in solid state, which is an important prerequisite for their utilization in device design and fabrication applications.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός Τελειών Άνθρακα με στόχο την αξιοποίησή τους σε μίκρο- και νανοσυσκευές και διατάξεις. Οι Τελείες Άνθρακα, οι οποίες ανακαλύφθηκαν το 2004 και αποτελούν τη νεότερη προσθήκη στην οικογένεια των νανοϋλικών με βάση τον άνθρακα, έχουν προσελκύσει το ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω των εύκολων και χαμηλού κόστους μεθόδων σύνθεσής τους, της χαμηλής τοξικότητας που παρουσιάζουν αλλά κυριότερα λόγω του φθορισμού που επιδεικνύουν κατά τη διέγερσή τους στο εγγύς υπεριώδες και ορατό φάσμα. Παρόλο που μέχρι σήμερα το μεγαλύτερο μέρος των ιδιοτήτων τους και των μηχανισμών που τις διέπουν δεν έχουν αποσαφηνιστεί πλήρως, τα υλικά αυτά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για μια σειρά από δυνητικές εφαρμογές.Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε σε ερευνητικό επίπεδο χωρίζεται σε τρεις διακριτούς άξονες. Αρχικά αναπτύσσονται Τελείες Άνθρακα μέσω υδροθερμικής σύνθεσης με τη βοήθεια μικροκυματικής ακτινοβολίας, οι οποίες έπειτα χαρακτηρίζονται ως προς τις χημικές και δομικές τους ιδιότητες στην υγρή και στερεά κατάσταση. Στη συνέχεια γίνεται ανάλυση της ιδιότητας φθορισμού τους και ερευνώνται οι μηχανισμοί που διέπουν τη φωτοφωταύγεια των νανοϋλικών, ενώ επίσης γίνεται σύνδεση αυτών με τα δομικά χαρακτηριστικά τους. Τέλος, ερευνώνται τεχνικές για την αξιοποίηση των Τελειών Άνθρακα στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη μίκρο- και νανοσυσκευών, οι οποίες στη συνέχεια μελετώνται ως προς τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους.Η μελέτη των Τελειών Άνθρακα βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο στάδιο με τη δομή και τις οπτικές τους ιδιότητες να αποτελούν πεδίο συζήτησης. Μέχρι στιγμής, η έρευνα των νέων αυτών υλικών έχει επικεντρωθεί κυρίως στις ιδιότητές τους στην υγρή φάση, ενώ αντίστοιχα οι περισσότερες εφαρμογές που έχουν διερευνηθεί αφορούν διαλύματά τους.Τα συμπεράσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής συμβάλουν στην περαιτέρω κατανόηση των χημικών χαρακτηριστικών και της δομής των Τελειών Άνθρακα και επιτυγχάνουν τη σύνδεσή τους με τους μηχανισμούς φθορισμού. Παράλληλα τα αποτελέσματα διευρύνονται και στις ιδιότητες των υλικών στη στερεά κατάσταση, που αποτελεί σημαντικό προαπαιτούμενο για την αξιοποίησή τους σε εφαρμογές σχεδιασμού και ανάπτυξης διατάξεων.Τέλος, οι μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής επιτρέπουν την εναπόθεση, επεξεργασία και μορφοποίηση των Τελειών Άνθρακα υπό την μορφή λεπτών υμενίων με κλασικά εργαλεία της μικροηλεκτρονικής, όπως για παράδειγμα η οπτική λιθογραφία, προσφέροντας τη δυνατότητα για αξιοποίηση τους ως δομικά ενεργά στοιχεία στην κατασκευή μίκρο- και νανοσυσκευών και διατάξεων.