Αυτο-οργάνωση νανοσωματιδίων με εφαρμογές σε χημικούς αισθητήρες

Abstract

Στην παρούσα εργασία επιχειρείται η χρήση αυτό-οργανωμένων νανοσωματιδίων για την κατασκευή αισθητήρων κυρίως αερίων χημικών ουσιών. Τα νανοσωματίδια που χρησιμοποιούνται στις εφαρμογές αισθητήρων είναι μεταλλικά ενώ αυτό-οργανώνονται σε υποστρώματα πυριτίου ή πολυιμιδίου μέσω της εκτύπωσης τους από έναν εκτυπωτή ψεκασμού μελάνης ή κατευθείαν μετά την παραγωγή τους από ένα σύστημα ιοντοβολής υπό κενό. Κύριο ενδιαφέρον της εργασίας αποτελεί η ανίχνευση εξωτερικών ερεθισμάτων μέσω μεταβολών στην αγωγιμότητα/ηλεκτρική αντίσταση των αισθητήρων Η εργασία διαρθρώνεται σε δύο κυρίως μέρη, το εισαγωγικό και το πειραματικό. Στο εισαγωγικό μέρος (κεφάλαιο 1) περιγράφονται οι επιπτώσεις της μετάβασης στην νανοκλίμακα ενώ παράλληλα αναλύονται οι σημερινές τάσεις όσον αφορά την χρήση νανοσωματιδίων σε εφαρμογές χημικών αισθητήρων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην περιγραφή των μηχανισμών αγωγιμότητας που διέπουν τα φαινόμενα μεταφοράς φορτίου μεταξύ νανοσωματιδίων μια και αποτελούν την βάση του μηχανισμού ανίχνευσης του αισθητήρα, αλλά και στην ταυτοποίηση των μηχανισμών αγωγιμότητας για τους αισθητήρες που περιγράφονται στο πειραματικό κομμάτι. Το εισαγωγικό κομμάτι της εργασίας κλείνει με την περιγραφή των κύριων πειραματικών διαδικασιών/τεχνικών για την κατασκευή των αισθητήρων. Το πειραματικό μέρος της εργασίας χωρίζεται σε τρία κύρια μέρη. Στο πρώτο μέρος (κεφάλαιο 2) περιγράφονται και αξιολογούνται χημικοί αισθητήρες αερίων που παρασκευάστηκαν εξολοκλήρου μέσω εκτύπωσης τόσο των νανοσωματιδίων όσο και του πολυμερικού στρώματος ανίχνευσης. Για τους χημικούς αισθητήρες του δεύτερου μέρους (κεφάλαιο 3) τα νανοσωματίδια παράγονται και εναποτίθενται μέσω ενός συστήματος ιοντοβολής ενώ τα υποστρώματα εναπόθεσης είναι είτε υποστρώματα πυριτίου ή πολυιμιδίου. Τέλος στο τρίτο κομμάτι (κεφάλαιο 4) παρατίθενται επιπλέον εφαρμογές αισθητήρων από την ίδια ουσιαστικά πλατφόρμα ανίχνευσης. Πιο συγκεκριμένα διατάξεις μεταλλικών νανοσωματιδίων ανιχνεύουν παραμόρφωση υποστρώματος αλλά και βιολογικά γεγονότα όπως την υβριδοποίηση αλυσίδων DNA. Η εργασία ολοκληρώνεται με κάποια γενικά συμπεράσματα αλλά και προτάσεις για μελλοντικές εργασίες ενώ παρατίθεται πλήρης λίστα δημοσιεύσεων.

In the present PhD thesis the use of self-organized nanoparticles, mainly for chemical sensing applications, is explored. The nanoparticles used throughout the thesis are metallic and are deposited on silicon or polyimide substrates by means of ink-jet printing or inside a vacuum sputtering system. The main interest of this thesis is the detection of an agent by conductivity/resistance changes in the sensors. The thesis is organized in two main parts, the introductory part and the experimental part. In the first part (chapter 1) the ramifications of using nano-sized materials and the current trends in the use of nano-materials for chemical sensing applications are discussed. Particular emphasis is given in the presentation of the mechanisms governing charge transport phenomena through nanoparticles, being the ‘’backbone’’ of the sensor, and on the identification of the transport mechanisms for the sensors described in the experimental part. The first part closes with a brief description of the main experimental/fabrication techniques used for the fabrication of the sensors. The experimental part of the thesis is consisted of three sub-parts. The first sub-part (chapter 2) discusses the fabrication and evaluation of chemical gas sensors fabricated entirely by means of ink-jet printing (for both nanoparticle and polymer layer). The second one (chapter 3) focuses on sensors in which the nanoparticle layer is produced by means of DC sputtering while the sensor’s substrates can either be silicon or polyimide. Finally in the third part (chapter 4) additional sensing applications, based on the same nanoparticle sensing platform, are given. To be more specific nanoparticle strain-sensing and bio sensing applications are being discussed. The thesis is completed by some general remarks/conclusions and by proposing future work prospects.