Μέτρα πολυπλοκότητας νανοδομημένων επιφανειών

Αράπης, Αθανάσιος; Arapis, Athanasios

dc.contributor.author	Αράπης, Αθανάσιος	el
dc.contributor.author	Arapis, Athanasios	en
dc.date.accessioned	2020-12-07T08:25:08Z
dc.date.available	2020-12-07T08:25:08Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52321
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20019
dc.description	Μαθηματική Προτυποποίηση σε Σύγχρονες Τεχνολογίες και στην Οικονομία
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Μέτρα πολυπλοκότητας	el
dc.subject	Νανοκλίμακα	el
dc.subject	Χωρική πολυπλοκότητα	el
dc.subject	Προσεγγιστική συμμετρία	el
dc.subject	Εφαρμογές	el
dc.subject	Complexity measures	en
dc.subject	Spatial nanocomplexity	en
dc.subject	Average symmetry	en
dc.subject	Entropy	en
dc.subject	Applications	en
dc.title	Μέτρα πολυπλοκότητας νανοδομημένων επιφανειών	el
dc.title	Measuring complexity in nanostructured surfaces	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Μαθηματικά	el
heal.classification	Νανοτεχνολογία	el
heal.classification	Φυσική	el
heal.classification	Mathematics	en
heal.classification	Physics	en
heal.classification	Nanotechnology	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-07-29
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μεθοδολογίας για τον ποσοτικό χαρακτηρισμό της πολυπλοκότητας μορφολογιών που προκύπτουν σε νανοδομημένες επιφάνειες. Το κρίσιμο σημείο είναι η διάκριση της έννοιας της πολυπλοκότητας από την αντίστοιχη της τυχαιότητας και για το σκοπό αυτό αξιοποιείται η προυπάρχουσα θεωρία των πολύπλοκων συστημάτων, όπου η έννοια και ο χαρακτηρισμός της πολυπλοκότητας διαδραματίζει κυρίαρχο ρόλο. Η προσέγγιση μας αξιοποιεί την ανάλυση του R. Alamino (Alamino, 2015) (Alamino, Average Symmetry and Complexity of Binary Sequences, 2017), όπου η ιδέα της προσεγγιστικής συμμετρίας αναπτύσσεται προκειμένου να τοποθετηθούν στην ίδια βάση η απόλυτη τυχαιότητα με την απόλυτη οργάνωση/ ομοιογένεια. Σύμφωνα με την προσέγγιση αυτή, η πολυπλοκότητα υπολογίζεται μέσω της εντροπίας, ως η απόκλιση της δομής ενός συστήματος από την προσεγγιστική συμμετρία. Στην παρούσα εργασία, προτείνεται και εφαρμόζεται ένα τροποποιημένο μέτρο, προσαρμοσμένο στις ιδιαιτερότητες των νανοεπιφανειών και των τρόπων μέτρησής τους. Αρχικά, η μέθοδος εφαρμόζεται σε συνθετικές νανοδομημένες επιφάνειες με ελεγχόμενη συνύπαρξη τυχαιότητας και οργάνωσης προκειμένου να εκτιμηθεί η απόδοση της. Υλοποιούνται τρεις εφαρμογές σε συνθετικά δεδομένα. Στην πρώτη, εισάγουμε θόρυβο σε μία επίπεδη επιφάνεια μέσα από τη σταδιακή αντικατάσταση των σημείων του επιπέδου με σημεία που έχουν τυχαία ύψη. Στην δεύτερη, το ρόλο της οργανωμένης επιφάνειας έχει μία σχεδόν ομογενής επιφάνεια με πολύ μεγάλα μήκη συσχέτισης. Η σταδιακή μείωση των συσχετίσεων τυχαιοποιεί την επιφάνεια, οδηγώντας σε μία τυχαία επιφάνεια με μηδενικές συσχετίσεις. Στην τελευταία εφαρμογή για την επικύρωση της μεθόδου, κατασκευάζουμε λοφώδεις περιοδικές επιφάνειες και η τυχαιότητα εισέρχεται μέσα από την τυχαιοποίηση των μορφολογικών χαρακτηριστικών τους (ύψη, πλάτη, θέσεις κορυφών). Η σταδιακή αύξηση του θορύβου σε ένα ή περισσότερα από αυτά τα χαρακτηριστικά εξασθενεί την περιοδικότητα και οδηγεί σε πλήρη τυχαιότητα. Σε όλες τις περιπτώσεις το μέτρο που προτείνεται παρουσιάζει μέγιστη πολυπλοκότητα στις ενδιάμεσες καταστάσεις ανάμεσα στην πλήρη τάξη και στην πλήρη τυχαιότητα ικανοποιώντας την αρχική απαίτηση. Έχοντας επικυρώσει πως η μεθοδολογία επιδεικνύει την αναμενόμενη συμπεριφορά, την εφαρμόζουμε σε πειραματικά δεδομένα δύο ειδών. Η πρώτη εφαρμογή αφορά επιφάνειες πολυμερών υλικών μετά από εγχάραξη τους σε πλάσμα οξυγόνου. Οι μετρήσεις της μορφολογίας των επιφανειών πραγματοποιήθηκαν με μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (εικόνες AFM). Τα αποτελέσματα της ανάλυσής μας δείχνουν αύξηση της πολυπλοκότητας των επιφανειών όσο αυξάνεται ο χρόνος εγχάραξης των επιφανειών. Επιπλέον, αξιοποιώντας την πλήρη καμπύλη της εξάρτησης της εντροπίας από την κλίμακα υπολογισμού της, διακρίνουμε την αύξηση της πολυπλοκότητας στους μικρούς χρόνους από αυτή στους μεγάλους αφού στην πρώτη περίπτωση οφείλεται σε αλλαγές σε εντοπισμένο εύρος κλιμάκων (εξασθένηση περιοδικότητας) ενώ στη δεύτερη εκτείνεται σε όλες τις κλίμακες. Η δεύτερη εφαρμογή αφορά επιφάνειες αλουμινίου μετά από υγρή εγχάραξη με δύο διαφορετικούς εγχαράκτες (AlCl3 και CuCl2) και υδρατμούς για να μικροδομηθούν και νανοδομηθούν αντιστοίχως. Οι επιφάνειες μελετώνται μέσα από διαφορετικές λήψεις μικροσκοπίου ηλεκτρονικής σάρωσης (εικόνες SEM). Το προτεινόμενο μέτρο δείχνει να επαληθεύει την διαίσθηση μας για την ετερογένεια των επιφανειών και ποσοτικοποιεί την αλλαγή της πολυπλοκότητας συναρτήσει του εγχαράκτη. Παράλληλα, συνάδει με την διαφοροποίηση στη λειτουργικότητα που έχει η κάθε επιφάνεια μετά την εγχάραξη όσον αφορά την συσχέτισή της με τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας.	el
heal.abstract	The aim of this work is to elaborate a methodology for the quantitative characterization of the complexity of the morphology of nanostructured surface. The key point is the distinction of complexity from randomness contrary to the common belief. The inspiration is coming from the science of complex systems where the notion and characterization of the complexity of a system plays a fundamental role. In particular, our approach is based on the work by R. Alamino (Alamino, 2015) where the notion of the average symmetry is elaborated to put on the same footing full order and full randomness. According to this approach, we define the complexity with an entropy-based metric quantifying the “distance” of a system structure from average symmetry. Here, we propose and apply an alternative of this measure to adapted to the needs of surface roughness characteristics. First, the method is tested to synthesized nanostructured surfaces with controlled mixture of randomness and order to validate its performance. Three series of synthesized surfaces are used. In the first case, the full order is represented by a homogeneous flat surface and noise is added by gradually and randomly replacing the surfaces points. In the second case, the full order is represented by an almost homogeneous surface with very large correlation length and the randomness is introduced through a reduction of correlations (smaller correlation length) resulting in the random morphology of almost zero correlation length. In the last case, we construct mounded periodic surfaces which are ordered. Randomness is induced by affecting positions, widths and heights of the surface’ peaks. The gradual increase of noise amplitude in these dimensions degrades periodicity and leads to fully randomization of the surface. In all cases, the proposed metric of complexity exhibits a bell-like curve with a maximum in between full order and randomness. Besides, the applications in synthesized surfaces, the complexity measure has been applied in real surfaces of polymer materials after their treatment in plasma reactors measured with Atomic Force Microscope. The polymer morphology presents an increased complexity in the course of etching time which cannot be described with the conventional math tools. It has also been applied to surfaces of Aluminium which are etched subsequently with a solution of AlCl3 or CuCl2 and then with boiling water to create the micro and nanostructuring respectively. The surfaces are depicted with top-down SEM images. The proposed complexity metric seems to capture our intuition and quantify the change of complexity with etch solution (AlCl3 or CuCl2) in accordance with the variation of the functionality of surfaces in heat transfer.	en
heal.advisorName	Κωνσταντούδης, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Κωνσταντούδης, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Προβατά, Αστέρω	el
heal.committeeMemberName	Διάκονος, Φώτιος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	89 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false