«Δομικός και μαγνητοηλεκτρικός χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων βισμουθίου» - Κουτσοκώστας, Νικόλαος (Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2018)
Στόχος της μεταπτυχιακής εργασίας ήταν να παρασκευαστούν λεπτά υμένια (φιλμ) βισμουθίου με την τεχνική του sputtering και εν συνεχεία να μελετηθούν τα χαρακτηριστικά τους. Ως υπόστρωμα της εναπόθεσης χρησιμοποιήθηκε ένα θερμοανθεκτικό μηχανολογικό πλαστικό, το kapton. Πρόκειται για ένα εύκαμπτο υλικό σε μορφή λεπτού φιλμ πάχους 25 μm. Το βασικό πλεονέκτημα του υποστρώματος kapton είναι ότι είναι ένα εύκαμπτο υλικό που διατηρεί τις φυσικές του ιδιότητες σε μία ευρεία κλίμακα θερμοκρασιών (από -269 °C έως 400 °C). Τα χαρακτηριστικά αυτά το καθιστούν ιδανικό για τις σύγχρονες ηλεκτρονικές εφαρμογές. Το Βισμούθιο είναι ένα ημιμέταλλο σε συμπαγή κατάσταση, με μία ανισοτροπική επιφάνεια Fermi και μικρή επικάλυψη (38 meV) ανάμεσα στην ζώνη σθένους και ζώνη αγωγιμότητας. Έχει μεγάλο φυσικό ενδιαφέρον, λόγω των ασυνήθιστων ιδιοτήτων αγωγιμότητας, όπως η μικρή ενεργός μάζα, η χαμηλή συγκέντρωση και η μεγάλη μέση ελεύθερη διαδρομή των φορέων αγωγιμότητας (1.35 μm). Είναι επίσης ισχυρό διαμαγνητικό υλικό και παρουσιάζει μεγάλη μαγνητοαντίσταση. Λόγω αυτών των ιδιοτήτων χαρακτηρίζεται από κβαντικές ιδιότητες αγωγιμότητας και φαινόμενα κβαντικού εντοπισμού, γεγονός που το καθιστά ένα υλικό για τη μελέτη αυτών των φαινομένων. Με την τεχνική της καθοδικής ιοντοβολής (magnetron sputtering) παρασκευάστηκαν κοκκώδη (granular) λεπτά φιλμ Βισμουθίου. Αρχικά αναπτύχθηκαν λεπτά φιλμ Βισμουθίου (Βί) με πάχος 50 nm σε εύκαμπτο υποστρώμα kapton, σε θερμοκρασίες 20, 80, 120, 200 και 270 C. Επίσης, αναπτύχθηκαν λεπτά φιλμ Βισμουθίου (Βί) με πάχος από 3nm έως 200nm σε εύκαμπτο υπόστρωμα kapton, σε θερμοκρασία δωματίου (RT). Αρχικά έγινε εξέταση των δειγμάτων με την τεχνική της περίθλασης ακτίνων Χ (XRD). Οι κύριες κορυφές περίθλασης που παρατηρήθηκαν στις σαρώσεις XRD των Heating δειγμάτων είναι η (003) στη θέση 2θ = 22.468 και η (012) στη θέση 2θ = 27.165. Τα διαγράμματα XRD έδειξαν ότι καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται από RT στους 271 °C, παρατηρείται βαθμιαία μείωση της κορυφής (003) και βαθμιαία άνοδος της κορυφής (012). Επίσης έχουμε μία σταδιακή μείωση της κορυφής (006) καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται από RT στους 271 C.Στη συνέχεια έγινε μορφολογικός και δομικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων μέσω ατομικής μικροσκοπίας δύναμης (AFM) και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (FESEM). Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης εκπομπής πεδίου (FESEM) αλλά και με το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM), αποκάλυψαν μια νανοκοκκώδη δομή, με προοδευτική μεταβολή της μορφολογίας των κόκκων και της υφής των δειγμάτων, που παρουσιάζουν ένα μίγμα λεπτών κόκκων και λόφων από RT σε 271 C. Ιδιαίτερα στους 271 C (σημείο τήξης του βισμούθιου), παρουσιάζονται ομοιόμορφες κρυσταλλικές δομές. Κατόπιν ακολούθησε η μελέτη των ιδιοτήτων μαγνητοαγωγιμότητας (magnetotransport) των δειγμάτων με χρήση του οργάνου PPMS της Quantum Design. Οι μετρήσεις της αντίστασης (R) και της μαγνητοαντίστασης (MR) με PPMS υποδεικνύουν συστηματικές μεταβολές στη γωνιακή εξάρτηση του MR. Επίσης έχουμε την εμφάνιση μιας γραμμικότητας στην αντίσταση των δειγμάτων βισμούθιου σε πεδία άνω του 0.2 Tesla. Οι συσχετίσεις του μαγνητικού πεδίου σε εύκαμπτο υπόστρωμα (kapton) με βάση το βισμούθιο, έχουν το πλεονέκτημα ότι παρουσιάζουν μια γραμμική χαρακτηριστική καμπύλη σε ένα μεγάλο εύρος μαγνητικού πεδίου και έχουν μια σημαντική ευαισθησία κάθετη στο επίπεδο του φιλμ. Τέλος, πραγματοποιήθηκε ανάλυση των αποτελεσμάτων όλων των παραπάνω μεθόδων με χρήση υπολογιστικών προγραμμάτων και συσχέτιση των ιδιοτήτων αυτών των δειγμάτων.