Υποστήριξη Διδακτορικής Διατριβής - Γεώργιος Πατεράκης

Ο σκοπός της συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των ηλεκτρικών, θερμικών και αντιδιαβρωτικών ιδιοτήτων του γραφενίου μέσω της χρήσης του σε κατάλληλες διατάξεις και εφαρμογές. Η ανάλυση των λειτουργικών χαρακτηριστικών των διατάξεων, παρέχει τη δυνατότητα της μελέτης των ιδιοτήτων των γραφενικών υλικών που τις δομούν, ενώ παράλληλα, κατευθύνει την κατάλληλη τροποποίησή τους για τη βελτιστοποίηση των λειτουργικών χαρακτηριστικών διατάξεων.

Στα πλαίσια της διατριβής χρησιμοποιήθηκε γραφένιο που προήλθε από δύο διαφορετικές μεθόδους σύνθεσης: (α) τη χημική εναπόθεση ατμών (CVD γραφένιο) και (β) τη χημική αποφλοίωση του γραφίτη (GO). Το κάθε ένα από αυτά έχει διαφορετικές ιδιότητες και είναι κατάλληλο για διαφορετικές εφαρμογές. Εκτός αυτού όμως, και τα δύο είδη γραφενίου τροποποιήθηκαν περαιτέρω με σκοπό τη μεταβολή των ιδιοτήτων τους και τη μελέτη τους μέσω διαφορετικών εφαρμογών. Στην περίπτωση του CVD γραφενίου, αναπτύσσονται διάφανες θερμαντικές διατάξεις, μέσω των οποίων εξετάζεται η επίδραση της νόθευσης του γραφενικού πλέγματος στις ηλεκτρικές, θερμικές και οπτικές ιδιότητές του. Αντίστοιχα, στην περίπτωση του GO, αναπτύσσονται γραφενικού τύπου αντιδιαβρωτικές επιστρώσεις σε μεταλλικά υποστρώματα, μέσω των οποίων μελετάται η επίδραση της τροποποίησης της δομής του GO στη δημιουργία φραγμού στη διαπερατότητα μορίων και τη χημική σταθερότητά του.

Αρχικά, στο θεωρητικό μέρος της διατριβής, αναλύονται οι βασικές έννοιες σχετικά με το γραφένιο (Κεφάλαιο 1), τις θερμαντικές διατάξεις (Κεφάλαιο 2) και τη διάβρωση των μετάλλων (Κεφάλαιο 3), ενώ στο Κεφάλαιο 4 αναφέρεται η πειραματική μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την πραγματοποίηση των μετρήσεων. Στη συνέχεια, στο πρώτο μέρος των αποτελεσμάτων (Μέρος Ι, Κεφάλαια 5 και 6), μελετώνται οι ιδιότητες των γραφενικών υλικών μετά από τη σύνθεσή τους καθώς και μετά από τις αντίστοιχες τροποποιήσεις, ενώ στο δεύτερο μέρος (Μέρος ΙΙ, Κεφάλαια 7 και 8) μελετώνται ιδιότητές τους μέσω των λειτουργικών χαρακτηριστικών των αντίστοιχων διατάξεων. Στο τελευταίο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 9) παρατίθενται συγκεντρωτικά όλα τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη μελέτη των γραφενικών υλικών και των ιδιοτήτων τους.

Στην περίπτωση του CVD γραφενίου εξετάζονται αρχικά τα μορφολογικά και φασματοσκοπικά χαρακτηριστικά του στα στάδια της σύνθεσής του σε υποστρώματα χαλκού, και της μεταφοράς του από αυτά, με σκοπό τη μείωση των ατελειών του πλέγματός του που είναι υπεύθυνες για την υποβάθμιση των ιδιοτήτων του. Αντίστοιχα, εξετάζεται διεξοδικά η διεπιφανειακή σύνδεση του γραφενίου με το πολυμερικό στρώματος μεταφοράς, τόσο μακροσκοπικά όσο και στη νανοκλίμακα, ενώ παράλληλα, μελετάται η ενέργεια πρόσφυσης συναρτήσει της θερμοκρασίας έως τους 200 °C. Η μελέτη της διεπαφής των δύο υλικών συμβάλει στη σταθερότητα της δομής του γραφενίου και στην περαιτέρω μείωση των ατελειών του πλέγματος του. Παράλληλα, η μεταβολή των ιδιοτήτων του γραφενίου εξετάζεται μέσω της νόθευσής του με τη χρήση υδατικών διαλυμάτων  χλωριδίων των μετάλλων του FeCl₃, CuCl₂ και AuCl₃. Από τη μελέτη αυτή φαίνεται η αλληλεπίδραση του γραφενίου με τα διαφορετικά νοθευτικά μόρια που σχηματίζονται στην επιφάνεια του πλέγματος του, καθώς και η σημαντική μεταβολή που επιφέρουν στις ιδιότητές του.

Περαιτέρω διερεύνηση των ιδιοτήτων του CVD γραφενίου γίνεται μέσω των διάφανων θερμαντικών διατάξεων, οι οποίες αναπτύσσονται σε διαφορετικές σειρές ανάλογα με τις διαστάσεις, τον αριθμό των φύλλων του γραφενίου, και τη μέθοδο εφαρμογής της νόθευσης σε αυτά. Από τον ηλεκτροθερμικό χαρακτηρισμό που ακολουθεί, προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα για την αξιολόγηση της νόθευσης του γραφενίου και των μεταβολών που παρέχουν τα διαφορετικά νοθευτικά μόρια στις ιδιότητές του. Αντίστοιχα συμπεράσματα προκύπτουν και από τη μακροσκοπική ανάλυση των λειτουργικών χαρακτηριστικών διατάξεων, σχετικά με τη σταθερότητα της λειτουργίας τους συναρτήσει του χρόνου και την κατανομή της θερμοκρασίας στη δομή τους, που είναι επακόλουθο των ιδιοτήτων του γραφενίου.

Στην περίπτωση του GO αναπτύσσεται μια νέα μέθοδο χημικής σύνθεσης, με σκοπό τη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του ως προς την ανάπτυξη αντιδιαβρωτικών επιστρώσεων. Κατά τη σύνθεση του GO, οι τροποποιήσεις των ιδιοτήτων του έχουν άμεση σχέση με την τροποποίηση της δομής του ως προς το μέγεθος των φύλλων, τον βαθμό αποφλοίωσης και την παρουσία των οξυγονούχων ομάδων στο πλέγμα του. Ενώ παράλληλα, η απόδοση στην παραγόμενη ποσότητα ήταν αρκετά υψηλή.

Η διερεύνηση των αντιδιαβρωτικών ιδιοτήτων των GOs εξετάζεται μέσω της ανάπτυξης αντιδιαβρωτικών επιστρώσεων στην επιφάνεια μεταλλικών υποστρωμάτων. Αρχικά, αναπτύσσονται αντιδιαβρωτικές επιστρώσεις σε μεταλλικά υποστρώματα, που διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το πάχος, από μερικά nm έως ~1 μm, και το υλικό, επιστρώσεις αποτελούμενες αποκλειστικά από GOs ή επιστρώσεις νανοσύνθετων των υλικών αυτών. Ενώ στις επιστρώσεις των GOs εξετάζεται η περαιτέρω βελτίωση των ιδιοτήτων τους μέσω της αναγωγής τους μετά την επίστρωση. Στην περίπτωση των λεπτών επιστρώσεων, εξετάζεται η προστατευτική επίδραση που μπορούν να παρέχουν τα GOs, κατά της διάβρωσης φύλλων αλουμινίου. Οι ανηγμένες μορφές του GO παρουσιάζουν υψηλά ποσοστά προστασία του αλουμινίου σε περιβάλλον H₂SO₄ 0.5 M και LiClO₄ 1M, και αρκετά υψηλότερα συγκριτικά με εμπορικά διαθέσιμα δείγματα. Παράλληλα, στις επιστρώσεις πάχους ~1 μm, μελετάται η αντιδιαβρωτική δράση διαφορετικών ανηγμένων μορφών του GO, στην προστασία από τη διάβρωση του αλουμινίου, του χαλκού και του σιδήρου, σε περιβάλλον H₂SO₄ 0.5 M και NaCl 3.5 %. Από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων των παραπάνω επιστρώσεων, εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα για τη δυνατότητα τροποποίησης του GO μετά την επίστρωση του, καθώς και για τη μεταβολή των ιδιοτήτων του. Tέλος, εξετάζεται η προστατευτική δράση νανοσύνθετων εποξειδικής ρητίνης θερμικά διογκωμένου και ανηγμένου GO κατά της διάβρωσης του χαλκού, όπου προκύπτει η σημαντική αύξηση του βαθμού προστασίας της εποξειδικής ρητίνης με την προσθήκη μόλις 0.1 % γραφενικού υλικού.