Η εργασία αυτή περιγράφει αναλυτικά την κατασκευή και αξιολόγηση πειραματικής διάταξης ανακλαστικότητας ακτίνων-Χ, που πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Με τη βοήθεια αυτής της πειραματικής διάταξης θα είναι εύκολος ο καθορισμός των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων επιφανειών καθώς επίσης και η μελέτη υμενίων τα οποία έχουν προσροφηθεί σε υποστρώματα. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας παρουσιάζονται οι βασικές σχέσεις υπολογισμού της ανακλαστικότητας καθώς και η μέθοδος ανάλυσης των πειραματικών αποτελεσμάτων. Στο επόμενο κεφάλαιο παρουσιάζονται αναλυτικά όλα τα βήματα που πραγματοποιήθηκαν για την κατασκευή της πειραματικής διάταξης. Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται όλα τα μηχανικά μέρη του φασματόμετρου καθώς και οι απαιτούμενες ρυθμίσεις που πραγματοποιήθηκαν προκειμένου να εξασφαλιστεί η σωστή λειτουργία του. Με λήψη ενός φάσματος από ένα δείγμα πυριτίου και τον προσδιορισμό των γωνιών Bragg αποδείχθηκε η σωστή λειτουργία του γωνιομέτρου. Το επόμενο βήμα ήταν ο υπολογισμός της διακριτικής ικανότητας της συσκευής. Με υπολογιστικό πρόγραμμα [Ν. Κάτσενου Διπλωματική Εργασία] το οποίο λαμβάνει υπόψη του όλη την γεωμετρία της διάταξης υπολογίστηκε η διακριτική ικανότητα της συσκευής. Η τιμή της είναι 0.0120 και είναι σταθερή για τις γωνίες από 0.20 έως 1.60. Προκειμένου να βελτιωθεί η τιμή της διακριτικής ικανότητας είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν πολύ λεπτές σχισμές τόσο στη λυχνία όσο και στον απαριθμητή. Επιπροσθέτως κατασκευάστηκε ειδική διάταξη, “μαχαίρι”, το οποίο στηρίζεται στην βάση του δείγματος και όπως διαπιστώθηκε βελτιώνει την διακριτική ικανότητα της διάταξης και μειώνει το υπόστρωμα.. Ως τελευταίο βήμα ήταν ο υπολογισμός του υποστρώματος και η διόρθωσή του. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά η διαδικασία διόρθωσης του υποστρώματος σε ένα φάσμα ανακλαστικότητας. Στην συνέχεια παρουσιάζονται πειραματικές μετρήσεις από διάφορα δείγματα. Σε όλα τα δείγματα χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα πυρίτιο. Στα περισσότερα από αυτά προσροφήθηκε, με την μέθοδο επίστρωσης με περιστροφή του υποστρώματος, πολυστηρένιο. Χρησιμοποιήθηκαν διάφορες συγκεντρώσεις διαλύματος πολυστηρενίου σε τολουόλιο προκειμένου να δημιουργηθούν δείγματα με διαφορετικά πάχη. Επίσης με την μέθοδο της εξάχνωσης εναποτέθηκε υμένιο αλουμινίου σε υπόστρωμα πυριτίου. Από τις πειραματικές μετρήσεις που προέκυψαν για την ανακλαστικότητα προκύπτει ότι η κρίσιμη γωνία ανάκλασης είναι 0.220 ενώ για γωνίες μεγαλύτερες από αυτή η ανακλαστικότητα αρχίζει και μειώνεται απότομα. Μέχρι την γωνία 2.00 η τιμή της ανακλαστικότητας μειώνεται περίπου έξι τάξεις μεγέθους. Χρησιμοποιώντας τις πειραματικές μετρήσεις που πήραμε μπορούμε να εξάγουμε πληροφορίες για το πάχος, την πυκνότητα και την τραχύτητα των επιφανειών που μελετάμε. Διαπιστώθηκε λοιπόν ότι η συσκευή λειτουργεί ικανοποιητικά. Βελτιώσεις που μπορούν να γίνουν αφορούν: α) Την κατασκευή θαλάμου κενού εντός του οποίου θα ευρίσκεται το δείγμα. Η βελτίωση αυτή θα επιτρέψει να λαμβάνονται φάσματα ανακλαστικότητας με πολύ χαμηλό υπόστρωμα. Με τον τρόπο αυτό θα βελτιωθεί η ποιότητα των φασμάτων για γωνίες ανάκλασης μεγαλύτερες από 1.20 γεγονός που θα δώσει πιο σαφής πληροφορίες για τη δομή πολύ λεπτών υμενίων. β) Μακροπρόθεσμα θα τοποθετηθεί στη συσκευή σύστημα παραλληλισμού της δέσμης το οποίο θα αυξήσει την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στο δείγμα. Με τον τρόπο αυτό θα ελαττωθεί ο χρόνος λήψης του συνολικού φάσματος ενώ ταυτόχρονα θα βελτιωθεί η στατιστική ιδιαίτερα στις μεγάλες γωνίες σκέδασης και θα καταστεί έτσι άνετη η μελέτη εξαιρετικά λεπτών υμενίων (μικρότερα των 20Å). / -

Η παρούσα εργασία εστιάζεται στη μελέτη και την αλγοριθμική υλοποίηση των κλασσικών θεωριών Ενεργού Μέσου που αναπτύχθηκαν από τους Maxwell-Garnett και Bruggeman, μεταγενέστερες επεκτάσεις τους καθώς επίσης και ενός μοντέλου βασισμένο στη «θεωρία Mie», με σκοπό να διερευνηθεί εάν και σε ποιόν βαθμό, μπορούν να συμβάλλουν στην προσομοίωση του φαινομένου της τραχύτητας των διεπιφανειών μιας πολυστρωματικής δομής. Στόχος ακόμα της εργασίας είναι η ανάπτυξη φιλικού προς το χρήστη λογισμικού σε περιβάλλον Matlab, το οποίο να ενσωματώνει όλες τις υλοποιήσεις των ανωτέρω θεωριών Ενεργού Μέσου αλλά και εν μέρει να αυτοματοποιεί μέσω αυτών, τη αντιμετώπιση του φαινομένου της τραχύτητας. Το λογισμικό που αναπτύχθηκε συνδυάστηκε με υφιστάμενο λογισμικό της θεωρίας Χαρακτηριστικού Πίνακα για την συνολική αποτίμηση των οπτικών ιδιοτήτων σύνθετων επιστρώσεων. Στο πειραματικό σκέλος της εργασίας, αναπτύχθηκαν με τις μεθόδους Doctor Blade και εξάχνωσης με πυροβόλο δέσμης ηλεκτρονίων, δείγματα μονής επίστρωσης (διηλεκτρικών 𝑇𝑇𝑇2,𝑍𝑛𝑇), διπλής επίστρωσης τύπου «διηλεκτρικό-μέταλλο» (𝑊𝑇3/𝐴𝑔) και τριπλής επίστρωσης τύπου «διηλεκτρικό–μέταλλο-διηλεκτρικό» (𝑊𝑇3/𝐴𝑔/𝑊𝑇3). Για την ασφαλή αξιολόγηση των διαφόρων θεωρητικών μοντέλων που αναπτύχθηκαν, διενεργήθηκαν πολλαπλές μετρήσεις μορφολογίας, πάχους, τραχύτητας και οπτικής συμπεριφοράς (AFM, SEM, XRR, Προφιλομετρία ακίδας, UV-Vis φασματομετρία) Έτσι, τα πεδία σύγκρισης των μοντέλων με τα πειραματικά δεδομένα ήταν τα διαγράμματα φασματικής διαπερατότητας/ανακλαστικότητας και τα επιμέρους πάχη των συμπαγών στρωμάτων και των διεπιφανειών. Από τις απόπειρες προσομοίωσης των παραπάνω επιστρώσεων προκύπτουν σημαντικά συμπεράσματα αναφορικά με την εγκυρότητα των θεωρητικών μοντέλων ως προς την ικανότητα περιγραφής της οπτικής συμπεριφοράς. Το μοντέλο “Mie” περιγράφει εξαιρετικά την οπτική συμπεριφορά απλών υμενίων με έντονη παρουσία αέρα στο εσωτερικό τους, ανεξάρτητα από τα χαρακτηριστικά τραχύτητας που παρουσιάζουν. Αντίθετα, η εγκυρότητα των θεωριών Ενεργού Μέσου σε αυτές τις περιπτώσεις εξαρτάται αυστηρά από τα χαρακτηριστικά τραχύτητας. Παρόλα αυτά οι θεωρίες Ενεργού Μέσου και ιδιαίτερα η περίπτωση Bruggeman, επιτυγχάνουν μια ιδιαίτερα σημαντική βελτίωση στην πρόβλεψη της οπτικής συμπεριφοράς πολυστρωματικών επιστρώσεων – όπου η θεωρία Mie αποτυγχάνει - με την ενσωμάτωσης της τραχύτητας επιφάνειας και διεπαφών. Τέλος δίνονται κατευθύνσεις για την περεταίρω βελτίωση των μοντέλων εξομοίωσης της τραχύτητας αλλά και για την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου προγράμματος που θα αντιμετωπίζει συνολικά το θέμα της θεωρητικής σχεδίασης επιστρώσεων λεπτών υμενίων. Αποτελέσματα της παρούσας, χρησιμοποιήθηκαν στην δημοσιευθείσα εργασία: • E. Koubli, S. Tsakanikas, G. Leftheriotis*, G. Syrrokostas and P. Yianoulis, Optical properties and stability of near-optimum WO3/Ag/WO3, Solid State Ionics. / This work focuses on the study and algorithmic implementation of the classical Effective Medium theories developed by Maxwell-Garnett and Bruggeman, subsequently extended versions of them as well as a “Mie Theory” based model, in order to investigate whether - and to which extend - they can be exploited for the simulation of surface and interface roughness of a multilayer structure. It also aims in the development of user-friendly software (Matlab graphical user interface), which will integrate the implementations of all the above theories, in order to easily attain different approaches to the composite medium and to deal with the phenomenon of roughness. The overall assessment of the optical properties of composite, multilayer coatings was achieved by the combination of the software described above with an existing Transfer Matrix program. The experimental part of this work included the development, through Doctor Blade and E-gun Vapor Deposition techniques, of single-layer coatings (𝑇𝑇𝑇2, ZnO dielectrics), double-layer coatings of the "dielectric-metal" type (𝑊𝑇3/𝐴𝑔) and triple-layer coatings of the "dielectric-metal-dielectric" type (𝑊𝑇3/𝐴𝑔/𝑊𝑇3). For the safe evaluation of the developed theoretical models, multiple experimental techniques (AFM, SEM, XRR, Step Profilometry, and UV-Vis Spectrometry) were used for the measurement of the morphology, thickness, roughness and optical performance of the coatings. Thus, the evaluation of the theoretical models was based upon the comparison to the experimental data, using criteria such as the spectral transmittance/reflectance response and the thickness of the individual compact layers and interfaces of the coatings. The simulations of the above coatings yielded important conclusions regarding the validity of the theoretical models in the description of optical behavior. "Mie" model is found to describe extremely well the optical properties of simple thin-films containing significant amounts of air, regardless of the roughness characteristics that they present. On the contrary, the validity of Effective Medium theories in such cases is strongly dependent on the characteristics of roughness. Nevertheless Effective Medium theories and particularly the case of Bruggeman are proved to significantly contribute in the forecasting of multilayer coatings’ optical behavior - where Mie theory fails – by the incorporation of surface and interfaces roughness. Finally, directions are given for further improvement for the roughness simulation models as well as for the development of a complete program that would holistically account for the theoretical design/simulation of thin-film coatings. Results of the present work were used in the following published paper: • E. Koubli, S. Tsakanikas, G. Leftheriotis*, G. Syrrokostas and P. Yianoulis, Optical properties and stability of near-optimum WO3/Ag/WO3, Solid State Ionics.