Τα λεπτά υμένια οξειδίων του πυριτίου (SiOx) χρησιμοποιούνται σήμερα ευρέως στην μικροηλεκτρονική και στη βιομηχανία συσκευασίας τροφίμων ενώ τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον για την εφαρμογή τους στην προστασία μεταλλικών επιφανειών από την διάβρωση. Η χημική εναπόθεση SiOx με τη χρήση πλάσματος χαμηλής πίεσης του τετρααιθόξυσιλανίου (TEOS) παρουσιάζει μερικά σημαντικά πλεονεκτήματα όπως εναπόθεση σε χαμηλές θερμοκρασίες, ομοιόμορφη κάλυψη της επιφανείας και μεγάλους ρυθμούς εναπόθεσης. Από την άλλη πλευρά, η ιδιαιτερότητα της εναπόθεσης μέσω πλάσματος TEOS, έγκειται στο γεγονός ότι η δομή, οι ιδιότητες και η χημική σύσταση των παραγόμενων υμενίων εξαρτώνται σημαντικά από τις παραμέτρους της διεργασίας, λόγω της πολυπλοκότητας του πλάσματος του TEOS. Είναι χαρακτηριστικό ότι ανάλογα με τις συνθήκες εναπόθεσης μπορούν να παραχθούν υλικά που η χημική τους σύσταση ποικίλει μεταξύ σιλικόνης ( SiOxCyHz ) και σχεδόν στοιχειομετρικού SiO2. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η επίδραση διαφόρων παραμέτρων της διεργασίας (ολική πίεση, ισχύς, συχνότητα διέγερσης ) στην αποδοτικότητα της κατανάλωσης ισχύος, στον ρυθμό εναπόθεσης και στη σύσταση των παραγόμενων υμενίων που εναποτέθηκαν σε κρυσταλλικό πυρίτιο. Για τον προσδιορισμό της πραγματικής ισχύος που καταναλώνεται στην εκκένωση πραγματοποιήθηκαν ηλεκρικές μετρήσεις τάσης και ρεύματος στο πολωμένο ηλεκτρόδιο. Για τον in situ προσδιορισμό του ρυθμού εναπόθεσης κατά τη διάρκεια της διεργασίας χρησιμοποιήθηκε ανακλαστική συμβολομετρία με laser. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε ελεγχόμενες ηλεκτρικές συνθήκες και υπό σταθερή μερική πίεση του TEOS και θερμοκρασία υποστρώματος. Ο συνδυασμός υψηλών συχνοτήτων και ισχύος δείχνει να είναι μία πολλά υποσχόμενη τεχνική για την εναπόθεση στοιχειομετρικών μικροδομημένων φιλμ SiOχ με μεγάλους ρυθμούς εναπόθεσης σε χαμηλές θερμοκρασίες υποστρώματος. / Silicon oxide thin films are widely used in microelectronics and food packaging. During the last years there is an enormous research interesting for the use of those films in the protection of metal surfaces against corrosion. The plasma chemical deposition of SiOx in the condition of low pressure using tetraethoxysilane (TEOS) as a precursor shows significant advantages such as deposition in low temperatures, uniform coverage of the film surface and high deposition rates. On the other hand, the particularity of the deposition through TEOS plasma lies in the fact that the structure, the properties and the chemical composition of the films depend mostly on the parameters of the fermentation, due to the complexity of TEOS plasma. .It must be mentioned that, depending on the deposition conditions, can be produced films whose chemical composition varies from silicone ( SiOxCyHz ) to stoichiometric SiO2. In the present work, we examine the effect of discharge parameters (total pressure, power, excitation frequency) on power usage efficiency, TEOS usage efficiency, deposition rate of SiOx thin films and on chemical composition of the deposited films on crystalline Si. For the evaluation of the real power that is consumed through the discharge, we perfomed voltage and current waveform measurements. We also used laser reflectance interferometry technique for the in situ deposition rate measurement. The experiments were perfomed under controlled electrical conditions and stable partial pressure of TEOS. The combination of high frequencies and power seems to be a promising technique for the deposition of stoichiometric nanostructured SiOχ films with high deposition rates.

Οι μονοδιάστατες μεταλλικές νανοδομές, όπως νανοσύρματα και νανοσωλήνες, έχουν ελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας τα τελευταία χρόνια λόγο του σημαντικού ρόλου που παίζουν στην κατασκευή νανοσυσκευών, όπως ανιχνευτές, ηλεκτρονικά και οπτικά συστήματα και συστήματα αποθήκευσης πληροφορίας. Μια απλή και αποτελεσματική τεχνική για την κατασκευή μεγάλου αριθμού νανοσυρμάτων και νανοσωλήνων με μεγάλη αναλογία μήκους προς διάμετρο είναι η ονομαζόμενη «σύνθεση μήτρας», η οποία βασίζεται στην ηλεκτροχημική εναπόθεση μετάλλου μέσα στους πόρους κατάλληλου υλικού το οποίο λειτουργεί σαν μήτρα. Η πορώδης αλουμίνα είναι ένα υλικό που χρησιμοποιείται ευρέως για τον σκοπό αυτό λόγο της χημικής και μηχανικής της σταθερότητας και της αντοχής της σε υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης, τα γεωμετρικά της χαρακτηριστικά μπορούν να ελέγχουν εύκολα κατά την διάρκεια της διαδικασίας παρασκευής της. Στην εργασία περιγράφεται η διαδικασία κατασκευής μεμβρανών πορώδους αλουμίνας με εξαγωνική κατανομή πόρων, ανοιχτών και στις δύο επιφάνειες και με συγκεκριμένα γεωμετρικά χαρακτηριστικά. Για να κατασκευασθούν οι μήτρες οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν στην ηλεκτροεναπόθεση και για άλλες εφαρμογές εξήχθη η σχέση μεταξύ του ρυθμού ανάπτυξης της μεμβράνης πορώδους αλουμίνας και των παραμέτρων της ανοδίωσης (πυκνότητα ρεύματος, θερμοκρασία) για ανοδίωση σε υδατικό διάλυμα με περιεκτικότητα 0.3Μ οξαλικό οξύ. Επιπλέον, μελετήθηκε ο απαραίτητος χρόνος για την διάλυση του συμπαγούς διαχωριστικού στρώματος (barrier layer) της πορώδους αλουμίνας με την χρήση υδατικού διαλύματος 5%wt. φωσφορικού οξέος. Τέλος, στην εργασία αυτή μελετήθηκε η ανάπτυξη νανοσυρμάτων νικελίου σε πορώδης αλουμίνα με μέση διάμετρο πόρων 240nm. Για την καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών ανάπτυξης των νανοσυρμάτων μελετήθηκε η σχέση της κρυσταλλογραφικής δομής των νανοσυρμάτων με την εφαρμοζόμενη τάση κατά την ανάπτυξη τους με την χρήση της τεχνικής dc ηλεκτροεναπόθεσης. Κατά την μελέτη αυτή αναπτύχθηκαν μονοκρυσταλλικά νανοσύρματα νικελίου προσανατολισμένα κατά την διεύθυνση [110] και πολυκρυσταλλικά νανοσύρματα με ισχυρό προσανατολισμό κατά την διεύθυνση [111]. / One-dimensional metallic nanostructured materials, like nanowires and nanotubes, have attracted extensive attention in recent years because of their importance in the fabrication of nanometer-scale devices such as sensors, electronics, and optics and information storage systems. A simple and effective technique to fabricate large number of metallic nanowires and nanotubes with high aspect ratio is the so called “template synthesis”, which involves electrochemically depositing metal into nanopores of a suitable material used as a template. Porous alumina membrane is a commonly used material for this purpose because of its chemical and mechanical stability and durability at high temperatures. Moreover, its geometrical characteristics are easily controlled during the fabrication process. In this work the fabrication process of free- standing porous alumina membranes with highly organized hexagonal structure and with specific geometrical characteristics is described. In order to fabricate templates for use in electrodeposition and other applications the dependence relation between the thickness growth rate and the anodization parameters (current density and temperature) for anodization in aqueous solution of 0.3M oxalic acid was derived. Furthermore, the time needed for barrier layer dissolution of porous alumina membrane with the use of hydrate solution of 5%wt. phosphoric acid. Finally, nickel nanowires were fabricated inside porous alumina membranes with mean pore diameter of 240nm. For better understanding of the nanowires growth mechanism the dependence of the crystal structure of nickel nanowire fabricated with dc electrodeposition from the applied voltage was studied. As a result, single crystal nickel nanowires oriented along [110] and polycrystalline nickel nanowires with a strong orientation along [111] have been fabricated.

Το μικροκρυσταλλικό υδρογονωμένο πυρίτιο (μc-Si:H) βρίσκει εφαρμογή ως ενδογενής ημιαγωγός σε φωτοβολταϊκές ιδιοσυσκευές λεπτών υμενίων πυριτίου απλής και ανάστροφης δομής (tandem). Η τυπική μέθοδος παρασκευής του υλικού είναι η χημική εναπόθεση ατμών ενισχυμένη με πλάσμα (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition – PECVD) με χρήση χωρητικών εκκενώσεων υψηλής αραίωσης σιλανίου (SiH4) σε υδρογόνο (H2). Εξαιτίας της χαμηλής απορρόφησης στο ορατό φάσμα απαιτείται αρκετά μεγάλο πάχος της ενδογενούς στοιβάδας του μc-Si:H, ωστόσο με τα υπάρχοντα δεδομένα οι ρυθμοί εναπόθεσης είναι αρκετά χαμηλοί με αποτέλεσμα οι χρόνοι εναπόθεσης να είναι απαγορευτικοί για τη βιομηχανία. Έτσι γίνεται επιτακτική η ανάγκη για υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης (> 5 Å/s) ούτως ώστε να είναι εφικτή η παραγωγή φωτοβολταϊκών κελιών χαμηλού κόστους. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη εναλλακτικών τεχνικών ενίσχυσης του ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων μc-Si:H όπως η χρήση πηγής πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων (Hollow Cathode) και η χρήση δισιλανίου (Si2H6) ως επιπρόσθετο του τυπικού μίγματος SiH4/H2. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζεται η κατασκευή δύο ηλεκτροδίων hollow cathode διαφορετικής γεωμετρίας και ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός τους σε εκκενώσεις Η2 με σκοπό τη βελτίωση της γεωμετρίας της πηγής και των συνθηκών στις οποίες επιτυγχάνεται υψηλή πυκνότητα ηλεκτρονίων στην εκκένωση. Επιπλέον παρουσιάζονται μετρήσεις ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων με την πηγή hollow cathode διερευνώντας διαφορετικές παραμέτρους της διεργασίας και πραγματοποιείται σύγκριση με την προϋπάρχουσα πηγή χωρητικής σύζευξης. Αποδείχθηκε ότι με τη χρήση καθοδικών κοιλοτήτων μεγάλης διαμέτρου (20 mm) η πυκνότητα των ηλεκτρονίων αυξάνει σημαντικά και οι ρυθμοί εναπόθεσης είναι έως και τρεις φορές υψηλότεροι σε σχέση με την πηγή χωρητικής σύζευξης. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η επίδραση της προσθήκης μικρής ποσότητας Si2H6 στο μίγμα SiH4/H2 στο ρυθμό εναπόθεσης και την κρυσταλλικότητα των λεπτών υμενίων πυριτίου, πραγματοποιείται βελτιστοποίηση της διεργασίας όσον αφορά την πίεση και συγκρίνεται η χρήση Si2H6 με την αύξηση της παροχής του μίγματος SiH4/H2. Η προσθήκη Si2H6 σε περιοχή πιέσεων 2-3 Torr αποδείχθηκε ευεργετική για το ρυθμό εναπόθεσης των υμενίων (έξι φορές αύξηση) λόγω ενίσχυσης της πυκνότητας ηλεκτρονίων και του ρυθμού διάσπασης του SiH4. Επίσης η προσθήκη Si2H6 οδηγεί σε υψηλότερη απόδοση εναπόθεσης συγκριτικά με την αύξηση της συνολικής παροχής του μίγματος SiH4/H2 ή της περιεκικότητας σε SiH4. / Microcrystalline hydrogenated silicon (μc-Si:H) is widely used as intrinsic layer in thin film solar cells of single or tandem structure. This material is most commonly produced via Plasma enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) from highly diluted silane (SiH4) in hydrogen (H2). However, the rather low absorption coefficient of the intrinsic material in the visible spectrum imposes higher layer thickness in order to ensure high device efficiency. The key obstacle for the production of cost-effective solar cells is the relatively low growth rate of the intrinsic μc-Si:H and thus the research is focused on the increase of the deposition rate while maintaining the thin film quality. In this work we aim to study alternative techniques in order to enhance the μc-Si:H thin films growth rate such as the utilization of high electron density plasma source (hollow cathode) and the small disilane (Si2H6) addition to the SiH4/H2 gas mixture. In the first part is presented the construction of two novel hollow electrodes and their electrical characterization in H2 discharges aiming to investigate the conditions that ensure a high electron density in the discharge. Moreover, deposition rate measurements are presented for the hollow cathode source and compared to the already existing CCP source. It was proved that for the larger hollows (20mm diameter) the average electron density increased abruptly and the corresponding deposition rate was about 3 times higher comparatively to the CCP source. In the next part of this study is presented the effect of the small Si2H6 addition to the gas mixture to the silicon thin films growth rate and crystallinity, the process is optimized in terms of the total gas pressure and compared to the case of the SiH4/H2 total flow rate increase. The small Si2H6 addition in the narrow pressure region of 2-3 Torr proved beneficial for the film growth rate (six times increase) due to the sharp enhancement of the electron density and the SiH4 dissociation rate. The Si2H6 addition also resulted in much higher deposition efficiency as compared with the increase of the SiH4/H2 flow rate or the SiH4 molar fraction.

Η ρύπανση του περιβάλλοντος και η εξάντληση των ορυκτών καυσίμων έχουν φέρει την ανάγκη για νέες ανανεώσιμες πηγές καυσίμων, όπως το υδρογόνο ειδικά όταν παραχθεί με ηλεκτρολυτική μέθοδο. Σ' αυτήν την εργασία, παρασκευάσαμε και αξιολογήσαμε ηλεκτρόδια(λεπτά υμένια) για την αποτελεσματική παραγωγή υδρογόνου. Χρησιμοποιήσαμε την ηλεκτροαπόθεση για την παρασκευή των λεπτών υμενίων σε υπόστρωμα χαλκού. Πιο συγκεκριμένα αποθέσαμε λεπτά υμένια με βάση το νικέλιο. Τα υμένια Ni-Fe, Ni-Zn, Ni-Co-Zn, Ni-Mo-Zn, Ni-Mo-Fe και Ni-Mo-Fe-Zn παρασκευάστηκαν με ηλεκτροαπόθεση. Τα ηλεκτρόδια χρησιμοποιήθηκαν ως κάθοδοι σε μια συσκευή ηλεκτρόλυσης τύπου Hoffmann, ώστε να εξεταστούν ως προς την παραγωγή υδρογόνου. Για περαιτέρω χαρακτηρισμό των ηλεκτροδίων πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις υπερδυναμικού για αρκετές πυκνότητες ρεύματος. Μέσω των διαγραμμάτων Tafel λάβαμε χρήσιμα πειραματικά αποτελέσματα όπως η κλίση Tafel και η πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής. Τέλος εικόνες SEM μας έδωσαν πληροφορίες για τη μορφολογια και τις ηλεκτροκαταλυτικές ιδιότητες των λεπτών φιλμ. / The environmental pollution and the depletion of fossil fuels have brought the need for new renewable fuels, such as hydrogen, especially when it has been produced with electrolytic process. In this work, we report on the preparation and evaluation of special electrodes (thin film alloys) for high efficiency H2 production. We are using the electrochemical deposition method copper is used as substrate. In particular we have deposited films of the transition metal Ni on copper substrates. films Ni-Fe, Ni-Zn, Ni-Co-Zn, Ni-Mo-Zn, Ni-Mo-Fe and Ni-Mo-Fe-Zn are produced using the electrochemical deposition method. These electrodes are used as cathodes in an electrolyte cell of the Hoffmann type in order to examine their efficiency in producing hydrogen. Furthermore, in order to consider the individual characteristics of the electrodes, measurements of overpotentional for several current densities were taken. In addition to the previous measurements, the Tafel plot has given useful experimental results. The most important from the Tafel plot, is the Tafel slope and the exchange current density. Finally SEM images gave more accurate results on the morphology and the electrocatalytic properties of the thin film alloys.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) εξακολουθούν να προσελκύουν το ενδιαφέρον πολλών ερευνητικών ομάδων λόγω των ασυνήθιστων μηχανικών, δομικών και ηλεκτρονικών τους ιδιοτήτων, που τους καθιστούν σοβαρούς υποψήφιους για μια πληθώρα εφαρμογών. Συνεπώς, έχουν αναφερθεί διάφορες τεχνικές, που αποσκοπούν στη μαζική παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα. Ο βασικός στόχος της παρούσας μελέτης ήταν να εξερευνηθεί η επίδραση καταλυτικών και λειτουργικών παραμέτρων στο ρυθμό της ανάπτυξης και την ποιότητα των παραγόμενων νανοσωλήνων άνθρακα μέσω της διεργασίας της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) αιθυλενίου. Τα πειράματα εναπόθεσης διεξήχθησαν σε θερμοβαρυμετρικό αντιδραστήρα, που επιτρέπει τη συνεχή καταγραφή της μεταβολής του βάρους του δείγματος με τον χρόνο. Τα προϊόντα της αντίδρασης αποτελούνταν κυρίως από πολυφλοιικούς νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNTs) και χαρακτηρίστηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) και Raman φασματοσκοπία. Υιοθετήθηκαν επίσης η ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (ΤΕΜ) και η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (ΤGA). Μια σειρά από μονομεταλλικούς καταλύτες Fe2O3/Al2O3, παρασκευασμένοι με διαφορετικές μεθόδους, εξετάστηκαν υπό συνθήκες ανάπτυξης CNTs. Η ελεγχόμενη εκρηκτική καύση (CEB) των πρόδρομων ενώσεων βρέθηκε ότι είναι η πιο αποδοτική μέθοδος για την παρασκευή του μονομεταλλικού καταλύτη σε σχέση με το ρυθμό ανάπτυξης και την απόδοση σε CNTs. Το αποτέλεσμα αυτό αποδόθηκε στην παρουσία σωματιδίων αιματίτη μικρής διαμέτρου στον καταλύτη. Η παρουσία του υδρογόνου στην αέρια τροφοδοσία της αντίδρασης επίσης αποδείχθηκε ότι προάγει το ρυθμό παραγωγής των MWCNTs. Η απόδοση και η ποιότητα των ΜWCNTs εξαρτώνται από τη συγκέντρωση της πηγής του άνθρακα (αιθυλένιο) στο ρεύμα της τροφοδοσίας καθώς και από τη θερμοκρασία της αντίδρασης. Υπό τις παρούσες πειραματικές συνθήκες, η βέλτιστη θερμοκρασία αντίδρασης βρέθηκε ότι είναι οι 650 0C. Αποδείχθηκε επίσης ότι η CVD του αιθυλενίου παράγει περισσότερους νανοσωλήνες άνθρακα από τη CVD του ακετυλενίου, σε όμοιες πειραματικές συνθήκες. Πολυφλοιικοί νανοσωλήνες άνθρακα αναπτύχθηκαν επίσης σε μια σειρά από καταλύτες Χ% κβ Fe2O3/Al2O3 με CVD αιθυλενίου στους 650 0C. Οι παραπάνω καταλύτες με συγκέντρωση οξειδίου σιδήρου που κυμαινόταν από 0 ως 100 %, παρασκευάστηκαν με ελεγχόμενη εκρηκτική καύση των πρόδρομων νιτρικών ενώσεων τους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η απόδοση και η ποιότητα των παραγόμενων νανοσωλήνων άνθρακα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη συγκέντρωση του Fe2O3. H βέλτιστη φόρτιση του οξειδίου του σιδήρου βρέθηκε ότι είναι η 75% κβ, η οποία οδήγησε σε δομή καταλύτη που απέφερε την μεγαλύτερη απόδοση (~2000 %), δηλαδή το βάρος των εναποτιθέμενων MWCNTs ήταν 20 φορές μεγαλύτερο από το βάρος του αρχικού καταλύτη. Το αποτέλεσμα αυτό αποδόθηκε στη δημιουργία μεγάλου αριθμού ενεργών κέντρων και στη μεγάλη διασπορά της φάσης του Fe2O3. Μια σειρά από διμεταλλικούς καταλύτες Μ-Fe2O3/Al2O3 (Μ: Ru, Ni, Co, Mo) παρασκευάστηκαν με διαφορετικούς μεθόδους και εξετάστηκαν υπό συνθήκες CVD αιθυλενίου. Η ελεγχόμενη εκρηκτική καύση των πρόδρομων ενώσεων τους βρέθηκε ότι είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρασκευή του Ni-Fe2O3/Al2O3 και του Co-Fe2O3/Al2O3, ενώ η μέθοδος της συγκαθίζησης για την παρασκευή του Ru-Fe2O3/Al2O3 και του Μο-Fe2O3/Al2O3. Κατά τη μελέτη του διμεταλλικού καταλύτη Ru-Fe2O3/Al2O3, παρασκευασμένου με τη μέθοδο της συγκαθίζησης, βρέθηκε ότι η υψηλή του απόδοση σε MWCNTs οφείλεται στη μεγάλη διασπορά της φάσης του Fe2O3, που επιφέρει η παρουσία του ρουθινίου και στην χαμηλή συγκέντρωση της φάσης του RuO2. H ποσότητα και η ποιότητα των παραγόμενων MWCNTs εξαρτώνται από τη συγκέντρωση του αιθυλενίου στη τροφοδοσία και από τη θερμοκρασία της CVD διεργασίας. Η βέλτιστη συγκέντρωση βρέθηκε ότι είναι η 20% και η βέλτιστη θερμοκρασία οι 650 0C. Ακόμα, μεταξύ διάφορων υποστρωμάτων που εξετάστηκαν, βρέθηκε ότι το πιο αποδοτικό είναι η αλούμινα, η οποία προέρχεται από το ένυδρο νιτρικό αλουμίνιο. Επίσης, εξερευνήθηκε η επίδραση του λόγου Fe/Ni της δομής του διμεταλλικού καταλύτη Ni-Fe2O3/Al2O3 , παρασκευασμένου με τη CEB μέθοδο, στο ρυθμό της ανάπτυξης των MWCNTs μέσω της CVD του αιθυλενίου. Βρέθηκε ότι για φόρτιση σε μέταλλο ίση με 52.5 %, ο βέλτιστος λόγος ήταν Fe/Ni = 6, ο οποίος οδήγησε στην εντυπωσιακή απόδοση του 3600 % σε ΜWCNTs. Αυτό αποδόθηκε στο σχηματισμό χημικής ένωσης μεταξύ των στοιχείων Ni, Fe, Al και O και στο σχηματισμό πολλών νανοκρυσταλλιτών Fe2O3, όπως τεκμηριώθηκε από την ανάλυση TEM. Επίσης, αποδείχθηκε ότι η CVD του αιθυλενίου σε αυτόν τον καταλύτη είναι πιο αποδοτική από τη CVD του ακετυλενίου. Ένας φασματογράφος μάζας χρησιμοποιήθηκε για να καθοριστούν οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα κατά τη CVD του αιθυλενίου στον συγκεκριμένο διμεταλλικό καταλύτη. Βρέθηκε ότι οι ρυθμοί της διάσπασης του αιθυλενίου και της παραγωγής υδρογόνου είναι πολύ υψηλοί στο αρχικό στάδιο της εναπόθεσης, ενώ υδρατμοί παράγονται από την αντίδραση του υδρογόνου με τα μεταλλικά οξείδια. / Since their discovery in 1991, Carbon Nano-Tubes (CNTs) continue to draw significant attention due to their various potential applications, deriving from their extraordinary structural, electronic and mechanical properties. Thus, several methods of production of CNTs have been reported. The main goal of this research was the investigation of the influence of catalytic and operational parameters on the rate of growth and quality of CNTs via the process of Chemical Vapor Deposition (CVD) of ethylene. Deposition experiments were carried out in a thermogravimetric hot-wall reactor , which enables continuous monitoring of the evolution of carbon mass with time. The products of the deposition comprised mainly Multi-Wall Carbon Nano-Tubes (MWCNTs) and they were characterized using Scanning Electron Microscopy and Raman spectroscopy. Transmission Electron Microscopy and Thermo-Gravimetric Analysis were also employed. A series of Fe2O3/Al2O3 catalysts prepared by different methods were investigated under conditions of synthesis of CNTs. Controlled explosive burning (CEB) of precursor compounds was found to be the most effective method of preparation of the catalyst with respect to rate of deposition and yield of CNTs. This result has been attributed to the presence of hematite particles of small diameter on the catalyst. The presence of hydrogen in the gas feed mixture, even at small concentration, proved to be beneficial for the rate of production of MWCNTs. Yield and quality of MWCNTs depend on the concentration of the carbon source (ethylene) in the feed mixture and on temperature of deposition. Under the present experimental conditions, the optimal reaction temperature was proved to be 650 0C. It was also found that ethylene CVD process is more productive than acetylene CVD process, under identical experimental conditions. MWCNTs were also grown on a series of X % wt Fe2O3/Al2O3 catalysts by thermal cracking of ethylene at 650 0C. The above catalysts with composition ranging from 0 to 100 % wt Fe2O3 were prepared by controlled explosive burning (CEB) of their nitrate precursors. Results show that the final yield and quality of the MWCNTs are highly dependent on the iron oxide concentration of the catalyst. The optimal iron oxide loading was found to be 75%wt, which led to a yield of ~2000 % relative to the initial weight of the catalyst. This result was attributed to the formation of large number of active sites for CNTs growth as well as to the high dispersion of the Fe2O3 phase. A series of bimetallic catalysts M-Fe2O3/Al2O3 (M: Ru, Ni, Co, Mo), were also prepared by different methods and investigated under conditions of CVD reaction of ethylene. Controlled explosive burning (CEB) of precursor compounds was found to be the most effective method of preparation of the catalysts Ni-Fe2O3/Al2O3 and Co-Fe2O3/Al2O3 with respect to rate of deposition and yield of CNTs. Co-precipitation of nitrate precursors (CP-W(H)) was the most effective method of preparation of the catalysts Ru-Fe2O3/Al2O3 and Mo-Fe2O3/Al2O3. During the study of the Ru-Fe2O3/Al2O3 catalyst, prepared by CP-W(H) method, its high catalytic activity ( ~2600% MWCNTs yield) was attributed to the high dispersion of Fe2O3 particles, due to the presence of ruthenium, and the low concentration of RuO2 phase. Yield and quality of MWCNTs depend on the concentration of ethylene in the feed mixture and on temperature of CVD reaction. Under the present experimental conditions, the optimal concentration of ethylene and reaction temperature was found to be 20% and 650 0C, respectively. Furthermore, the most effective substrate, among others tested, was proved to be the aloumina deriving from aluminum nitrate. The influence of the ratio Fe/Ni in the structure of Ni-Fe2O3/Al2O3 catalyst, prepared by CEB method, on rate of growth of MWCNTs was investigated. It was found that the optimal value was Fe/Ni = 6 for 52.5 % metal loading, which led to the impressive yield of ~3600% . This was attributed to the generation of a chemical compound comprising Fe, Ni, Al and O, which in turn induced the formation of Fe2O3 nanocrystallites, as established by TEM analysis. Furthermore, it was evidenced that CVD of ethylene is more efficient process than CVD of acetylene. A mass spectrometer was also employed as a way to determine the chemical reactions that take place during carbon deposition in this bimetallic catalyst. It was found that ethylene decomposition and hydrogen production rates are high at the first stages of deposition, while H2O(g) is produced due to the reaction of hydrogen with the metal oxides.

Στην παρούσα διατριβή πραγµ ατοποιήθηκε η θεωρητική και πειραµ ατική διερεύνηση της τεχνολογίας επιφανειακής κατεργασίας µ εταλλικών υλικών, που βασίζεται στη διεργασία Χηµ ικής Εναπόθεσης Ατµ ών (CVD – Chem ical Vapour Deposition) µ ε χρήση Στερεάς Κλίνης (PBCVD) και Ρευστοστερεάς Κλίνης (FBCVD). Η προστασία των µ ετάλλων επιτυγχάνεται µ ε την εναπόθεση επιστρωµ άτων, τα οποία έχουν σκοπό να παρέχουν αντιδιαβρωτική προστασία στα υλικά. Μελετήθηκαν τέσσερις επιµ έρους διεργασίες: I. ∆ιεργασίες σχηµ ατισµ ού αλουµ ινιούχων επιστρωµ άτων σε υποστρώµ ατα Ni, Fe, Fe-15Cr µ ε τη µ έθοδο FBCVD υψηλών θερµ οκρασιών, στην περιοχή των 1000 °C. II. ∆ιεργασίες σχηµ ατισµ ού αλουµ ινιούχων αντιδιαβρωτικών επιστρωµ άτων σε υποστρώµ ατα Ni, Fe, Inconel 738, NiCr23Fe και SS 304, µ ε τη µ έθοδο FBCVD χαµ ηλών θερµ οκρασιών, στην περιοχή των 600 °C. III. ∆ιεργασίες σχηµ ατισµ ού πολυσυστατικών αντιδιαβρωτικών επιστρωµ άτων σε υποστρώµ ατα Ni και Fe µ ε τη µ έθοδο PBCVD µ ε διεργασία ενός σταδίου υψηλών θερµ οκρασιών (Al-Cr-Hf/Y) και µ ε τη µ έθοδο FBCVD µ ε διεργασία ενός σταδίου υψηλών θερµ οκρασιών (Al-Cr) καθώς και χαµ ηλής – υψηλής θερµ οκρασίας δύο σταδίων (Al-Cr). IV. ∆ιεργασίες σχηµ ατισµ ού αλουµ ινιούχων επιστρωµ άτων σε υποστρώµ ατα Mg και κραµ άτων του µ ε τις µ εθόδους PBCVD και FBCVD, καθώς και εµ βάπτισης σε αλουµ ινιούχο αιώρηµ α ακετόνης. Η θεωρητική µ ελέτη έδειξε πως όλες οι διεργασίες αυτές µ πορούν να οδηγήσουν στο σχηµ ατισµ ό επιστρωµ άτων, τα οποία παρέχουν αντιδιαβρωτική προστασία. Τα πειραµ ατικά αποτελέσµ ατα έδειξαν πως ο σχηµ ατισµ ός τέτοιων επιστρωµ άτων µ ε τις µ εθόδους που χρησιµ οποιήθηκαν είναι εφικτός. Προσδιορίστηκαν οι πειραµ ατικέςαδυναµ ίες και τα όρια των διεργασιών αυτών. Τέλος, αξιολογήθηκαν τα σχηµ ατιζόµ ενα επιστρώµ ατα ως προς τα χαρακτηριστικά τους, όπως η συνάφεια µ ε το υπόστρωµ α, το πάχος, η οµ οιοµ ορφία, η χηµ ική σύσταση, η σκληρότητα, η τραχύτητα και η συµ περιφορά σε διάβρωση. Από τα αποτελέσµ ατα της θεωρητικής και της πειραµ ατικής µ ελέτης, προτάθηκαν κάποια µ αθηµ ατικά µ οντέλα τα οποία επιτρέπουν την πρόβλεψη της ανάπτυξης των επιστρωµ άτων, ανάλογα µ ε τις εκάστοτε πειραµ ατικές συνθήκες. Τα αποτελέσµ ατα των υπολογισµ ών βρίσκονται σε αρκετά καλή συµ φωνία µ ε τα πειραµ ατικά, ακόµ η και εκείνα άλλων ερευνητών. ii i / In the present study, a theoretical and experimental investigation of a metal surface treatment technology, the Chemical Vapour Deposition with use of a Pack Bed (PBCVD) and a Fluidised Bed (FBCVD), has been examined. The adequate protection of the metals surfaces is achieved by deposition of coatings which provide corrosion protection. Four main areas of surface treatments of metals have been studied: I. Aluminide coating formation on substrates of Ni, Fe, Fe-15Cr with use of the high temperature Fluidised Bed Chemical Vapour Deposition (FBCVD). II. Aluminide corrosion protective coatings on substrates of Ni, Fe, Inconel 738, NiCr23Fe and SS 304, with use of the low temperature Fluidised bed Chemical Vapour Deposition (FBCVD). III. Multielement corrosion protective coating formation on substrates of Ni and Fe with use of the one-step, high temperature Pack Bed Chemical Vapour Deposition (PBCVD), leading to Al-Cr-Hf/Y coatings. With use of the one-step, high temperature Fluidised Bed Chemical Vapour Deposition (FBCVD) leading to Al-Cr coatings, as well as with use of the two-step low-high temperature Fluidised Bed Chemical Vapour Deposition (FBCVD) process, leading to Al-Cr coatings. IV. Aluminide coatings on substrates of Mg and Mg alloys with use of the Pack bed Chemical Vapour Deposition (PBCVD) and Fluidised Bed (FB), as well as with immersion in aluminium suspension (slurry process). The theoretical investigation has shown that all of these fermentations can lead to coating formation that provides corrosion protection. The experimental results have shown that the formation of such coatings with the used methods is capable. The experimental weaknesses have been appointed, as well as the confines of these processes. Finally, the formed coatings have been evaluated, according to their characteristics, such as the substrate-coating adherence, the coating thickness, the uniformity, chemical composition, hardness, roughness and behavior in corrosive environments. Mathematical models have been proposed, based on the theoretical and experimental results. These models permit the prediction of the coating development, according to the experimental conditions. The predictions are in satisfactory agreement with the herein presented experimental results, also with these of other researchers.

Στην παρούσα Εργασία λεπτά υμένια (5 -25 nm) ZrO2 έχουν εναποτεθεί με τη μέθοδο ALD σε μη αδρανοποιημένο (100) Ge τύπου-p, με ειδική αντίσταση 0.2-0.5 Ω-cm. Η εναπόθεση του ZrO2 πραγματοποιήθηκε στους 2500C, με τη χρήση διαδοχικών παλμών H2O και Tetrakis (Dimethylamido) Zirconium που ήταν και οι πρόδρομες ενώσεις. Ο δομικός χαρακτηρισμός των υμενίων (στοιχειομετρία, σύνθεση και τραχύτητα της διεπιφάνειας, κρυσταλλογραφική φάση του διηλεκτρικού κλπ) πραγματοποιήθηκε μέσω των μεθόδων XPS και ΤΕΜ. Ο λεπτομερής ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των υμενίων έγινε με παράμετρο τη θερμοκρασία σε δομές (πυκνωτές) MOS που έφεραν λευκόχρυσο, Pt, ως μέταλλο πύλης. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις C-V, C-f με παράμετρο τη θερμοκρασία και για θερμοκρασίες από 300Κ έως 80 Κ. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την παρούσα μελέτη τα υμένια με πάχος μικρότερο των 15 nm εμφανίζουν πολύ φτωχή ηλεκτρική συμπεριφορά, η οποία βελτιώνεται με την αύξηση του πάχους. Σχετικά παχιά (25 nm) υμένια ZrO2 εμφανίζουν πυκνότητα διεπιφανειακών παγίδων της τάξης των 1011 eV-1cm-2, όπως προκύπτουν από μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στους 80K. Από μετρήσεις I-V με παράμετρο τη θερμοκρασία προκύπτουν οι μηχανισμοί αγωγιμότητας που διέπουν τις μελετούμενες δομές. Η επίδραση της ανόπτησης σε περιβάλλον Forming Gas μετά την εναπόθεση του μετάλλου μελετάται επίσης. Τέλος, μελετώνται οι ηλεκτρικές ιδιότητες δομών Pt/ZrO2 (25 nm)/p-Ge, σε υποστρώματα που περιέχουν ταυτόχρονα περιοχές που έχουν υποστεί ανόπτηση με Laser και περιοχές που δεν έχουν υποστεί ανόπτηση. Η ανόπτηση με Laser φαίνεται να υποβαθμίζει την ηλεκτρική συμπεριφορά της δομής. Ωστόσο, σύμφωνα με τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας, υπάρχουν ενδείξεις ότι οι δομές σε περιοχές που γειτνιάζουν με αυτές που έχουν υποστεί ανόπτηση με Laser εμφανίζουν βελτιωμένες ηλεκτρικές ιδιότητες ακόμη και σε σχέση με τα δείγματα αναφοράς που περιλαμβάνουν δομές που αναπτύχθηκαν σε μη ακτινοβολημένο υπόστρωμα. / In the present Thesis, thin (5 -25 nm) films of ZrO2 have been deposited by Atomic Layer Deposition (ALD) on non-passivated p-type (100) Germanium substrates with resistivity 0.2-0.5 Ω-cm. ZrO2 deposition has been performed at 2500C using a series of alternating pulses of H2O and Tetrakis(Dimethylamido) Zirconium, which were the deposition precursors. Structural characterization of the films in terms of stoichiometry, interface composition and roughness, crystallographic phase of the dielectric etc., has been performed using XPS and TEM analysis. Detailed electrical characterization [C-V, and C-f measurements] of the films as a function of temperature has been performed in MOS capacitors using Pt as gate metal. It has been observed that the electrical behaviour of the films is extremely poor in thickness range below 15 nm, while they show an improvement in higher thickness regime. Thick (25 nm) ZrO2 showed an interface trap density of the order of 1011 eV-1cm-2 extracted at 80K. The conductivity mechanisms of the structures are revealed by I-V measurement at various temperatures. Finally the effect of post-metallization annealing in Forming Gas ambient has been studied. In parallel the electrical properties of structures Pt/ZrO2 (25 nm)/p-Ge, on substrates containing simultaneously laser annealed and non-annealed areas has been studied. It has been obtained that laser annealing of the substrate deteriorates the electrical behaviour of the structure, while it seems that structures on the areas in proximity to the annealed ones revealed superior electrical properties as compared to the corresponding deposited on non-annealed (reference) samples.

Θέμα της παρούσας ερευνητικής εργασίας είναι η μελέτη διατάξεων MOS σε υπόστρωμα Ge τύπου –p. Ως διηλεκτρικό πύλης χρησιμοποιήθηκε Al2O3 και ως μέταλλο πύλης Pt. Τέτοιες διατάξεις οι οποίες αποτελούνται από υπόστρωμα Ge στο οποίο εναποτίθεται διηλεκτρικό υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (high-k dielectric) εμφανίζουν ιδιαίτερο ερευνητικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον για τους παρακάτω κυρίως λόγους: (i) Το Ge εμφανίζει υψηλότερη ευκινησία φορέων έναντι αυτής του Si. Eπομένως η χρήση υποστρωμάτων Ge στις διατάξεις MOS θεωρείται πλεονεκτική έναντι της χρήσης υποστρωμάτων Si, τα οποία μέχρι σήμερα έχουν μονοπωλήσει τις τεχνολογικές εφαρμογές και κατ’ επέκταση την έρευνα γύρω από αυτές. (ii) Η χρήση υλικών υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς, όπως το Al2O3, ως διηλεκτρικά πύλης φέρεται πλέον ως ιδιαίτερα ελπιδοφόρα για την μελλοντική κατασκευή λειτουργικών διατάξεων MOS. (iii) Πρόσφατες μελέτες έχουν αποδείξει ότι, κατά την ανάπτυξη Al2O3 στα υποστρώματα Ge, στη διεπιφάνεια Ge/Al2O3, δημιουργείται ένα λεπτό στρώμα οξειδίου του γερμανίου, το οποίο αποτελεί βασική προϋπόθεση για την κατασκευή λειτουργικών CMOS δομών. Η ανάπτυξη των υμενίων Al2O3 στα υποστρώματα Ge έγινε με την τεχνική Eναπόθεσης Ατομικού Στρώματος (Atomic Layer Deposition- ALD), η οποία είναι μια από τις πιο διαδεδομένες και πολλά υποσχόμενες τεχνικές στον τομέα της Μικροηλεκτρονικής. Βασικά πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής έναντι άλλων μεθόδων εναπόθεσης (CVD, MBE κ.λπ.), είναι η άριστη ποιότητα και ομοιογένεια των αναπτυσσόμενων υμενίων, καθώς και ο απόλυτος έλεγχος του πάχους τους. Στόχος της εργασίας αυτής, είναι η μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων δομών p-Ge/Al2O3/Pt, καθώς και της διεπιφάνειας Ge/Al2O3. Παρασκευάστηκαν δομές με πάχος διηλεκτρικού (Al2O3) 5nm, 10nm,15nm και 25nm σε θερμοκρασία εναπόθεσης 300oC. Ο δομικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων έγινε με φασματοσκοπία XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), ενώ ο ηλεκτρικός τους χαρακτηρισμός έγινε με τη μέθοδο της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Ευρέως Φάσματος (Broadband Dielectric Spectroscopy-BDS) στην περιοχή συχνοτήτων από 100Ηz έως 1ΜΗz. Τα αποτελέσματα της μελέτης του δομικού χαρακτηρισμού έδειξαν, ότι αυξανομένου του πάχους του υμενίου Al2O3, το πάχος του αναπτυσσόμενου Οξειδίου του Γερμανίου (GeOx) αυξάνεται. Παράλληλα υπάρχει ένδειξη πιθανής αλλαγής της στοιχειομετρίας του GeOx. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των δομών αυτών, πραγματοποιήθηκε με παράμετρο αφενός μεν το πάχος του Al2O3 σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, αφετέρου δε με παράμετρο τη θερμοκρασία, στην περιοχή θερμοκρασιών από 78Κ - 200Κ. Ελήφθησαν οι χαρακτηριστικές C-V και C-f, από τις οποίες προκύπτουν τα συμπεράσματα που αφορούν στην ηλεκτρική συμπεριφορά των δομών αλλά και στην ποιότητα της διεπιφάνειας Ge / Al2O3. Σε όλες τις δομές, ανεξαρτήτως του πάχους του Al2O3, οι χαρακτηριστικές C-V παρουσιάζουν την τυπική συμπεριφορά της δομής MOS, με διάκριτες τις τρεις περιοχές συσσώρευσης, απογύμνωσης και αναστροφής φορέων. Οι χαρακτηριστικές C-V σε θερμοκρασία περιβάλλοντος παρουσίασαν, σε όλα τα πάχη, φαινόμενα γένεσης – επανασύνδεσης φορέων, τα οποία εμφανίζονται υπό τη μορφή “γονάτων” στην περιοχή απογύμνωσης/ασθενούς αναστροφής. Τα φαινόμενα αυτά συνδέονται άμεσα με το μικρό ενεργειακό χάσμα του Ge και το μεγάλο πλήθος ενδογενών φορέων αγωγιμότητας που χαρακτηρίζει το Ge στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αυτά τα φαινόμενα δεν παρατηρούνται στις χαμηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, από τις μετρήσεις C-f και εφαρμόζοντας τη μεθόδου αγωγιμότητας (conductance method), η οποία εφαρμόστηκε σε όλες τις θερμοκρασίες, προέκυψαν οι τιμές της πυκνότητας των διεπιφανειακών καταστάσεων, Dit’s, των δομών αυτών. Από τα αποτελέσματα αυτά, προκύπτει το συμπέρασμα ότι οι τιμές των Dit’s στη θερμοκρασία περιβάλλοντος εμφανίζονται αυξημένες σε σχέση με τις αντίστοιχες στις χαμηλές θερμοκρασίες. Η υπερεκτίμηση αυτή, η οποία μπορεί να φτάσει και τις 2 τάξεις μεγέθους, οφείλεται στην εμφάνιση των “γονάτων” στη χαρακτηριστική C-V. Επομένως το πραγματικό πλήθος των διεπιφανειακών καταστάσεων υπολογίζεται από την ανάλυση των πειραματικών μετρήσεων στις χαμηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, προκύπτει το συμπέρασμα ότι, η πυκνότητα διεπιφανειακών καταστάσεων, Dit’s στις δομές με το μικρότερο πάχος είναι μικρότερη από την αντίστοιχη σε παχύτερες δομές. Η συμπεριφορά αυτή έρχεται σε αντίθεση με την αναμενόμενη και η ερμηνεία της, πιθανώς να συνδέεται με τα αποτελέσματα της φασματοσκοπίας XPS σύμφωνα με τα οποία, αυξανομένου του πάχους του Al2O3, υπάρχουν ενδείξεις μεταβολής της στοιχειομετρίας του Οξειδίου του Γερμανίου. / The subject of the present research work is the study of MOS structures on p- type Ge substrates. Al2O3 was used as gate dielectric and Pt as metal gate. Such devices, which are comprised by Ge substrate on which a high -k dielectric material is deposited, are of high scientific and technological interest for the following reasons: (i) Ge shows higher carrier mobility compared to that of Si. Therefore, the use of Ge substrates in MOS devices is considered advantageous compared to Si substrates, which up to date have been used exclusively for technological applications. (ii) The use of high -k materials seems to be more promising for the construction of functional MOS structures. (iii) Recent results have shown that a thin layer of Ge oxide builds up at the Ge/Al2O3 interface during the deposition of Al2O3 on Ge. This is a basic requirement for the operation of CMOS devises. In the current work, Al2O3 films were deposited on Ge substrates by Atomic Layer Deposition (ALD). ALD is one of the most widespread and very promising techniques in microelectronics. Basic advantages of this method, compared to other deposition techniques (e.g. CVD, MBE and others), are the quality and homogeneity of the films as well as the absolute control of their thickness. The purpose of the present work is the study of the electrical properties of Ge/ Al2O3 /Pt structures as well as of the quality of the Ge/ Al2O3 interface. Structures with Al2O3 thickness of 5 nm, 10 nm, 15 nm and 25 nm were prepared, at deposition temperature of 3000C. The structural characterization of the samples was performed by means of X-Ray Photoelectron Spectroscopy –XPS whereas the electrical characterization was performed with the Broadband Dielectric Spectroscopy- BDS in the frequency range from 100 Hz to 1 MHz. The XPS results suggest that the thickness of the Ge oxide (GeOx), grown during deposition, increases by increasing the thickness of the deposited Al2O3 films. Furthermore, there is evidence of possible change in the stoichiometry of GeOx. The electrical behaviour of these structures was determined using as parameters either the thickness of Al2O3 at room temperature or the temperature at constant thickness. Measurements were performed in the range of 78 oC to 200 oC. C-V and C-f characteristics were constructed, from which conclusions are drawn regarding the electrical behaviour of the structures and the quality of the interface Ge/ Al2O3. The C-V characteristics of all samples, show the typical behaviour of a MOS structure with the three distinct regions of accumulation, depletion and inversion, regardless the thickness of Al2O3. The C-V characteristics at room temperature show generation-recombination phenomena, which are demonstrated through “humps” in depletion / weak inversion regime. These phenomena are intimately connected with the small energy gap and the large density of intrinsic conductivity carriers of Ge. These “humps” do not appear at low temperatures, below 170K, indicating that “generation-recombination” phenomena have been suppressed by reducing temperatures. Furthermore, from C-f measurements the values of the interfacial trap density (Dit) were determined through the conductance method, in all temperatures. The Dit values at room temperature seem to be overestimated compared to those at low temperatures due to the “generation- recombination” phenomena. Therefore, the actual density of interfacial traps is determined from the analysis at low temperatures. Furthermore, the Dit values of the Al2O3 -10nm structure are lower compared to those of the Al2O3 -25nm structure. This behavior, which is in contradiction to the expected one, is connected with the XPS results, according to which there is evidence of change in the stoichiometry of Ge oxide as the thickness of Al2O3 is increased.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε η μελέτη της φύσης των επιφανειακών ειδών άνθρακα που δημιουργούνται στην επιφάνεια κεραμομεταλλικών υλικών βασισμένα στο Ni-YSZ κατά την θερμοδυναμική ισορροπία της διασπαστικής ρόφησης του μεθανίου. Κύριος στόχος της μελέτης ήταν να διερευνηθεί η επίδραση της παρουσίας ενός δεύτερου μετάλλου στο Ni-YSZ, όσον αφορά τον σχηματισμό και/ή την αναστολή του ανενεργού άνθρακα. Η επικάλυψη της επιφάνειας του Ni με μικρή ποσότητα Au (≤1%at σε σχέση με το Ni) επηρέασε σημαντικά την κινητική της διασπαστικής ρόφησης του CH4 και την ενέργεια δεσμού των ροφημένων ειδών CHx στην επιφάνεια του Ni. Ο σχηματισμός γραφιτικού άνθρακα παρεμποδίστηκε, ενώ η επιφανειακή δραστικότητα για την υδρογόνωση των CHx προς CH4 ήταν χαμηλότερη από ότι στον Ni-YSZ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την υψηλότερη σταθερότητα και την επιμήκυνση του χρόνου ζωής των CHx πάνω στην επιφάνεια του NiAu/YSZ πριν την διάσπαση τους προς επιφανειακά καρβιδικά είδη. Με βάση τις πειραματικές μετρήσεις, προτάθηκε κινητικό μοντέλο για την περιγραφή της μερικής οξείδωσης του μεθανίου για την παραγωγή αερίου σύνθεσης. Οι αντιδράσεις οξείδωσης περιλαμβάνουν την οξείδωση των ειδών CHx προς CHxO και την επακόλουθη διασπασή τους σε υψηλές θερμοκρασίες (700 Κ) προς CO και H2, ενώ τα καρβιδικά είδη οξειδώνονται εκλεκτικά προς CO2 από χαμηλότερες θερμοκρασίες (500 Κ). Από αυτή την άποψη, η εκλεκτικότητα ως προς το αέριο σύνθεσης εξαρτάται από δύο παράγοντες: (i) τον χρόνο ζωής και την επιφανειακή συγκέντρωση των ειδών CHx, και (ii) τη θερμοκρασία διάσπασης των ειδών CHxO. Ως γενικό συμπέρασμα, ο ηλεκτροκαταλύτης Ni(1%at Au)/YSZ αναμένεται να έχει υψηλή αντοχή στην εναπόθεση άνθρακα όπως και εκλεκτικότητα για την μερική οξείδωση του CH4 προς αέριο σύνθεσης. / In order to investigate the possibility of the direct introduction of CH4 into a SOFC, the dissociative adsorption of CH4 and the nature of the various carbon adspecies on Ni-based cermets were studied in the present thesis by means of thermodynamic equilibrium measurements and temperature programming methods. The aim of this study was mainly to elucidate the effect of a second metal addition on Ni-YSZ, regarding the formation and/or inhibition of inactive carbon. The decoration of the Ni surface with very small quantity of Au (≤1at% with respect to Ni) affected significantly both the kinetics of CH4 dissociative adsorption and the binding strength of the adsorbed CHx species on the Ni surface. The formation of graphitic carbon was significantly inhibited, while the surface reactivity towards the hydrogenation of CHx species into CH4 was lower than on the unmodified Ni/YSZ surface. This resulted in the higher stability and elongation of the CHx species life time on the NiAu/YSZ surface prior to their decomposition into surface carbidic species. Based on the experimental results and discussion, a kinetic model is proposed for the description of the partial oxidation of methane towards the production of synthesis gas. The oxidation reactions involve both the oxidation of CHx species into CHxO and its subsequent decomposition at elevated temperatures (700 K) into CO and H2, while carbidic species are selectively oxidized into CO2 at temperatures as low as 500 K. In this respect, the selectivity towards synthesis gas depends on two factors: (i) the lifetime and surface concentration of CHx species, and (ii) the decomposition temperature of the CHxO species. As a conclusion, the Ni(1%at Au with respect to Ni)/YSZ catalyst is expected to be highly carbon tolerant and selective catalyst/electrode for the CH4 partial oxidation reaction for the production of synthesis gas.

Η τεχνολογία κυψελίδων καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη είναι αρκετά ελκυστική για την συμπαραγωγή αερίου σύνθεσης και ηλεκτρικής ενέργειας. Το κυριότερο μειονέκτημα είναι η εναπόθεση άνθρακα στο ανοδικό ηλεκτρόδιο λόγω της διασπαστικής ρόφησης του CH4. Σε μια θεωρητική μελέτη, οι Besenbacher et al συμπέραναν ότι η παρουσία μικρής ποσότητας Αu σε υποστηριγμένο καταλύτη Ni οδηγεί σε σημαντική μείωση την εναπόθεση άνθρακα. Σε αντίστοιχα συμπεράσματα κατέληξαν και οι Τριανταφυλλόπουλος και Νεοφυτίδης μελετώντας τα είδη του άνθρακα που δημιουργούνται πάνω στο Ni(1%at Au)-YSZ κατά την διασπαστική ρόφηση του μεθανίου. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η ηλεκτροχημική δραστικότητα διμεταλλικών ηλεκτροδίων Ni(Au1%at)-YSZ και Ni(Ag1%at)-YSZ για την μερική οξείδωση του μεθανίου καθώς και για την εσωτερική αναμόρφωση του μεθανίου με ατμό σε κυψελίδες καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη. Τα ηλεκτρόδια παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της επιτόπου πυρανάφλεξης (in situ combustion synthesis, μέθοδος σχετικά χαμηλής θερμοκρασίας που δημιουργεί νανοδομημένα ηλεκτρόδια) και μελετήθηκαν ως προς την ηλεκτροκαταλυτική συμπεριφορά τους για την εσωτερική αναμόρφωση του μεθανίου με ατμό. Τα πειράματα θερμοσταθμικής ανάλυσης, τα κινητικά πειράματα καθώς και οι ηλεκτροχημικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, συντέλεσαν το καθένα με το τρόπο του, στην εξαγωγή του γενικότερου συμπεράσματος ότι τα διμεταλλικά ηλεκτρόδια Ni(Au1%at)-YSZ και Ni(Ag1%at)-YSZ είναι πολύ πιο σταθερά και ανθεκτικά στην εναπόθεση άνθρακα από το ‘συμβατικό’ ηλεκτρόδιο Ni-YSZ υπό τις συνθήκες της εσωτερικής αναμόρφωσης μεθανίου με ατμό που μελετήθηκαν. Τα ανοδικά αυτά ηλεκτρόδια επομένως φαίνεται να αποτελούν ενδιαφέρουσες επιλογές για χρήση στις κυψελίδες καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη που λειτουργούν με μεθάνιο ακόμη και σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες (μέχρι και 1173K) για τα NiAu-YSZ, ή σε χαμηλότερες (έως 973-1023K) για τα NiAg-YSZ. / The technology of solid oxide fuel cells seems quite attractive for the cogeneration of synthesis gas and electrical energy. A major bottleneck that has delayed the widespread use of this technology has always been the anode’s contamination with carbon due to the dissociative adsorption of methane. In a theoretical study, Besenbacher et al concluded that small quantities of Au on a supported Ni catalyst can minimize carbon deposition. Triantafyllopoulos and Neophytides reached similar results while studying the carbon adspecies that are formed on a Ni(1%at Au)-YSZ electrocatalyst during the dissociative adsorption of methane. The present study focused on the electrochemical activity of Ni(Au1%at)-YSZ and Ni(Ag1%at)-YSZ bimetallic electrodes under internal steam reforming conditions of methane in solid oxide fuel cells. The bimetallic electrodes were prepared by the combustion synthesis method, which is a relatively low temperature procedure that produces nanostructured electrodes, and their electrochemical behavior was investigated under internal steam reforming conditions. The thermogravimetric analysis, the electrochemical experiments as well as the kinetic measurements that were conducted, each one of them helped in reaching the general conclusion that the Ni(Au1%at)-YSZ and Ni(Ag1%at)-YSZ bimetallic electrodes are much more stable and carbon tolerant than the conventional Ni-YSZ electrode, at least under the steam reforming conditions of methane that they were studied. So these anodic electrodes seem to be interesting candidates for use in solid oxide fuel cells that operate with methane feed even at high temperatures (such as 1173K) for the NiAu-YSZ anodes, or at lower temperatures (up to 973-1023K) for the NiAg-YSZ anodes.