Σκοπός της διατριβής είναι η πρόβλεψη των συζευγμένων ηλεκτρομηχανικών ιδιοτήτων ενός πολυμερούς ενισχυμένου με νανοσωλήνες άνθρακα σε επίπεδο στρώσης υλικού (μικροκλίμακα), χρησιμοποιώντας δεδομένα και αναλύσεις ατομικής και υποατομικής κλίμακας. Αρχικά γίνεται η πρόβλεψη των μηχανικών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση που συνδυάζει εξισώσεις μοριακής μηχανικής και ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία. Στη συνέχεια γίνεται πρόβλεψη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Ισχυρού Δεσμού (ή Δέσμιας Κατάστασης). Ο συνδυασμός των δυο αυτών παρέχει πληροφορίες για τη συζευγμένη ηλεκτρομηχανικής απόκριση των νανοσωλήνων άνθρακα. Τέλος, γίνεται ανάλυση της μικροδομής ενός νανοσυνθέτου υλικού και πώς αυτή μεταβάλεται υπό την επίδραση μηχανικού φορτίου. Ο συνδυασμός όλων των αναπτυχθέντων προτύπων οδηγεί στην πρόβλεψη της συζευγμένης ηλεκτρομηχανικής συμπεριφοράς του νανοσυνθέτου υλικού. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν καθώς και οι προβλέψεις τους επιβεβαιώθηκαν σε αντιπαράθεση με θεωρητικές προβλέψεις και πειραματικές μετρήσεις άλλων διακεκριμένων ερευνητών. / The goal of this thesis is the prediction of the coupled electromechanical response of carbon nanotube doped polumer in ply-level (microscale), using minimal input from atomic and subatomic analyses. First, the mechanical properties of carbon nanotubes are predicted using an approach that combines molecular mechanics and finite element analysis. Next, the electrical properties of carbon nanotubes are predicted using the tight-binding method. The coupling of these two models leads to the prediction of the electromechanical response of individual carbon nanotubes. Finally, the microstructure of a nanocomposite is analyzed, along with the effects of strain. All these models, when combined, predict the coupled electromechanical response of the nanocomposite. All models and predictions have been successfully correlated with theroetical predictions and experimental measurements of other researchers, found in the open literature.

Οι ηλεκτρομηχανικές συσκευές αποθήκευσης δεδομένων πολύ μικρής κλίμακας που βασίζονται στη χρήση ακίδων (probes) αποτελούν ανερχόμενες εναλλακτικές επιλογές για τη βελτίωση της πυκνότητας αποθήκευσης, του χρόνου πρόσβασης των δεδομένων και της απαιτούμενης ισχύος σε σχέση με τις συμβατικές συσκευές αποθήκευσης. Μία υλοποίηση μιας τέτοιας συσκευής χρησιμοποιεί θερμομηχανικές μεθόδους για την αποθήκευση πληροφορίας σε λεπτές μεμβράνες πολυμερών υλικών. Στην περίπτωση αυτή, η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται με τη μορφή κοιλωμάτων πάνω στο πολυμερές υλικό, τα οποία δημιουργούνται από τις ακίδες, διαμέτρου μερικών nm. Με στόχο την αύξηση του ρυθμού εγγραφής και ανάγνωσης χρησιμοποιούνται δισδιάστατες διατάξεις από ακίδες που λειτουργούν παράλληλα, με κάθε ακίδα να εκτελεί λειτουργίες εγγραφής /ανάγνωσης /διαγραφής σε ξεχωριστό αποθηκευτικό πεδίο. Η μετατόπιση του αποθηκευτικού μέσου σε σχέση με τη διάταξη των ακίδων επιτυγχάνεται με τη χρησιμοποίηση ηλεκτρομηχανικού συστήματος μικρής κλίμακας (MEMS). Η διάταξη MEMS αποτελείται από ένα μικρής κλίμακας σύστημα σάρωσης (microscanner) και από το τσιπ της δισδιάστατης διάταξης των ακίδων. Το σύστημα σάρωσης έχει δυνατότητα κίνησης σε δύο διευθύνσεις (x/y). Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η μοντελοποίηση του συστήματος σάρωσης μικρής κλίμακας. Η μοντελοποίηση του συστήματος έγινε με βάση το σύστημα του απλού αρμονικού ταλαντωτή με απόσβεση. Στα πλαίσια της εργασίας μελετάται η απόκριση του συστήματος σε διάφορους τύπους διεγέρσεων, ενώ για την προσομοίωση της συμπεριφοράς του microscanner αναπτύχθηκε εφαρμογή στην γλώσσα προγραμματισμού Visual Basic. Η εφαρμογή περιλαμβάνει γραφικό περιβάλλον με δυνατότητα ρύθμισης των παραμέτρων εξομοίωσης. / Micro-electro-mechanical-system (MEMS)-based scanning-probe storage devices are emerging as potential ultra-high-density, low-access-time, and low-power alternatives to conventional data storage. One implementation of probe-based storage uses thermomechanical means to store and retrieve information in thin polymer films. Digital information is stored by making indentations on the thin polymer film with the tips of atomic force microscope (AFM) cantilevers, which are a few nanometers in diameter. To increase the data rate, an array of probes is used, in which each probe performs read/ write/ erase operations over an individual storage field. Displacement of the storage medium relative to the array of cantilevers is achieved by using micro-electro-mechanical-system (MEMS). The MEMS assembly consists of the microscanner and the cantilever array chip. The microscanner with x and y motion range carries the storage medium. This diploma dissertation presents the modeling of the microscanner. The system models as a damped harmonic oscillator. The model response on different driven forces has been studied, whereas an application in Visual Basic has been generated to simulate the system motion. The application comprises graphic interface with simulation parameters modulation.