Το θέμα αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η παρασκευή με τη μέθοδο sputtering και ο χαρακτηρισμός μαγνητικών λεπτών υμενίων. Στo πρώτο κεφάλαιο, που αποτελεί και την εισαγωγή, γίνεται μια αναφορά στη τεχνολογία των λεπτών υμενίων και δίνεται το στοιχειώδες θεωρητικό υπόβαθρο των τεχνικών ανάπτυξης αυτών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διάταξη sputtering που χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη των μαγνητικών υμενίων και δίνονται τα αποτελέσματα της βαθμονόμησης ενός μετρητικού πάχους υψηλής ακρίβειας. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στην κατασκευή και πιστοποίηση μιας πλήρως αυτοματοποιημένης και χαμηλού κόστους διάταξης μέτρησης μαγνητικών βρόχων μέσω του φαινομένου Kerr, με μέγιστο πεδίο πόλωσης 2Τ. Το τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται στις πειραματικές λεπτομέρειες της παρασκευής των μαγνητικών λεπτών υμενίων Νικελίου και Κοβαλτίου και δίνονται τα αποτελέσματα του δομικού και μαγνητικού χαρακτηρισμού τους. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και οι παρατηρήσεις που προέκυψαν κατά τη διάρκεια της ενασχόλησης με τη διπλωματική εργασία. Γίνονται, επιπλέον, και ορισμένες προτάσεις για τη μελλοντική εξέλιξη των συστημάτων sputtering και ΜΟΚΕ, ενώ τονίζεται και το τεχνολογικό ενδιαφέρον που παρουσιάζουν τα υμένια που παρασκευάσθηκαν. / The subject of this diploma thesis is the growth using the sputtering process and the characterization of thin magnetic films. The first chapter refers to thin films' technology and there is given the elementary theoretical background of the thin films’ growth. In the second chapter, there is presented the sputtering device, which is used for the growth of the magnetic films. Also, there is given the results of the calibration of a newly established thickness monitor, which is used for high accuracy thickness measurements. In the third chapter, there is given the description of the construction of a fully automatic and low cost magneto - optic Kerr effect magnetometer for the magnetic loops' measurement in a maximum magnetic field of 2T. There are, also, given the magnetic loops which are used for the construction’s certification. The fourth chapter refers to the experimental details about the preparation of the Nickel and Cobalt magnetic thin films. There are, also, given the results about the structural and magnetic characterization of the thin films. Finally, in the fifth chapter, there are presented the conclusions and the observations, which arose during the diploma thesis. There are, also, presented some proposals about the future progress of the sputtering and MOKE systems, whereas at the same, there is stressed the technical interest of the thin films, which are prepared.

Μελετήθηκαν με μία σειρά από επιφανειακά ευαίσθητες τεχνικές δύο πρότυπα συστήματα με ενδιαφέρον για την ετερογενή κατάλυση. (Α) Στο διμεταλλικό σύστημα Sn/Ni διερευνήθηκαν οι συνθήκες και ο μηχανισμός κραματοποίησης του Sn στην επιφάνεια Ni(111). Το πλήρες επιφανειακό κράμα με δομή (√3×√3)R30°(από περίθλαση ηλεκτρονίων) σχηματίζεται θερμαίνοντας στους 7000C πάνω από 1,2 μονοστρώματα Sn. Οι διατεταγμένες δομές c(4x2) και c(2x2) αποτελούν ένα ενδιάμεσο στάδιο της κραματοποίησης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Με θερμοπρογραμματισμένη εκρόφηση CO διαπιστώθηκε η βαθμιαία παρεμπόδιση της ρόφησης κατά το σχηματισμό του κράματος. Η διεπιφανειακή αλληλεπίδραση Sn/Ni(111) διερευνήθηκε τόσο με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων, όσο και με θεωρητικούς υπολογισμούς από πρώτες αρχές. (Β) Μελετήθηκαν με φασματοσκοπίες ηλεκτρονίων και σκέδαση ιόντων He ρεαλιστικά πρόδρομα καταλυτικά συστήματα Ziegler – Natta (ZN), παρασκευάζοντας διάφορες σχετικές διεπιφάνειες με εξάχνωση MgCl2 σε υποστρώματα Si(111)7×7, Ti(0001) και SiO2. Η ασθενής αλληλεπίδραση μεταξύ MgCl2 και Si(111)7×7 γίνεται κυρίως μέσω των ατόμων Mg, τα οποία σε χαμηλές καλύψεις συμμετέχουν στη δημιουργία της υπερδομής (√3×√3)R30°. Η αλληλεπίδραση ενισχύεται μετά από θέρμανση, οπότε παραμένει στην επιφάνεια υπομονοστρωματική ποσότητα Mg. Από την άλλη πλευρά, το MgCl2, ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου αλληλεπιδρά ισχυρά με το Ti(0001), κυρίως μέσω των ατόμων Cl. Μετά από θέρμανση, ποσότητα Cl παραμένει συνδεδεμένη με το Ti ενώ απομακρύνεται από την επιφάνεια το Mg. Ασθενής αλληλεπίδραση παρατηρήθηκε μεταξύ MgCl2 και SiO2, ενώ η θέρμανση άφησε στην επιφάνεια υπομονοστρωματική ποσότητα οξειδωμένου Mg. Τέλος, μεταλλικό Ti που αποτέθηκε σε μικτό υπόστρωμα MgCl2 /SiO2 παρουσιάζει οξειδωτικές καταστάσεις οφειλόμενες στην ύπαρξη ατόμων Cl και O στην επιφάνεια, ενώ η θέρμανση οδηγεί στη δημιουργία επιφανειακών συμπλόκων, τα οποία είναι πιθανόν να προσομοιάζουν αντίστοιχα είδη στους πρακτικούς καταλύτες. / Two model systems, important in heterogeneous catalysis, where investigated using surface sensitive spectroscopies. (A) In the bi-metallic system Sn/Ni, the formation conditions and the mechanism of Sn surface alloying on Ni(111) were initially studied. The epitaxial surface alloy formation with LEED structure(√3×√3)R30°, requires annealing at 7000C of more than 1.2 monolayers Sn. The c(4x2) and c(2x2) structures were found to be an intermediate step of surface alloying. Temperature-programmed desorption showed a gradual blocking of CO adsorption with progressing alloying. The interfacial interactions in Sn /Ni(111) were demonstrated both by electron spectrosopies and via first principle calculations. (B) Surface science compatible model catalysts of the Ziegler-Natta (ZN) system were investigated by electron spectroscopies and He ion scattering on relevant interfaces formed via evaporation of MgCl2 on Si(111)7×7, Ti(0001) and SiO2 and upon evaporation of Ti on a MgCl2 /SiO2 mixed substrate.. The weak interaction between MgCl2 and Si(111)7×7 takes place through the Mg atoms, which at low coverage form a new surface structure, namely (√3×√3)R30°. The interaction was stronger after annealing, whereby a submonolayer coverage of Mg atoms remain on the surface. On the other hand, MgCl2 interacts strongly with the Ti substrate even at room temperature via the Cl atoms. Annealing causes the desorption of MgCl2 followed by decomposition, that leaves on the surface only Cl atoms attached to Ti, while no Mg atoms remain on the surface. Only a weak interaction was observed between MgCl2 and SiO2, while annealing resulted in the desorption and decomposition of MgCl2 leaving on the surface a sub-monolayer coverage of oxidized Mg. Upon Ti metal evaporation on the mixed MgCl2 / SiO2 support at room temperature, Ti appears at higher oxidation states, due to reaction with Cl and O atoms at the surface. Annealing causes the formation of surface complexes, which are very likely similar to species formed on practical ZN catalysts.

Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η αποσαφήνιση του τρόπου της διεπιφανειακής εναπόθεσης του νικελίου στην επιφάνεια της τιτάνιας, η οποία λαμβάνει χώρα στη διεπιφάνεια “τιτάνιας / ηλεκτρολυτικού διαλύματος”. Ο στόχος αυτός επιτεύχθηκε μέσω μιας κατάλληλης θεωρητικής και υπολογιστικής επεξεργασίας δεδομένων, που προέρχονται από την εφαρμογή ηλεκτροχημικών και φασματοσκοπικών τεχνικών, την εκτέλεση πειραμάτων προσρόφησης, καθώς επίσης και σε ab – initio υπολογισμούς για την εξακρίβωση της δομής των συμπλόκων εσωτερικής σφαίρας τα οποία σχηματίζονται και των συγκεντρώσεών τους στη διεπιφάνεια. Δείγματα βιομηχανικής τιτάνιας (Degussa, P 25) πλούσιας σε ανατάση χρησιμοποιήθηκαν για το σκοπό αυτό. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε για μια ευρεία περιοχή παραμέτρων εμποτισμού και πιο συγκεκριμένα τιμές pH, ιονικής ισχύος και συγκέντρωσης του υδατικού συμπλόκου [Ni(H2O)6]2+ στο διάλυμα. Μεταβάλλοντας τις παραμέτρους αυτές ρυθμίστηκε η επιφανειακή συγκέντρωση των ιόντων Ni(II). Χρησιμοποιήθηκε μια πληθώρα μεθοδολογιών στηριγμένες σε δεδομένα εναπόθεσης, μετρήσεις τιμών pH, ποτενσιομετρικές τιτλοδοτήσεις μάζας και πειράματα μικροηλεκτροφόρησης σε συνδυασμό με φασματοσκοπία διάχυτης ανάκλασης (DRS). Ο συνδυασμός όλων των παραπάνω φαίνεται πως υποδεικνύει το σχηματισμό μονοπυρηνικών / ολιγοπυρηνικών συμπλόκων εσωτερικής σφαίρας κατά την εναπόθεση των ιόντων [Ni(H2O)6]2+ στη διεπιφάνεια “τιτάνιας / ηλεκτρολυτικού διαλύματος”. Η μοντελοποίηση της διαδικασίας εναπόθεσης η οποία βασίστηκε στα προαναφερθέντα πειραματικά αποτελέσματα, αποκάλυψε την ακριβή δομή αυτών των επιφανειακών συμπλόκων και κατέστησε δυνατό τον προσδιορισμό της κατανομής των εναποτιθέμενων ειδών και ειδικότερα των σχετικών τους συγκεντρώσεων για διάφορες τιμές της επιφανειακής συγκέντρωσης Ni(II). Στο συμπαγές τμήμα της διεπιφάνειας “τιτάνιας / ηλεκτρολυτικού διαλύματος” σχηματίζονται τρία μονοπυρηνικά σύμπλοκα εσωτερικής σφαίρας: ένα μονο - υποκατεστημένο, δι - υδρολυμένο σύμπλοκο πάνω από τις ακραίες οξο - ομάδες ανταλλάσοντας ένα υδατικό υποκαταστάτη με ένα επιφανειακό άτομο οξυγόνου (διαμόρφωση TiO), ένα δι - υποκατεστημένο, δι - υδρολυμένο σύμπλοκο πάνω από δύο ακραίες γειτονικές οξο - ομάδες ανταλλάσοντας δύο υδατικούς υποκαταστάτες με δύο επιφανειακά άτομα οξυγόνου (διαμόρφωση TiO - TiO) και ένα δι - υποκατεστημένο μη υδρολυμένο σύμπλοκο πάνω από μία ακραία και μία γεφυρωμένη οξο - ομάδα (διαμόρφωση Ti2O - TiO). Επιπρόσθετα, σχηματίζονται ένα διπυρηνικό και ένα τριπυρηνικό σύμπλοκο εσωτερικής σφαίρας κατά την εναπόθεση των ιόντων [Ni(H2O)6]2+ στο συμπαγές τμήμα της διεπιφάνειας “τιτάνιας / ηλεκτρολυτικού διαλύματος”. Στην πρώτη περίπτωση η θέση υποδοχής συμπεριλαμβάνει μία γεφυρωμένη και δύο ακραίες οξο - ομάδες (διαμόρφωση Ti2O-TiO—TiO), ενώ στη δεύτερη περίπτωση δύο γεφυρωμένες και τρεις ακραίες οξο - ομάδες (διαμόρφωση Ti2O-TiO—TiO—TiO-Ti2O). Η διαμόρφωση TiO κυριαρχεί σε όλο το εύρος της περιοχής επιφανειακών συγκεντρώσεων το οποίο μελετήθηκε. Η συνεισφορά των διαμορφώσεων TiO - TiO και Ti2O - TiO είναι επίσης σημαντική σε πολύ χαμηλές τιμές επιφανειακής συγκέντρωσης Ni(II), μειώνεται όμως σε μεγάλο βαθμό καθώς αυτή αυξάνεται. Οι σχετικές επιφανειακές συγκεντρώσεις των διαμορφώσεων Ti2O-TiO--TiO και Ti2O-TiO—TiO--TiO-Ti2O αρχικά αυξάνουν με την επιφανειακή συγκέντρωση Ni(II) και μετά μένουν πρακτικά σταθερές. Η προαναφερθείσα κατανομή των εναποτιθέμενων ειδών στη διεπιφάνεια εξηγήθηκε με τη χρήση στερεοχημικών όρων. Επιπρόσθετα, η δομή των επιφανειακών συμπλόκων εσωτερικής σφαίρας και η κατανομή αυτή είναι σε γενική συμφωνία με εκείνες οι οποίες προβλέφθηκαν με την εκτέλεση ημιεμπειρικών κβαντομηχανικών υπολογισμών για την εναπόθεση του Ni στο TiO2. Το μοντέλο εναπόθεσης το οποίο αναπτύχθηκε περιέγραψε πολύ καλά τις adsorption edges, τις τιτλοδοτήσεις “πρωτονίου - ιόντος” και τις ισόθερμες εναπόθεσης, ενισχύοντας επιπλέον την αξιοπιστία και ορθότητά του. / The main goal of this work is the elucidation of the mode of interfacial deposition of nickel on the surface of titania, which takes place in the “titania / electrolytic solution” interface. This goal was achieved through the use of several methodologies combined with spectroscopic techniques, as well as ab – initio calculations in order to determine the structure of the inner sphere complexes formed as well as their relative interfacial concentrations. Samples of titania (Degussa, P 25) rich in anatase were used for this purpose. The study was performed over a quite wide range of impregnation parameters namely pH, ionic strength and concentration of the [Ni(H2O)6]2+ aqua complex in the solution. By changing these parameters, the Ni(II) surface concentration was regulated. Several methodologies based on deposition data, pH measurements, potentiometric mass titrations and microelectrophoresis have been used in conjunction with diffuse reflectance spectroscopy. These suggested the formation of mono - nuclear / oligo - nuclear inner sphere complexes upon deposition of the [Ni(H2O)6]+2 ions at the “titania / electrolytic solution” interface. The modelling of the deposition process based on the aforementioned experimental results revealed the exact structure of these surface complexes and allowed the determination of their relative concentrations at various values of Ni(II) surface concentration (interfacial speciation). Three mono-nuclear inner sphere complexes are formed at the compact layer of the “titania / electolytic solution” interface; one mono - substituted, di - hydrolyzed complex above the terminal oxo - groups by exchanging one water ligand with a surface oxygen atom (TiO configuration), a di - substituted, di - hydrolyzed complex above two terminal adjacent oxo - groups by exchanging two water ligands with the two surface oxygen atoms (TiO-TiO configuration) and one di - substituted, non - hydrolyzed complex above one terminal and one bridging adjacent oxo - groups ( Ti2O-TiO configuration). One binuclear and one three - nuclear complex are formed, in addition, at the compact layer. In the first case the receptor site involves one bridging and two terminal oxo- groups (Ti2O-TiO--TiO configuration) whereas in the second case the receptor site involves two bridging and three terminal oxo - groups (Ti2O-TiO--TiO--TiO-Ti2O configuration). The TiO configuration predominates in the whole range of the surface concentration studied. The contribution of the TiO-TiO and Ti2O-TiO configurations is also important at very low Ni(II) surface concentration, but this contribution is rapidly decreased as the Ni(II) surface concentration increases. The relative surface concentrations of the Ti2O-TiO--TiO and Ti2O-TiO--TiO--TiO-Ti2O configurations initially increase with the Ni(II) surface concentration and then remain practically constant. The aforementioned interfacial speciation was explained in stereochemical terms. Moreover, the structure of the inner sphere surface complexes and the interfacial speciation are in general agreement with those predicted by performing semi-empirical quantum chemical calculations of the deposition process. The deposition model developed has described the ‘adsorption edges’, the ‘proton–ion titration curves’ and the deposition isotherms well, further corroborating its validity.