The presented diploma thesis deals with a targeted modification of the structural properties of hydrogels, which is closely related to the application properties of these materials (eg transport). Due to the desired pharmacological applications of the use of these materials for targeted drug release, hydrogels based on chitosan and polyvinyl alcohol as substances with good biocompatibility were selected for the study. The combination of these polymers ensured swelling (controlled by the presence of chitosan) and viscoelastic (influenced by the presence of polyvinyl alcohol) properties, which were characterized by a wide range of analytical and physicochemical methods (swelling, tensile strength, rheology, atomic force microscopy or specific surface area, etc.). Information on structural properties played a crucial role not only for a detailed description of the studied materials in terms of whether the structural properties can be changed in a targeted manner, but also served as an explanation for the different release of the active substance diclofenac from the hydrogel matrix. With regard to the literature search, the effect of pH and crosslinking was chosen to modify the properties. From the measured results it was found that even a slight change in pH has an effect on the transport or release of the active substance. The results obtained in this work may be useful in the formation of hydrogel matrices with drugs depending on the intended medical applications.

Les matériaux luminescents sensibles à la température ou l’exposition auxrayons ultra-violets sont de plus en plus recherchés. Dans ces travaux, deux famillesde composés ont été synthétisés et caractérisés.La première famille est celle des composés ZnAl2O4 dopés aux ionsmanganèse de structure spinelle. Ces composés présentent des propriétés dethermo-chromo-luminescence irréversible avec une variation d’émission du rouge auvert en fonction de l’histoire thermique subie par le matériau. Ici les variations delongueurs d’onde d’émission sont dues au changement de l’environnement des ionsluminescents manganèse en fonction de la température. Il a été démontré que lagamme de température de commutation peut être modulée par une variation de lacomposition de la matrice hôte. La seconde famille est celle des elpasolites decomposition Rb2KInF6 dopé au cérium. Ces composés présentent des propriétés dephoto-chromo-luminescence réversible par oxydo-réduction entre les ions cérium etindium. Sous irradiation UV, il est possible de créer des espèces (In+) quiluminescent dans le rouge. Nous avons montré que le retour aux propriétés initialespeut avoir lieu sous irradiation UV à plus hautes longueurs d’onde ou par chauffage.La spécificité du phénomène associé à cette structure et cette compositionparticulière peut s’expliquer par des considérations structurales, la situation spatialedes ions cérium et indium permettant des échanges électroniques par recouvrementorbitalaire de ces deux ions. / Research for luminescent materials sensitive to temperature or UV exposurevariation are increasing. Here we manage to synthesized and characterized materialswhich show such properties.First, spinel structure materials as ZnAl2O4 doped with manganesecompounds exhibit irreversible thermo-chromo-luminescence properties. Thismaterial shows a variation of emission wavelength from red to green with a variationof the thermal history of the sample. These variations are due to a modification of themanganese environment in the structure with the temperature. It was demonstratedthat the temperature range of the luminescence switch can be tuned by themodification of the matrix composition. Secondly, cerium-doped Rb2KInF6compounds with elpasolite structure exhibit reversible photo-chromo-luminescenceproperties. Under UV irradiation, new luminescent species (In+), created by redoxreaction between Ce3+ and In3+ species, and which emits in the red range, can beproduced. We demonstrate the reversibility of the phenomenon by UV irradiation orafter a thermal treatment. The specificity of these properties with this structure andthis composition can be explained by structural consideration: Ce3+ and In3+positioning in the cell allowing electronic exchanges between these ions thanks toorbital overlap.

Experimental studies have shown that the yield strength of many important engineering materials such as polymers, ceramics and metallic glasses is dependent on hydrostatic stress. In addition, these materials may also exhibit plastic dilatancy. These deviations from the assumptions of classical plasticity theories have also been observed for some metallic alloys, although to a lesser extent compared to non-metals. In pressure independent plastic solids, it has been found that the level of crack tip constraint can affect the near-tip stress and deformation fields and hence the fracture resistance. The objective of the present work is to study the effects of pressure sensitive yielding, plastic dilatancy and constraint loss on the ductile fracture processes under mode-I conditions. Further, the three-dimensional (3D) structure of elastic-plastic near-crack front fields in a pressure independent plastic solid under mixed mode (combined modes I and II) loading is also examined. A finite element study of 3D crack tip fields in pressure sensitive plastic solids under mode-I, small scale yielding (SSY) conditions is first carried out. The material is assumed to obey a small strain, Extended Drucker-Prager (EDP)yield criterion. The roles of pressure sensitive yielding, plastic dilatancy and yield locus shape on the 3D plastic zone development and near-crack front fields are systematically investigated. It is found that while pressure sensitivity leads to a significant drop in the hydrostatic stress all along the 3D crack front, it enhances the plastic strain and crack opening displacements. However, plastic incompressibility results in elevation of both near-tip hydrostatic stress and notch opening. The implications of these observations on micro-void growth and interaction near a notch tip are studied in detail subsequently. The effects of constraint loss on void growth near a notch tip under mode-I loading in materials exhibiting pressure sensitive yielding and plastic dilatancy are investigated by performing large deformation elastic-plastic finite element analyses. To this end, two-dimensional (2D)plane strain and 3Dmodified boundary layer formulations are employed by prescribing the elastic K-T field as remote boundary conditions. The results are generated for different combinations of K (or J ) and T -stress. The material is assumed to obey a finite strain, EDP yield condition. The distributions of hydrostatic stress and plastic strain in the ligament connecting the notch and a nearby void (cylindrical or spherical) as well as the growth of the notch and the void are studied. The results show that void growth with respect to J is enhanced due to pressure sensitivity, and more so when the plastic flow is non-dilatational, which corroborates with the trends exhibited by the 3D crack tip fields. However, the evolution of ductile fracture processes like void growth, plastic strain localization and ligament length reduction with respect to J is retarded in the case of spherical voids. Further, irrespective of pressure sensitivity, loss of crack tip constraint can significantly slow down void growth. The effects of pressure sensitive yielding and plastic dilatancy on near-tip void growth and multiple void interaction mechanisms in single edge notched bend (SENB) and center cracked tension (CCT) specimens which display high and low constraint levels, respectively, are investigated next. It is observed that the latter mechanism which is favored by high initial porosity is further accelerated by pressure sensitive yielding and high constraint. The predicted resistance curves based on a simple void coalescence mechanism show enhancement in fracture resistance when constraint level is low and when pressure sensitivity is suppressed. Finally, detailed elastic-plastic finite element simulations are carried out using a boundary layer (SSY) formulation to investigate the 3D nature of near-crack front fields in a von Mises solid under mixed mode (combined modes I and II)loading. The plastic zones and radial, angular and thickness variations of the stresses are studied corresponding to different levels of remote elastic mode mixity and applied load, as measured by the plastic zone size with respect to the plate thickness. The 3D results are compared with those obtained from 2D simulations and asymptotic solutions to establish the validity of 2D plane stress and plane strain approximations near a crack front. It is found that, in general, plane stress conditions prevail at a distance from the crack front exceeding half the plate thickness, although it could be slightly smaller for mode-II predominant loading.

Τα άμορφα υλικά είναι μια ευρεία κατηγορία υλικών με σημαντικές ιδιότητες πολλές από τις οποίες δεν απαντώνται όταν αυτά βρίσκονται στην αντίστοιχη κρυσταλλική τους φάση. Στην παρούσα εργασία μελετώνται επιλεγμένα υμένια (πάχους ~ 1μm) από μια ειδική κατηγορία άμορφων υλικών, τις χαλκογονούχες ενώσεις (chalcogenides). Ως “χαλκογενή” (chlacogens) αναφέρονται τα στοιχεία της ομάδας VIA του περιοδικού πίνακα, δηλαδή το Θείο (S), το Σελήνιο (Se) και το Τελλούριο (Te) και συνεπώς οι ενώσεις που περιέχουν ένα ή περισσότερα από αυτά τα στοιχεία μαζί με στοιχεία όπως τα As, Ge, P, Bi, Si, Sb, Ga, Ag, κλπ. σχηματίζουν τις χαλκογονούχες ενώσεις. Το γεγονός ότι το ενεργειακό χάσμα των ενώσεων αυτό εμπίπτει στην φασματική περιοχή του ορατού φωτός και του κοντινού υπερύθρου έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση πλήθους φωτο-επαγόμενων (μη-θερμικών) φαινομένων όταν τα υλικά αυτά ακτινοβοληθούν με φως κατάλληλου μήκους κύματος και πυκνότητας ισχύος. Τα φωτο-επαγόμενα φαινόμενα περιλαμβάνουν αλλαγές σε δομικές, μηχανικές, χημικές, οπτικές, ηλεκτρικές κ.α. ιδιότητες. Πιο συγκεκριμένα, μέσω της μελέτης των φωτο-επαγόμενων φαινομένων παρέχεται η δυνατότητα για ελεγχόμενη μεταβολή δομικών (μικροσκοπικών) αλλά και μακροσκοπικών ιδιοτήτων του υλικού. Επομένως τα υλικά αυτά έχουν έντονο τεχνολογικό ενδιαφέρον, σε εφαρμογές όπως στην οπτική, στην μικροηλεκτρονική και στην ανάπτυξη στοιχείων αποθήκευσης πληροφορίας (οπτικές μνήμες). Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και η κατανόηση σε βασικό επίπεδο των μικρο-δομικών χαρακτηριστικών, υμενίων επιλεγμένων άμορφων χαλκογονούχων ενώσεων υπό την επίδραση διαφόρων εξωτερικών ερεθισμάτων καθώς και η επίτευξη συσχετισμού μεταξύ μικροσκοπικών χαρακτηριστικών και χρήσιμων για εφαρμογές μακροσκοπικών ιδιοτήτων. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε συστηματικά η επιφανειακή ηλεκτρονιακή δομή υμενίων του συστήματος AsxSe100-x, παρασκευασμένων με θερμική εναπόθεση (thermal evaporation, TE) και εναπόθεση με παλμικό laser (pulsed laser deposition, PLD) με επιφανειακά ευαίσθητες τεχνικές όπως Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων από Ακτίνες-x (XPS) και από Υπεριώδες (UPS). H Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων από Ακτίνες-x (XPS) χρησιμοποιείται για τον καθορισμό της χημικής σύστασης της επιφάνειας του στερεού. Η πολλαπλότητα των χημικών καταστάσεων για ένα συγκεκριμένο είδος ατόμου υποδηλώνει την ύπαρξη μιας ποικιλίας τοπικών ατομικών διατάξεων στην επιφάνεια του υμενίου. Επομένως οι αλλαγές των ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων στην επιφάνεια μπορούν να συσχετιστούν άμεσα με αλλαγές που αφορούν στην επιφανειακή δομή, οι οποίες προκαλούνται είτε μεταβάλλοντας διάφορες παραμέτρους όπως η σύσταση του υλικού είτε με την επιβολή κάποιου εξωτερικού ερεθίσματος όπως η θέρμανση και η ακτινοβόληση, είτε με τη φωτο-διάλυση ατόμων μετάλλου (Ag) στο εσωτερικό τους. Μεταβάλλοντας την σύσταση σε PLD υμένια AsxSe100-x και υποβάλλοντας τα σε θέρμανση, σε θερμοκρασία 150ºC (δηλαδή λίγο πιο κάτω από το Τg) οι πιο έντονες αλλαγές παρατηρήθηκαν στο ηλεκτρονικό περιβάλλον των ατόμων αρσενικού στα υμένια με ενδιάμεσες συστάσεις (As50Se50, As60Se40). Στην συνέχεια, η συμμετρική σύσταση As50Se50 μελετήθηκε διεξοδικότερα λόγω της μεγάλης ποικιλομορφίας και ετερογένειας σε νανο-κλίμακα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ακτινοβόληση και η θέρμανση οδηγούν την δομή σε δύο διαφορετικές άμορφες καταστάσεις με διαφορετικό ποσοστό δομικών μονάδων. Το φαινόμενο είναι αντιστρεπτό και επαναλήψιμο σε διαδοχικούς κύκλους θέρμανσης και ακτινοβόλησης για τα PLD υμένια ενώ δεν ισχύει το ίδιο για τα ΤΕ υμένια. Ο προσδιορισμός του δείκτη διάθλασης με την χρήση φασματοσκοπικής ελλειψομετρίας σε PLD και ΤΕ As50Se50 υμένια, σε διαδοχικές διεγέρσεις ακτινοβόλησης και θέρμανσης, αποκάλυψε την συσχέτιση των αλλαγών στη μικροδομή των υμενίων με τις μεταβολές σε αυτή την μακροσκοπική ιδιότητα του υμενίου. Επιπλέον, εκπονήθηκε μελέτη του φωτο-επαγόμενου φαινομένου της διάχυσης και διάλυσης ατόμων μετάλλου όπως ο Ag στην δομή των υμενίων PLD και ΤΕ As50Se50 με ακτινοβόληση ακτίνων- x και ορατού φωτός (laser ενέργειας συγκρίσιμης με το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού). Σκοπός ήταν η μελέτη της εξέλιξης των σχηματιζόμενων χημικών ειδών κατά τα διάφορα στάδια του φαινομένου σε αντίθεση με την έως τώρα υπάρχουσα πρακτική που εστιάζει κυρίως στον μηχανισμό της κινητικής του φαινομένου. Μετρήσεις ανάλυσης σε βάθος με XPS και SIMS έλαβαν χώρα με σκοπό την διερεύνηση του προφίλ της συγκέντρωσης του μετάλλου στο εσωτερικό του υμενίου, πριν και μετά την επαγωγή του φαινομένου. / Amorphous, are a wide category of materials with significant properties that do not occur in their respective crystalline phase. In this work, a special category of selected amorphous chalcogenide compounds (chalcogenides) in the form of thin (1μm) films, is studied experimentally. Chalcogens are the elements from Group VIA, namely Sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te) and therefore compounds containing one or more of these elements together with elements such as As, Ge, P, Bi, Si, Sb, Ga, Ag, etc. form chalcogenide compounds. The fact that their energy gap is within the range of visible light and near infrared has given rise to numerous of photo-induced (non-thermal) phenomena when these materials are irradiated with light of appropriate wavelength and power density. The photo-induced effects include changes in structural, mechanical, chemical, optical, electrical, etc. properties. More specifically, through the study of photo-induced effects it is possible to control micro-structural changes and macroscopic properties of the material. Therefore these materials have a strong technological interest for applications in optics, in microelectronics and as elements in circuits for optical data storage (optical memories). The aim of this work is to study and understand at a basic level the micro-structural characteristics of chalcogenide films of selected compounds under the influence of various external stimuli as well as to achieve a correlation between microscopic characteristics and useful for applications macroscopic properties. In the present work the electronic surface structure of AsxSe100-x films prepared by thermal evaporation (TE) and by pulsed laser deposition (PLD) was studied systematically with surface sensitive techniques such as X-ray and Ultraviolet Photoelectron Spectroscopies ( XPS, UPS). X-ray photoelectron spectroscopy is used to determine the chemical composition of the surface of a solid. The multiplicity of chemical states for a specific type of atom suggests the existence of a variety of local individual arrangements on the surface of the film. Therefore, the changes of electronic properties on the surface can be directly correlated with changes on the surface structure, which are caused either by altering various parameters such as the composition of the material or by imposing an external stimulus such as annealing and irradiation, or by photo-dissolution of silver atoms (Ag) in their structure. Changing the composition of PLD AsxSe100-x films and submitting them to annealing below the Tg, the most pronounced changes occurred in the electronic environment of atoms in films with intermediate compositions (As50Se50, As60Se40). The symmetrical composition As50Se50 was chosen and studied thoroughly because of the great diversity and heterogeneity of its micro-structural units in nano-scale. The results showed that irradiation and annealing lead the film to two different amorphous states, with different percentage of structural units. The phenomenon is reversible and repeatable in successive cycles of annealing and irradiation for the PLD films while this is not true for the TE films. The determination of the refractive index using spectroscopic ellipsometry in PLD and TE As50Se50 films, in successive irradiation and annealing stimuli, revealed the correlation of the changes in the microstructure of films with the changes in this macroscopic property. Furthermore, the photo-induced diffusion and dissolution of silver (Αg) atoms in the structure of PLD and TE As50Se50 films induced by x-rays and visible light (laser energy comparable to the energy gap of semiconductor) was studied. The purpose of these experiments was to follow the chemical species formed during the various stages of the diffusion procedure with XPS in contrast to most studies so far focusing mainly on the mechanism of kinetics of the diffusion reaction. Depth profile analysis by XPS and SIMS took place in order to investigate the concentration profile of the metal atoms in depth of the films, before and after the induction of the effect.