Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται χρήση τριών διαφορετικών ειδών λεπτών υμενίων διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) ως στερεό υπόστρωμα για την ακινητοποίηση πρωτεϊνών με σκοπό την ανάπτυξη και σύγκριση αμπερομετρικών βιοαισθητήρων με ευαισθησία στο υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2). Το πρώτο είδος των λεπτών υμενίων TiO2 είναι από την εμπορική πάστα της Dyesol η οποία παρασκευάζεται με τη μέθοδο sol-gel, το δεύτερο είδος είναι από μία πάστα δικής μας παραγωγής με τη μέθοδο sol-gel και το τρίτο είδος είναι από μία πάστα που παρασκευάσαμε χρησιμοποιώντας την έτοιμη νανοδομημένη σκόνη TiO2, Degussa P – 25. Τα υμένια TiO2 που έχουν παρασκευαστεί από την εμπορική πάστα της Dyesol χρησιμοποιήθηκαν και για τη δημιουργία υβριδικού υποστρώματος με νανοσωματίδια Αργύρου το οποίο μπορεί να βρει εφαρμογή τόσο στη φωτοκατάλυση όσο και στην ανάπτυξη πιο ευαίσθητων αμπερομετρικών βιοαισθητήρων. Αρχικά περιγράφεται η λειτουργία των βιοαισθητήρων καθώς και οι σημαντικότεροι τύποι βιοαισθητήρων που έχουν κατασκευαστεί μέχρι σήμερα. Σημαντικό ρόλο στην επιτυχή κατασκευή ενός βιοαισθητήρα παίζει η επιλογή του υλικού που θα χρησιμοποιηθεί ως υπόστρωμα / ηλεκτρόδιο (στη συγκεκριμένη περίπτωση, υμένια TiO2) καθώς και ο τρόπος που ακινητοποιείται το βιομόριο πάνω σε αυτό, γι’ αυτό και έχει δοθεί έμφαση στην ανάλυση των παραπάνω πληροφοριών. Στη συνέχεια περιγράφεται η δομή και η φυσική λειτουργία της πρωτεΐνης, (κυτόχρωμα c), που χρησιμοποιήθηκε ως το βιομόριο επιλογής για την ανάπτυξη του βιοαισθητήρα. Αναλύονται οι κρυσταλλικές δομές του διοξειδίου του τιτανίου και οι βασικές φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Επίσης γίνεται περιγραφή του φαινομένου της φωτοκατάλυσης, ενώ αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του TiO2 για την εφαρμογή αυτή. Στο τέλος του πρώτου κεφαλαίου γίνεται αναφορά και στα νανοσωματίδια αργύρου καθώς και στους λόγους που βοηθούν στην αύξηση της φωτοκαταλυτικής απόδοσης του TiO2. Στη συνέχεια περιγράφονται οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν τόσο για τον χαρακτηρισμό των υμενίων TiO2 όσο και για την αναλυτική μελέτη της ακινητοποίησης του κυτοχρώματος c και των νανοσωματιδίων αργύρου πάνω σε αυτά. Περιγράφεται επίσης, η ηλεκτροχημική κυψελίδα 3 ηλεκτροδίων και οι τεχνικές της κυκλικής βολταμμετρίας και της φασματοηλεκτροχημείας που επιλέχθηκαν για τη μελέτη των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων των υμενίων TiO2 με ή χωρίς ακινητοποιημένη πρωτεΐνη, των υμενίων TiO2 με ακινητοποιημένα νανοσωματίδια αργύρου καθώς και για την ανάπτυξη των αμπερομετρικών βιοαισθητήρων με ευαισθησία στο H2O2. Τέλος, περιγράφεται η σύνθεση των τριών διαφορετικών παστών TiO2, η πειραματική διαδικασία εναπόθεσης των υμενίων του TiO2 σε υποστρώματα αγώγιμου υάλου και κατόπιν, ακολουθεί η ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων. / In this report 3 different types of TiO2 films were used as solid substrates for the immobilization of proteins in order to be used for the development and evaluation of amperometric biosensors for hydrogen peroxide (H2O2). The first type of thin TiO2 films were made using a Dyesol sol gel commercial TiO2 paste, the second type was produced from a TiO2 paste produced in our lab following a standard sol-gel procedure and the third type of films were produced from a paste prepared using Degusa P25 TiO2 powder. In addition, the thin TiO2 films produced from the Dyesol paste were modified with Ag nanoparticles in order to examine their electrochemical behavior which could lead to enhanced photcatalytic and/or biosensing performance. In the first chapter, a general decription of the different types of biosensors developed so far is presented and emphasis is given to their function and applications. In order to develop a successful biosensor, the choice of the material to be used as the solid substrate is very important as well as the type of the biomolecule used as the recognition element. The sensitivity and response of the biosensor is greatly enhanced by the method used to immobilize the biomolecule on the solid support in a stable and functional way. Therefore in this work both the material, TiO2 films, and the biomolecule of choice, Cytochrome-c, are presented in detail and in particular their physicochemical properties, their functions and applications. Moreover the different methods that have been used for the successful immobilization of biomolecules on solid surfaces are well documented. Furthermore, the photocatalytic properties of the TiO2 films are discussed and how they are enhanced by the deposition of silver nanoparticles on their surfaces that could also lead to the development of more sensitive and accurate amperometric biosensors. In the second chapter, the experimental techniques and procedures used for the characterization of the resulting TiO2 films and for the adsorption process of protein and/or silver nanoparticles on their surfaces are well presented. Furthermore, details are given of the electrochemical techniques (cyclic voltammetry and spectroelectrochemistry) used to evaluate the electrochemical performance of the resulting films with or without protein or silver nanoparticles. A detailed description of the 3 electrode electrochemical used to perform these experiments is also presented. Finally emphasis is given to the procedures used for the development of the electrochemical biosensors for H2O2. Finally, a description of the procedures used for the synthesis of the 3 different TiO2 pastes and of the method used for the production of thin TiO2 films on conducting glass is given followed by the presentation, analysis and discussion of the data collected.

An experimental study was conducted to explore the possible application of dynamically actuated nanowires to effectively disturb the wall layer in fully developed, turbulent channel flow. Actuated nanowires have the potential to be used for the mixing and filtering of chemicals, enhancing convective heat transfer and reducing drag. The first experimental evidence is presented suggesting it is possible to manipulate and subsequently control turbulent flow structures with active nanowires. An array of rigid, ultra-long (40 μm) TiO2 nanowires was fabricated and installed in the bounding wall of turbulent channel flow then oscillated using an attached piezoelectric actuator. Flow velocity and variance measurements were taken using a single sensor hot-wire with results indicating the nanowire array significantly influenced the flow by increasing the turbulent kinetic energy through the entire wall layer.

Des revêtements sol-gel nanocomposites TiO2-SiO2 ont été réalisés à partir de mélanges d'une suspension nanocristalline de TiO2 anatase et de sols polymériques de silice. Ces revêtements présentent une superhydrophilie naturelle, persistante et photo-régénérable. La présence de charges localisées aux interfaces granulaires TiO2-SiO2 est une des hypothèses permettant d'expliquer cette superhydrophilie naturelle. Toutefois des effets de morphologie (rugosité, porosité de surface) sont également connus pour influencer le mouillage. Des études ont été menées pour mettre directement en évidence l'effet intrinsèque des interfaces granulaires. Les études se sont recentrées sur l'effet extrinsèque de paramètres morphologiques susceptibles d'influencer la mouillabilité des revêtements nanocomposites selon des modèles thermodynamiques des surfaces connus. De nouveaux protocoles de synthèse par voie sol-gel ont été mis au point afin d'analyser i/ en quoi la superhydrophilie naturelle et photo-induite des revêtements TiO2-SiO2 pouvait être influencée par des effets de morphologie et de composition, et ii/ en quoi une exacerbation de ces effets via des structurations artificielles pouvaient encore accroître la superhydrophile de surface. Une extrapolation de ces protocoles a également permis d'étudier des revêtements superhydrophobes.

Les propriétés structurales et de luminescence de couches minces de TiO2 et Y2O3 dopées terres rares (thulium, terbium et ytterbium) ont été étudiées en vue de les intégrer dans une cellule photovoltaïque comme couche de conversion spectrale du proche UV vers l'infrarouge afin d'en améliorer l'efficacité. Ces couches minces ont été synthétisées par dépôt chimique en phase vapeur à pression atmosphérique à l'aide de précurseurs organo-métalliques et assisté par aérosol (aerosol assisted MOCVD). Les couches minces sont partiellement cristallisées dès la synthèse (400°C pour le TiO2 en phase anatase, 540°C pour Y2O3 en phase cubique). Après traitement thermique la cristallisation est largement améliorée et la luminescence des ions dopant terres rares est obtenue dans les deux matrices oxydes. Le thulium émet dans une large bande située vers 800 nm et l'ytterbium vers 980 nm. Le terbium quand à lui émet dans une gamme située principalement dans le visible. Les spectres d'excitation ont montré que l'absorption des photons se fait via la matrice. En matrice TiO2 une efficacité de transfert d'énergie du Tm3+ vers l'Yb3+ de l'ordre de 20 % a été déterminée pour des teneurs de 0,8 % des deux dopants, ce qui correspond à la limite d'auto-extinction. Le rendement global mesuré est faible, nous avons montré que les causes probables de cette faible valeur sont le manque d'absorption des couches minces pour obtenir l'excitation de l'ion sensibilisateur ainsi que des processus de luminescence et de down conversion pas assez efficaces.

Afin de réduire la quantité d'hydrocarbures déversés dans le milieu marin, les navires de la flotte marchande et, depuis peu, les navires militaires sont tenus de contrôler leurs rejets huileux. Par exemple, seules les eaux de cales dont la concentration en huile (indice hydrocarbure) est inférieure à 15 ppmv peuvent être déversées en mer (Marpol 73/78). Au-delà de cette teneur, et si le stockage à bord n'est pas envisageable, un traitement avant rejet devient alors inévitable. Cependant, les traitements actuels des eaux de cales se sont avérés jusqu'ici insuffisants. La photocatalyse hétérogène, méthode largement utilisée dans le cas du traitement d'effluents gazeux et liquides, a ainsi été proposée dans ce travail. L'abattement de l'indice hydrocarbure a été suivi par analyse GC-MS. Dès lors, après avoir mis en évidence la faisabilité et les limites du procédé batch, un réacteur photocatalytique à aération diffusée (DAPR) a été développé afin de remédier au manque d'oxygène dissous de l'effluent réel. Comparativement au traitement dans le réacteur batch, une meilleure efficacité de la dégradation a été observée dans le DAPR. Cependant, l'analyse parallèle (ATD-GC-MS) de l'évolution de la composition de la phase gazeuse a montré qu'une quantité non négligeable de composés organiques volatils (COV) y étaient alors émis. Enfin, les nalcanes ont été identifiés comme étant les composés les plus réfractaires au traitement photocatalytique et le pentadécane a alors été choisi comme polluant modèle des eaux de cales pour une analyse cinétique.

This thesis presents surface science studies, investigating several aspects of titanium dioxide at the atomic scale. The greater part of this work is devoted to the preparation by chemical vapor deposition (CVD) of titanium(IV) tetraisopropoxide (TTIP) of ultrathin TiO2 or TiOx films on Au(111). Four ordered structures were growth and characterized. It was also demonstrated how the morphology of the film (wetting film vs island) can be tailored. The acquired knowledge about the CVD process was exploited to load nano porous gold with titania, enhancing its catalytic activity. The reactivity towards water adsorption of the titania structures on Au(111) was also investigated. Finally, part of this work concerned the studying of the behavior of water on the stoichiometric rutile TiO2(110) surface, combining the experiments with density-functional theory (DFT) calculations and (kinetic) Monte Carlo simulations. The main experimental techniques used in this work are low-energy electron diffraction (LEED), scanning tunneling microscopy (STM) and photoelectron spectroscopy (PES).

The aim of this study is to test the limits of photocatalytic reduction of CO2 over Pt and light harvesting dye promoted TiO2 films under UV and visible light. Thick and thin TiO2 film catalysts are coated onto 1 cm long glass beads via a common sol-gel procedure and dip coating technique. TiO2 thin films were promoted by Pt and three different light harvesting molecules: RuBpy (Tris (2,2&rsquo / &ndash / bipyridyl) ruthenium (II) chloride hexahydrate) , BrGly (1,7-dibromo-N,N&rsquo / -(t-butoxycarbonyl-methyl)-3,4:9,10-perylene-diimide) and BrAsp (1,7-dibromo-N,N&rsquo / -(S-(1-t-butoxy-carbonyl-2-t-butoxycarbonyl-methyl)-ethyl)- 3,4:9,10-perylenediimide). Their SEM, XRD, UV-Vis spectroscopy and hydrogen chemisorption characterizations are performed. Reaction tests are performed for the catalysts under UV and visible light. The only quantifiable reaction product was methane. With RuBpy containing catalysts hydrogen production was observed under UV light, but not quantified. The results indicated that Pt addition resulted in higher yields in UV experiments. The presence of light harvesting molecules resulted in increase in photocatalytic activity for thin films, whereas it resulted in no change or decrease for the thick films. The latter case may occur due to the UV filtering effect of these dyes. Use of dyes (with visible range absorption bands) as promoters made visible light excitation possible. This resulted in photocatalytic activity under visible light, which was not observed with unpromoted and Pt promoted TiO2 thin film catalysts. Under visible light methane was the only quantified photoreduction product. CO evolution was also observed, but not quantified. The photocatalytic activities of the dye promoted TiO2 were in the order of RuBpy~BrAsp&gt / BrGly. The methane yields of visible light experiments were one order of magnitude lower than the ones under UV light.

This thesis focuses on the application of nanocrystalline transition metal oxide TiO2, WO3 and NiO thin films in new “green” building technologies. Specifically, their physicochemical properties in photocatalytic, self-cleaning and gas sensing applications are studied. There is an intimate connection between comfort issues, health, with connections to energy efficiency, leading to a need for intelligent building materials and green architecture. The importance of good indoor environment is augmented by the fact that modern man in developed countries spends some 90 % of his time inside buildings and vehicles. Poor air quality may lead to discomfort of the person inhabiting a building and in ultimately cause adverse health effects. Thin films of nanocrystalline TiO2 were prepared using reactive DC magnetron sputtering. Crystalline mesoporous films of WO3 and NiO were prepared using advanced gas deposition technique (AGD). The crystal structure, morphology, optical and chemical properties of the films were characterized by using grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD), scanning electron microscopy (SEM), UV/Vis spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively. The photocatalytic properties and adsorption of both organic and inorganic molecules on pure and functionalized films were probed by in situ Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The gas sensing properties of sensors based on TiO2, WO3 and NiO were investigated by conductivity measurements and noise spectroscopy. It was found for the first time that NiO based thin film sensors can be used to detect H2S and NO2 at low temperatures – down to room temperature. Hybrid WO3 sensors functionalized with multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) were used to detect NO2, CO and NH3 gases. These hybrid gas sensors show improved recovery properties compared to unmodified WO3 sensors. TiO2 based gas sensors were able to detect low concentrations of H2S by noise spectroscopy provided that the sensors were irradiated by UV light. Furthermore we show that sulphur is photo-fixated in crystalline TiO2 films upon simultaneous SO2 gas exposure and UV irradiation. Studies of the kinetics and identity of the photo-fixated sulphur complexes show that these are formed by photo-induced reactions between oxygen and SO2 at oxygen surface vacancy sites in TiO2. The sulphur modified TiO2 films show interesting self-cleaning properties compared to the pure films. / Felaktigt tryckt som Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 739

Σε αυτήν την εργασία μελετήθηκε η συμπεριφορά της ηλεκτρικής ειδικής αγωγιμότητας συνεχούς, δειγμάτων πολυπυρρόλης και νανοσυνθέτων πολυπυρρόλης/5% w/w TiO2, συναρτήσει της θερμοκρασίας. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν τόσο σε μόλις παρασκευασθέντα δείγματα, καθώς και στα ίδια δείγματα μετά από συγκεκριμένη παραμονή τους σε θερμοκρασία καταπόνησης για διαφορετικά χρονικά διαστήματα. Οι θερμοκρασίες καταπόνησης ήταν 100, 300 και 380Κ. Τα χρονικά διαστήματα στα οποία παρέμεναν τα δείγματα στη συγκεκριμένη θερμοκρασία καταπόνησης κάθε φορά, έβαιναν αυξανόμενα από 0 μέχρι 30 ώρες περίπου. Η θερμική καταπόνηση των δειγμάτων γινόταν σε ατμόσφαιρα δωματίου και σε αδρανή ατμόσφαιρα ηλίου. Η επιφάνεια των δειγμάτων μελετήθηκε με μικροφωτογραφίες SEM πριν και μετά την θερμική καταπόνηση. Τόσο για την καθαρή πολυπυρρόλη, όσο και για τα νανοσύνθετα πολυπυρρόλης/5% w/w TiO2 η αγωγιμότητα ακολουθεί την σχέση , η οποία ισχύει για την περίπτωση υλικού με δομή κοκκώδους μετάλλου. Στη δομή αυτή, αγώγιμες νησίδες πολυμερούς κατανέμονται τυχαία μέσα σε μονωτικό υλικό. Η παραπάνω σχέση ισχύει όταν οι μονωτικοί φραγμοί είναι αρκετά στενοί, έτσι ώστε οι φορείς αγωγιμότητας, λόγω φαινομένου σήραγγος, να περνούν από περιοχές μικρής επιφάνειας, εκεί όπου οι κόκκοι πλησιάζουν πολύ μεταξύ τους. Λόγω του μικρού μεγέθους αυτών των περιοχών διέλευσης, η συγκέντρωση των φορέων εκατέρωθεν του μονωτικού φραγμού εμφανίζει έντονες θερμικές διακυμάνσεις συνοδευόμενες από αντίστοιχες διακυμάνσεις της τάσης, οι οποίες τελικά καθορίζουν την διέλευση των φορέων (μοντέλο FIT – Fluctuation Induced Tunneling). Με βάση το μοντέλο FIT υπολογίστηκαν οι χαρακτηριστικές παράμετροι σ0, T1 και T0. Η παράμετρος σ0 αποτελεί μέτρο της αγωγιμότητας στο εσωτερικό των αγώγιμων νησίδων, η T1 εκφράζει το ύψος του φραγμού της δυναμικής ενέργειας, τον οποίο πρέπει να διασχίσει ο φορέας, ενώ το T0 σε συνδυασμό με την παράμετρο T1 επιτρέπουν τον υπολογισμό της απόστασης s μεταξύ των αγώγιμων νησίδων. Η κλίση των καμπύλων είναι μικρότερη (περίπου η μισή) για τα νανοσύνθετα από ότι για τα δείγματα καθαρής πολυπυρρόλης, τόσο σε ατμόσφαιρα δωματίου, όσο και σε αδρανή ατμόσφαιρα He. Αυτό ερμηνεύεται από το γεγονός ότι, η TiO2 έχει μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα (3.2eV) από την πολυπυρρόλη (2.5eV), οπότε η θερμική διέγερση των φορέων είναι πιο δύσκολη στα δείγματα νανοσυνθέτων. Με τη δομή κοκκώδους μετάλλου συμφωνεί και ο νόμος της θερμικής γήρανσης, , από τον οποίο προκύπτει γραμμικότητα της . Από την κλίση των ευθειών προκύπτει ότι η παρουσία της TiO2 επιβραδύνει τη γήρανση μειώνοντας την κινητικότητα των αλυσίδων του πολυμερούς. Από τις μικροφωτογραφίες SEM συνάγεται ότι η δομή, τόσο της πολυπυρρόλης, όσο και του νανοσυνθέτου δεν είναι συμπαγής, αλλά εμφανίζεται σαν ένα συσσωμάτωμα κόκκων με διαστάσεις 200–300nm. Οι διαστάσεις των νανοσωματιδίων της TiO2 προκύπτουν περίπου 20nm, όπως αναμένεται από τις προδιαγραφές της, ενώ οι διαστάσεις των αγώγιμων νησίδων της πολυπυρρόλης εκτιμώνται με βάση τις αντίστοιχες διαστάσεις των αγώγιμων νησίδων στην πολυανιλίνη, της τάξεως των 20-30nm. Το γεγονός ότι οι διαστάσεις των αγώγιμων νησίδων είναι περίπου ίσες με εκείνες των νανοσωματιδίων TiO2 σημαίνει ότι οι δεύτερες μπορούν να παρεμβάλλονται ανάμεσα στις πρώτες, πράγμα που δικαιολογεί τον ρυθμό μεταβολής του φραγμού δυναμικής ενέργειας, ο οποίος είναι μικρότερος στην περίπτωση του νανοσυνθέτου. Μια άλλη πληροφορία από τις μικροφωτογραφίες SEM είναι ότι, η θερμική καταπόνηση εξομαλύνει το ανάγλυφο της επιφάνειας και συντελεί στην συσσωμάτωση των κόκκων του υλικού. Η διαδικασία αυτή συμβαίνει με την απομάκρυνση του Cl- με μορφή HCl, γεγονός το οποίο μειώνει την αγωγιμότητα λόγω αποπρωτονίωσης των αλυσίδων του πολυμερούς. Αντίθετα, η ταυτόχρονη συσσωμάτωση των κόκκων του υλικού αυξάνει την αγωγιμότητα. Παρατηρούμε ότι συνυπάρχουν δύο ανταγωνιζόμενοι μηχανισμοί μεταβολής της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Οι διαφορές στις ισόθερμες καμπύλες για θερμοκρασίες 100, 300 και 380Κ, σε περιβάλλον ατμοσφαιρικού αέρα, αφενός, και αδρανούς ατμόσφαιρας ηλίου αφετέρου, συνδέονται με τον ρόλο που παίζουν οι εξής παράγοντες: a) Η θερμοκρασία, η οποία καθορίζει την κινητικότητα των πολυμερικών αλυσίδων και τη διέγερση των φορέων αγωγιμότητας, καθώς και το ρυθμό διάχυσης και την ταχύτητα των χημικών αντιδράσεων με το οξυγόνο και την υγρασία του αέρα. Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης Tg για την PPy, πάνω από την οποία συμβαίνουν συνεργατικές κινήσεις των αλυσίδων, ποικίλει ανάμεσα στους 250 και στους 400Κ και εξαρτάται από τη μέθοδο παρασκευής, τη φύση των προσμίξεων και τη θέση που καταλαμβάνουν μέσα στο υλικό, είτε συμμετέχοντας στη δομή της αλυσίδας, είτε σχηματίζοντας πλευρικούς κλάδους. b) Η ύπαρξη οξυγόνου και υγρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα, τα οποία, όπως έχει αναφερθεί παίζουν σημαντικό ρόλο στον τεμαχισμό των αλυσίδων, ο οποίος καταστρέφει το συζυγή χαρακτήρα του υλικού. c) Η ύπαρξη TiO2, η οποία χαρακτηρίζεται από ενεργειακό χάσμα μεγαλύτερο από εκείνο της PPy και σε υψηλές θερμοκρασίες συντελεί στην μεταφορά οξυγόνου στο πολυμερές με αποτέλεσμα ανάλογο με εκείνο που προκαλεί το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα. Ειδικότερα οι καμπύλες στους 100Κ δείχνουν τον καθοριστικό ρόλο του οξυγόνου και της υγρασίας στην μείωση της αγωγιμότητας σε ατμόσφαιρα δωματίου. Επί πλέον σε ατμόσφαιρα He αποκαλύπτουν μηχανισμό αύξησης της αγωγιμότητας. Στους 300Κ η παρουσία TiO2 εξασθενεί τον μηχανισμό βελτίωσης των αλυσίδων, διότι τα νανοσωματίδια μειώνουν την κινητικότητα και επομένως την διευθέτηση των πολυμερικών αλυσίδων και την αύξηση της αγωγιμότητας. Τα μέγιστα που παρατηρούνται στα πρώτα 10min αποδίδονται στη βελτίωση της διάταξης των αλυσίδων του πολυμερούς. Για μεγαλύτερους χρόνους επικρατούν οι καταστροφικοί μηχανισμοί γήρανσης, λόγω της παρουσίας οξυγόνου και υγρασίας, αλλαγές της δομής, οι οποίοι αποκόπτουν τους δρόμους διέλευσης των φορέων, με αποτέλεσμα την μείωση της αγωγιμότητας. Εξαίρεση αποτελεί η πολυπυρρόλη σε ατμόσφαιρα He, όπου η έλλειψη οξυγόνου και υγρασίας έχει σαν αποτέλεσμα τη αύξηση της αγωγιμότητας σε όλη τη διάρκεια της θερμικής καταπόνησης. Εντελώς διαφορετική είναι η συμπεριφορά του νανοσυνθέτου πολυπυρρόλης/5% w/w TiO2 στη θερμοκρασία των 300Κ σε ατμόσφαιρα He. Η μείωση της αγωγιμότητας με την θερμική καταπόνηση μπορεί να αποδοθεί στη μεταφορά οξυγόνου από την TiO2 στο πολυμερές, με αποτέλεσμα τον τεμαχισμό των αλυσίδων και τη μείωση της αγωγιμότητας. Τέλος, στους 380Κ η εμφάνιση του μέγιστου είναι λιγότερο έντονη και δείχνει ότι στη θερμοκρασία αυτή, υπερισχύουν πολύ περισσότερο οι καταστροφικοί μηχανισμοί, τόσο παρουσία ατμοσφαιρικού αέρα, όσο και αδρανούς He. / In this thesis, the DC specific conductivity was studied on polypyrrole (PPy) and polypyrrole/5% w/w TiO2 nanocomposite samples as a function of temperature. The measurements were carried out οn fresh as well as οn samples that had remained at an ageing temperature for specific time periods. The ageing temperatures were 100, 300 and 380K. The time periods for which the samples were aged started from 0 and led up to 30 hrs approximately. The thermal ageing was conducted in room atmosphere as well as in inert He. The surface of the samples was studied with Scanning Electron Microscopy (SEM), before and after thermal treatment. Both for PPy and PPy/5% w/w TiO2 nanocomposites the specific DC conductivity follows the relation , which is valid in the case of materials with a granular metal structure. In this structure, conducting islands of polymer are randomly distributed in an electrically insulating substrate. The above relation is valid when the insulating barriers are narrow enough so that the charge carriers, because of the tunneling effect, can pass through regions of little area, where the grains are close to one another. Because of the small size of these regions, the density of carriers on either side of the insulating barrier exhibits intense thermal fluctuations, which are accompanied by corresponding fluctuations in voltage, which, in effect, determines the passage of carriers (Fluctuation Induced Tunneling model – FIT). Based on the FIT model, the characteristic parameters σ0, T1 and T0 were calculated. The parameter σ0 is a measure of the conductivity inside the conducting islands, T1 expresses the height of the potential energy barrier, which the carrier must overcome, whilst T0 in conjunction with parameter T1, allows the calculation of the distance s between the conducting islands. The slope of the curves is of lower value (about half) for the nanocomposites than for the pure PPy samples, both in room atmosphere measurements, as well as for inert He ones. This can be explained by the fact that TiO2 has a higher band gap (3.2eV) than polypyrrole (2.5eV), thus the thermal excitation is harder for nanocomposite samples. The thermal ageing law is in agreement with the granular metal model, from whom we can derive the linearity of . By the slope of the lines, we derive that the presence of TiO2 slows the ageing by diminishing the mobility of the polymer chains. By SEM microphotographs it is deducted that the structure, of both polypyrrole and the nanocomposites, is not compact, but appears as an aggregate of grains with diameters of 200-300nm. The dimensions of the TiO2 nanoparticles are about 20nm, as we expected by the specifications of the titania used, whilst the dimensions of the conducting islands of polypyrrole are estimated, based on the corresponding structures in conducting polyaniline, in the order of 20-30nm. The fact that the dimensions of the conducting islands are about the same as the size of the TiO2 nanoparticles, means that the latter can intervene between the islands, which can justify the rate of change of the height of the potential energy barrier that is smaller in the case of the nanocomposite. Another piece of information derived from the SEM microphotographs is that the thermal treatment acts to smooth the relief of the surface and contributes to the agglomeration of the material grains. This process happens with the removal of Cl- in the form of HCl, something that diminishes the conductivity because of deprotonation of the polymer chains. In contrast, the simultaneous agglomeration of the materials’ grains improves conductivity. We observe that there coexist two competing mechanisms of electrical conductivity change. The difference in the isothermal curves for temperatures of 100, 300 and 380K, in room atmosphere and in inert He, are linked to the role of these factors: a) The temperature, which determines the mobility of the polymer chains and the excitation of the carriers, as well as the rate of diffusion and the speed of chemical reactions with oxygen and moisture of the air. We have to consider that the glass transition temperature Tg of PPy, above which cooperative movements of the chains occur, varies between 250 and 400K and is strongly dependant on the method of synthesis, the nature of the dopants and their position in the material, either contributing in the chain structure or by forming side chains. b) The existence of oxygen and moisture of the atmosphere, which, as we have mentioned, play an important role in the scission of polymer chains that destroys the conjugated character of the material. c) The existence of TiO2, which is characterized by a higher bang gap than PPy, in higher temperatures contributes to the transfer of oxygen to the polymer leading to the same result as the oxygen of atmospheric air. Especially, the isothermal curves for 100K show the determining role o oxygen and moisture to the diminishing of the conductivity in ambient atmosphere. In addition, in He atmosphere they reveal a conductivity improving mechanism. At 300K, the presence of TiO2 weakens the mechanism responsible for the improvement of conductivity, because the nanoparticles diminish the mobility and therefore the ordering of polymer chains and the increase of conductivity. The maxima that are observed during the first 10min are attributed to the improvement of the chain ordering of the polymer. For longer times, the ageing mechanisms dominate, due to the presence of oxygen and moisture, changes in the structure that sever the carrier pathways, result in diminishing of the conductivity. An exception to the above is the case of pure PPy in inert he atmosphere, where the lack of oxygen and moisture results in the increase of conductivity during all of the ageing process. Completely different behaviour is observed in the PPy/5% w/w TiO2 nanocomposites at 300K in He atmosphere. The diminishing of the conductivity with ageing can be attributed to the transfer of oxygen from TiO2 to the polymer, resulting in scission of the chains and lowering of the conductivity values. In conclusion, at 380K, the appearance on a maximum is less intense and it shows that at this temperature, the conductivity reducing mechanisms are far more dominant, both in room atmosphere as well as in inert He.

Στην παρούσα ειδική ερευνητική εργασία μελετήθηκε η αγωγιμότητα σκότους και η μεταβατική φωτοαγωγιμότητα στο κενό και στον αέρα δειγμάτων υπό μορφή δισκίων συμπιεσμένης σκόνης διοξειδίου του τιτανίου (με την εμπορική ονομασία Evonik-Degussa (P25)) και δειγμάτων UP25 που προέκυψαν μετά από ανάμιξη σκόνης P25 και ουρίας (urea NH2CONH2) σε αναλογία βάρους 1:1, και τα οποία ψήθηκαν για 1 ώρα στους 450oC. Κατά το ψήσιμο καίγεται η ουρία και τροποποιεί την επιφάνεια του TiO2. Η αγωγιμότητα σκότους του δείγματος UP25 είναι μεγαλύτερη στο κενό από την αντίστοιχη του P25, γεγονός που αποδίδεται στην παρουσία της ουρίας, η οποία εισάγει κενές θέσεις οξυγόνου που δρουν σαν δότες ηλεκτρονίων. Στον αέρα η αγωγιμότητα σκότους του δείγματος UP25 είναι μικρότερη από την αντίστοιχη του P25 και αυτό οφείλεται στην προσρόφηση μορίων οξυγόνου στην επιφάνεια του TiO2, τα οποία δεσμεύουν ηλεκτρόνια και στην παρουσία αζώτου (από την ουρία), το οποίο εμποδίζει την προσρόφηση υγρασίας. Η φωτοαγωγιμότητα στο κενό φθάνει σε υψηλές τιμές και στα δυο δείγματα και εμφανίζεται ιδιαίτερα ευαίσθητη στο περιβάλλον. Η μεταβατική φωτοαγωγιμότητα αυξάνει με αργό ρυθμό στο κενό, φθάνοντας στον κόρο μετά από ημέρες και είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτήν στον αέρα. Η «αύξηση» και η «μείωση» της φωτοαγωγιμότητας στον αέρα είναι πιο γρήγορη από την αντίστοιχη στο κενό και στα δυο δείγματα λόγω επανασύνδεσης. Στον αέρα η διαδικασία της επανασύνδεσης είναι ιδιαίτερα έντονη στο δείγμα UP25, καθώς η παρουσία του αζώτου μειώνει δραματικά την φωτοαγωγιμότητα λόγω της δημιουργίας μεγάλου αριθμού κέντρων επανασύνδεσης. / In the present master thesis, dark conductivity and transient photoconductivity in vacuum and in air were studied in samples of titania powder P25, which is a commercial product of Evonik-Degussa, and of UP25, prepared by mixing P25 and urea (NH2CONH2) powders in 1:1 weight ratio and consequent calcinations at 450 oC for 1 hour, in the form of pellet. The dark conductivity of UP25 is greater in vacuum than the corresponding one of P25 and this effect is attributed to urea’s presence, which introduces oxygen vacancies, that behave like electron donors. The dark conductivity in air of UP25 is lower than the corresponding one of P25, which is attributed to oxygen molecules adsorption on TiO2’s surface, which act as electron scavenger and nitrogen’s presence (by urea), which prevents water’s absorption. Photoconductivity in vacuum reaches very high values in both samples and is sensitive on the environment. Transient photoconductivity rises slowly in vacuum, saturating in days, and is much larger than that in air. The rise and the decay of the photoconductivity in air are faster than in vacuum for both samples, due to recombination. In air, the recombination process is significant mainly in sample UP25 since the nitrogen presence creates a large amount of recombination centers causing an important decrease of photoconductivity.