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Pozzato, Alessandro (2009) Capillary condensation in nanostructured surfaces. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The subject of this thesis is the study of the capillary condensation phenomenon in
nanostructured surfaces. The main motivation behind this work was to test recent
scaling theories about the capillary filling in capped capillaries. Adsorption isotherms
of Argon were measured at a temperature slightly above its triple-point with a torsional
microbalance. A key element for this kind of experiments was the availability
of surfaces patterned with an array of very regular structures (e.g. rectangular wells
or cylindrical holes). To fabricate these substrates was fundamental to develop a new
fabrication methodology based on advanced lithographic techniques. The optimized
methodology relied on nanoimprint lithography (NIL), wet etching (Buffered Oxide
Etch solution) and plasma etching in an Inductively Coupled Plasma (ICP). With our
process we were able to pattern extended surface areas of about 1 cm2 with a regular
array of rectangular channels or hemispherical holes of nanometric size. In particular,
we realized channels of two different widths (90 and 200 nm) and characteristic depths
varying from 0.5 to 2 µm. Adsorption isotherms taken with these samples showed
sharp and reversible jumps related to the capillary condensation of liquid argon in the
channels. Their location was found to vary with the channel width, wider channels displaying
the transition closer to bulk liquid-vapor condensation. A quantitative analysis
of these positions in terms of the classical Kelvin equations yielded results which were
in good agreement with the sample morphology deduced by electron microscopy. The
precise shape of the capillary rise is currently under investigation to check whether
it confirms the scaling predictions. The fabrication of the samples has been realized
in the TASC-INFM Laboratory in Trieste under the supervising of Dr. Massimo Tormen,
whereas the measurement runs of adsorption isotherms were carried out in the
laboratory of Prof. Giampaolo Mistura in Padova.

Abstract (italiano)

Il tema di questa tesi è lo studio dello studio dei fenomeni di condensazione capillare
in superfici nano strutturate. La motivazione principale a sostegno di questo lavoro
è la verifica di recenti teorie che descrivono il riempimento di capillari chiusi ad una
estremità. Le isoterme di assorbimento dell’argon sono state misurate a temperature
leggermente superiori al suo punto triplo con l’uso di una micro bilancia torsionale.
Un elemento chiave per questo tipo di esperimenti è la disponibilità di superfici strutturate
con una distribuzione periodica di elementi regolari (ad esempio canali rettangolari
o cavità cilindriche). Per costruire substrati di questo genere, è stato necessario
sviluppare una metodologia fabbricativa innovativa, basata su tecniche di litografia
avanzata. La metodologia ottimizzata si basa sulla cosiddetta nanoimprint lithography
(NIL), su etching in ambiente liquido (uso di soluzioni BOE per l’etching di ossido
di silicio) ed etching con uso di plasma gassosi in macchine di tipo ICP (Inductively
Coupled Plasma). Con il nostro processo siamo in grado di strutturare superfici con
area di estensione fino a 1 cm2 con distribuzione regolare di canali a sezione rettangolare
o cavità di forma emisferica, entrambi con dimensioni caratteristiche nel range
dei nanometri. In particolare abbiamo realizzato canali di due differenti larghezze (90
e 200 nm) e profondità caratteristica variabile tra 0:5 e 2 µm. Isoterme di adsorbimento
misurate con questo tipo di campioni mostrano transizioni nette e reversibili
correlabili con la condensazione capillare di argon liquido. La posizione di queste
transizioni varia col variare della larghezza dei canali: canali più larghi evidenziano
una transizione più vicina alla condensazione liquido-vapore in fase bulk. L’analisi
quantitativa di questi risultati, in termini della classica equazione di Kelvin, mostra
previsioni in buon accordo con la caratterizzazione diretta dei campioni tramite immagini
al SEM. La definizione precisa del profilo della parete del canale è ancora sotto
analisi per la conferma delle previsioni teoriche. La fabbricazione dei campioni è stata
condotta presso il laboratorio nazionale TASC-INFM in Trieste sotto la supervisione
del Dr. Massimo Tormen, mentre la misurazione delle isoterme di adsorbimento è stata
condotta nel laboratorio del Prof. Giampaolo Mistura all’Università di Padova

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Mistura, Giampaolo
Correlatore:Tormen, Massimo
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 21 > Scuole per il 21simo ciclo > SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI
Data di deposito della tesi:01 Febbraio 2009
Anno di Pubblicazione:2009
Parole chiave (italiano / inglese):wetting, capillary condensation, capped capillaries, adsorption isotherm, NIL, ICP
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/01 Fisica sperimentale
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei"
Codice ID:1871
Depositato il:01 Feb 2009
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Bibliografia

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