Συσκευή μικροσκοπίας λεπτών διάφανων επιφανειών με περιοδικές μικροδομές, με χρήση περίθλασης laser

Abstract

Τα διάφανα αγώγιμα φιλμ (Transparent Conductive Films - TCF) είναι λεπτές διάφανες επιφάνειες με συγκεκριμένη μικροδομή, τυχαία ή περιοδική. Η διαφάνειά τους οφείλεται στις διαστάσεις της μικροδομής τους, οι οποίες είναι αρκετά μικρές, ώστε να είναι σχεδόν διάφανες στο οπτικό πεδίο. Ακόμη, η μία διάσταση των υλικών αυτών είναι σημαντικά μικρότερη από τις άλλες δύο, καθιστώντας τα λεπτά φιλμ . Συγχρόνως, η μικροδομή των TCF κατασκευάζεται συνήθως από υλικά, όπως οξείδια Ινδίου-Κασσιτέρου, χάλκινα και ασημένια νανοκαλώδια ή πλέγματα, κ.α, προσδίδοντάς τους ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ο συνδυασμός των παραπάνω ιδιοτήτων τα καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικά για εφαρμογές σε σύγχρονα ηλεκτρονικά, όπως στις οθόνες αφής, τα φωτοβολταϊκά πάνελ και τα wearables. Η μικροδομή τους μπορεί, υπό κατάλληλες συνθήκες, να προκαλέσει περίθλαση μακρινού πεδίου, όταν τα υλικά διαπερνώνται από μονοχρωματικό φως, όπως αυτό ενός laser. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η παρατηρούμενη αποτύπωση της περίθλασης αντιστοιχεί στο τετράγωνο του μέτρου του δισδιάστατου μετασχηματισμού Fourier της μικροδομής του υλικού. Η αντίστροφη διαδικασία, λοιπόν, μπορεί να αποτελέσει μια δόκιμη διαδικασία εναλλακτικής μικροσκοπίας των υλικών αυτών. Η παρούσα εργασία αποτελεί μια πλήρη μελέτη της προσπάθειας ανακατασκευής της μικροδομής ενός TCF με περιοδική μικροδομή, από φωτογραφίες περίθλασης laser του υλικού. Αρχικά, στο Κεφάλαιο 3, αναπτύχθηκαν ιδεατά μοντέλα μικροδομής του υλικού και υπολογίστηκαν οι αντίστοιχες περιθλάσεις στο μακρινό πεδίο. Σε αυτές τις συνθήκες προσομοίωσης, κατέστη εφικτή η δοκιμή και αξιολόγηση των χρησιμοποιούμενων μεθόδων, όπως αλγορίθμων ανάκτησης φάσης (Fienup, Hybrid Input-Output, Error Reduction, Shrinkwrap), με χρήση μετρικών όπως η SSIM και η ομοιότητα κατανομής ιδιαζουσών τιμών (SVD Similarity). Ταυτόχρονα, έγινε εξαγωγή παραμέτρων της μικροδομής του υλικού, μέσα από τις υπολογισμένες περιθλάσεις. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 4, αναπτύχθηκε συσκευή χαμηλού κόστους για την πρακτική και ασφαλή λήψη πειραματικών φωτογραφιών περίθλασης laser των δειγμάτων, καθώς και διενεργήθηκε χαρακτηρισμός των διαστάσεων της μικροδομής των υλικών, από τις παρατηρούμενες αποτυπώσεις περίθλασης. Στο Κεφάλαιο 5, κατόπιν, αναλύθηκαν οι ληφθείσες φωτογραφίες και έγινε προσπάθεια ανακατασκευής. Η προεπεξεργασία (κατωφλίωση, μείωση ανάλυσης, περικοπή) των εικόνων της συσκευής κρίθηκε αναγκαία πριν την εφαρμογή των αλγορίθμων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι βασικά χαρακτηριστικά της μικροδομής των υλικών μπορούν να ανακτηθούν με ικανοποιητική ακρίβεια, παρότι περιορίζονται από θόρυβο και οπτικές ανωμαλίες. Η εν λόγω εργασία υπογραμμίζει τις προοπτικές και τις προκλήσεις της ανάκτησης φάσης από μία μόνο μέτρηση έντασης περίθλασης. Προτείνει, επίσης, ένα λειτουργικό πλαίσιο αξιοποίησης οπτικών μεθόδων, εργαλείων επεξεργασίας εικόνων και αλγορίθμων ανάκτησης φάσης για την προσπάθεια ανακατασκευής και χαρακτηρισμού των μικροδομών των TCF, από εικόνες περίθλασης laser.