Υπερταχεία δυναμική φωτοαπόκριση σε νανοδομημένα υβριδικά υλικά και διατάξεις

Abstract

With the development of the first lasers and the oncoming progress of the technology, the detailed and systematic investigation of light-matter interactions was made possible. In particular, with the holding of the first experiments with laser radiations, it was found that when the material is excited with high intensity radiation, a series of phenomena which depend on the intensity of the radiation may occur, such as the generation of new frequencies etc. In this direction, there was a rapid development of a new branch of Optics dedicated to the study of such phenomena, the so-called Nonlinear Optics. In general, all these phenomena described by nonlinear optics, take place at relatively high intensities, typical of laser sources. And is important to emphasize that, although in most cases whether a phenomenon depends on the intensity of the radiation induced is the criterion for whether the phenomenon is part of the nonlinear optical response or not, however there are nonlinear phenomena which depend on the energy density of the radiation. All these effects are mainly associated with the duration of the laser pulse, and usually accompanied by absorption of radiation.In parallel, the development of pulsed lasers allowed to develop spectroscopic techniques, which could be said to function as cameras, capturing snapshots extremely short in duration, with a resolution equal to the duration of the laser pulses, giving important information, which in turn lead to a deeper understanding of the response of matter during the first moments of excitation by a beam of photons, revealing the mechanisms through which the recovery occurs.So far, materials with significant nonlinear response already have applications in the fields of photonics and optoelectronics. For example, materials exhibiting large nonlinear optical response can be used as optical limiters to protect sensitive detectors and high-cost devices from high-intensity laser beams, and also can be used as optical switches and optical diodes, the advantage in this case being that there is no need for converting the optical signal in electronic and vice versa, a process which is undesirable because of the delay induced in an information transmission.Also, materials exhibiting ultrafast electron response, have attracted the interest of the scientific community for use on a variety of key technological applications, with interest now being focused on semiconductor nanoparticles, since in that case the size of the material is limited within the range of a few nanometers, exhibiting unique properties, which are completely different from those exhibited by the same material at its macroscopic dimensions (bulk material).In the present dissertation, the third-order nonlinear optical response of graphene derivatives such as the graphene oxide and fluorinated graphene was studied in detail. These materials were selected since the last two decades, allotrope forms of carbon, such as fullerenes (0-D) and carbon nanotubes (1-D) have been found to exhibit significant non-linear absorption and optical limiting, and therefore it would be of particular interest a study of the third-order nonlinear optical response of two-dimensional (2-D) materials based on carbon.Furthermore, the third-order nonlinear optical properties of some novel synthesized π-conjugated azobenzene derivatives were investigated. The azobenzene, which exhibit stereo-isomerization, has been extensively studied in the last decade, and has been found to exhibit particularly high nonlinear optical response. The aim of the study was to investigate the effect of conjugation length and charge transfer on the nonlinear optical response of symmetric azobenzene derivatives, as well as to unravel the contribution of each isomer (cis/trans) in the observed nonlinearity.Also, an important part of this work devoted to the systematic study of nonlinear optical properties and ultrafast dynamic response of a series of novel synthesized γ-Fe2O3 iron oxide nanoparticles. In the literature, there are some reports for the linear and nonlinear optical properties of γ-Fe2O3 nanoparticles, but systematic study of the effect of the size on the third-order nonlinear optical response has not been reported hitherto. Furthermore, the interest was also focused on the study of the size effect in ultrafast dynamic response, because it can provide useful information for the carrier recombination, and how this is being affected upon limiting the size of the semiconducting nanoparticles’ dimensions. This knowledge will also provide valuable information regarding the understanding of the underlying mechanisms leading to the nonlinear optical response.Finally, the ultrafast dynamic response of three different types of carbon dots was studied. These nano-materials are the subject of extensive research since the first moment of their recent discovery, mainly due to the strong fluorescence that display, while importantly, very recent studies showed that they also exhibit interesting nonlinear optical properties. In this light, the systematic study of the dynamic response of carbon dots is of particular interest, because it can provide information on relaxation mechanisms, information that is important for various applications (photovoltaics, photonic and optoelectronic devices, etc.).

Με την ανάπτυξη των λέιζερ και την εξέλιξη της τεχνολογίας, κατέστη δυνατή η λεπτομερής διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης. Με την διεξαγωγή των πρώτων πειραμάτων με ακτινοβολίες λέιζερ, διαπιστώθηκε ότι όταν η ύλη διεγείρεται με ακτινοβολίες υψηλών εντάσεων, λαμβάνουν χώρα φαινόμενα τα οποία εξαρτώνται από την ένταση της ακτινοβολίας, όπως για παράδειγμα η γένεση νέων συχνοτήτων. Έτσι, πολύ γρήγορα αναπτύχθηκε ένας νέος κλάδος για τη μελέτη των φαινομένων αυτών, ο κλάδος της μη γραμμικής οπτικής. Τα φαινόμενα που μελετά η μη γραμμική οπτική, είναι φαινόμενα τα οποία εκδηλώνονται σε μεγάλες εντάσεις, εντάσεις στις οποίες το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο γίνεται συγκρίσιμο με αυτό που συγκρατεί τα ηλεκτρόνια στο άτομο. Και σημαντικό είναι να τονισθεί ότι, αν και στις περισσότερες φορές το αν εξαρτάται ένα φαινόμενο από την ένταση της διεγείρουσας ακτινοβολίας αποτελεί το κριτήριο για το αν το φαινόμενο αποτελεί κομμάτι της μη γραμμικής οπτικής απόκρισης, εντούτοις υπάρχουν και μη γραμμικά φαινόμενα τα οποία εξαρτώνται από την πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας. Τα φαινόμενα αυτά συνδέονται κυρίως με τη διάρκεια των παλμών, και συνήθως συνοδεύονται από απορρόφηση ακτινοβολίας. Παράλληλα, η ανάπτυξη παλμικών λέιζερ έδωσε τη δυνατότητα στο να αναπτυχθούν φασματοσκοπικές τεχνικές, οι οποίες θα μπορούσε να πει κανείς ότι λειτουργούν σαν φωτογραφική μηχανή, συλλαμβάνοντας στιγμιότυπα εξαιρετικά μικρά σε χρονική διάρκεια, με διακριτική ικανότητα ίση με τη διάρκεια των παλμών λέιζερ, δίνοντας σημαντικές πληροφορίες οι οποίες οδηγούν στη βαθύτερη κατανόηση της απόκρισης της ύλης κατά τις πρώτες στιγμές της διέγερσης από μια δέσμη φωτονίων, καθώς και των μηχανισμών μέσω των οποίων λαμβάνει χώρα η αποκατάσταση.Υλικά με σημαντική μη γραμμική απόκριση βρίσκουν ήδη εφαρμογές στους τομείς της φωτονικής και την οπτό-ηλεκτρονικής. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικοί περιοριστές για την προστασία ευαίσθητων ανιχνευτών και διατάξεων υψηλού κόστους από δέσμες λέιζερ υψηλής έντασης, ενώ επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικοί διακόπτες και οπτικές δίοδοι, με το πλεονέκτημα στην περίπτωση αυτή να είναι ότι δε θα χρειάζεται μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρονικό, διαδικασία η οποία είναι ανεπιθύμητη λόγω της καθυστέρησης που επάγει στην διάδοση μια πληροφορίας.Επίσης, υλικά που εμφανίζουν υπερβραχεία ηλεκτρονιακή απόκριση, έχουν ελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας για τη χρησιμοποίησή τους σε μια πληθώρα καίριων τεχνολογικών εφαρμογών, με το ενδιαφέρον πλέον να εστιάζεται σε νανοσωματίδια ημιαγωγών, αφού στην περίπτωση που οι διαστάσεις της ύλης περιορίζονται στην κλίμακα των μερικών νανομέτρων, τα υλικά εμφανίζουν μοναδικές ιδιότητες, που είναι εντελώς διαφορετικές από τις αντίστοιχες που επιδεικνύουν σε μακροσκοπικές διαστάσεις (bulk material).Στην εργασία αυτή, μελετήθηκε εκτενώς η μη γραμμική οπτική απόκριση τρίτης τάξης παραγώγων του γραφενίου, όπως του οξειδίου του γραφενίου και του φθοριωμένου γραφενίου. Τα υλικά αυτά επιλέχθηκαν διότι τις τελευταίες δύοδεκαετίες, αλλότροπες μορφές άνθρακα, όπως τα φουλλερένια (0-D) και οινανοσωλήνες άνθρακα (1-D) βρέθηκε να εμφανίζουν σημαντική μη γραμμικήαπορρόφηση, και οπτικό περιορισμό, και θα είχε ιδιαίτερο ενδιαφέρον μια μελέτηδιδιάστατων (2-D) υλικών με βάση τον άνθρακα.Μελετήθηκαν επίσης οι μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες τρίτης τάξης μερικώνπρόσφατα συντεθειμένων π-συζυγιακών αζοβενζολικών παραγώγων. Τααζοβενζόλια, τα οποία εμφανίζουν στέρεο-ισομερισμό, έχουν μελετηθεί εκτενώς τηντελευταία δεκαετία, και έχει βρεθεί να εμφανίζουν ιδιαίτερα υψηλή μη γραμμικήοπτική απόκριση. Σκοπός της μελέτης ήταν να μελετηθεί η επίδραση του μήκουςσυζυγίας και της μεταφοράς φορτίου στη μη γραμμική οπτική απόκριση τωνσυμμετρικών αζοβενζολικών παραγώγων, καθώς επίσης και επίσης να διερευνηθεί ησυνεισφορά του κάθε ισομερούς (cis/trans) στη μη γραμμικότητα.Ένα σημαντικό μέρος της εργασίας αφιερώθηκε στη συστηματική μελέτη τωνμη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων και της υπερταχείας δυναμικής απόκρισηςνανοσωματιδίων μαγκεμίτη (γ-Fe2O3). Στη βιβλιογραφία υπάρχουν αναφορές για τιςγραμμικές και μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες νανοσωματιδίων γ-Fe2O3, όμωςσυστηματική μελέτη της επίδρασης του μεγέθους στη μη γραμμική οπτική απόκρισητρίτης τάξης δεν έχει αναφερθεί έως τώρα. Παράλληλα, ενδιαφέρον παρουσιάζει καιη μελέτη της επίδραση του μεγέθους στην υπερταχεία δυναμική φωτό-απόκριση,διότι μπορεί να δώσει χρήσιμές πληροφορίες για την επανασύνδεση των φορέων καιπως αυτή επηρεάζεται όταν περιορίζεται το μέγεθος των ημιαγώγιμωννανοσωματιδίων. Η γνώση αυτή μπορεί επίσης να δώσει πολύτιμές πληροφορίες γιατην κατανόηση των μηχανισμών που οδηγούν στη μη γραμμική οπτική απόκριση.Τέλος, μελετήθηκε η υπερταχεία δυναμική απόκριση τριών διαφορετικώνψηφίδων άνθρακα (carbon dots). Τα εν λόγω νάνο-υλικά αποτελούν αντικείμενοεκτεταμένης έρευνας από την πρώτη στιγμή της (πρόσφατης) ανακάλυψής τους,κυρίως λόγω του έντονου φθορισμού που εμφανίζουν, ενώ πολύ πρόσφατες μελέτεςέδειξαν ότι εμφανίζουν και ενδιαφέρουσες μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες. Υπό αυτότο πρίσμα, η συστηματική μελέτη της δυναμικής απόκρισής τους παρουσιάζειενδιαφέρον, διότι θα δώσει πληροφορίες για τους μηχανισμούς αποκατάστασης τουφορτίου, πληροφορίες σημαντικές για διάφορες εφαρμογές (φωτοβολταϊκή δράση, μηγραμμική οπτική απόκριση κ.α.).