Τμήμα Επιστήμης των Υλικών (ΜΔΕ)

Browse

Recent Submissions

Now showing 1 - 5 of 78
  • Thumbnail Image
    Item
    Ultrafast polarization dynamics in QD spin VCSELs
    Τσέλιος, Χρήστος; Tselios, Christos
    Ultrafast polarization dynamics in spin- Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) have become an active area of research motivated by potential applications. This thesis explores the effect of materials used in the active region, cavity anisotropies and optical pumping on the polarization control and polarization oscillations in the case of Quantum-Dot (QD) spin- VCSEL. We have focused on a comprehensive theoretical analysis of QD spin- VCSEL by means of Spin Flip Model (SFM) and both Largest Lyapunov Exponent (LLE) and bifurcation diagrams to determine regions of stability. The dependence of the shape and the size of stability regions on additional parameters for the case of QD spin- VCSEL is investigated and the results are demonstrated with Three-Dimensional (3D) stability maps in the plane of pump ellipticity and normalized pump intensity. This research is extended to investigate the dependence of the output polarization ellipticity on that of the pump. The combination of Poincaré sphere and Stokes vectors reveals rich nonlinear dynamics, such as periodic oscillations and chaos. More importantly, Two-Dimensional (2D) contour maps for output polarization ellipticity shows that polarization switching and polarization control are evident inside the stability region. We then investigate the sustained polarization oscillations, which are attributed to Hopf Bifurcation (HB). Power Spectral Density (PSD) plots demonstrate that output polarization ellipticity oscillates with a frequency determined by birefringence, leading to oscillations in the tens of Gigahertz for high values of birefringence. The polarization response at these high values of birefringence is studied in terms of 2D contour maps for Stokes vectors in the plane of birefringence rate and pump ellipticity. The results show polarization behaviours ranging from spin amplification to less circular output polarization. In order to investigate the capability of the optical pumping to control the output polarization time varying injection with polarized carriers with different spin is applied. We also implement a new metric system to find the optimum values of device parameters for faster temporal switching between output polarization degree. By encoding information in the polarization of the injected carriers faster operation is feasible. Using eye diagrams we highlight that QD spin VCSELs under polarization modulation can achieve data transfer at high bit rates, a crucial feature for ultrafast communication systems.
  • Thumbnail Image
    Item
    Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοδομημένων υλικών ευγενών μετάλλων με πλασμονικές ιδιότητες
    Ντεμογιάννης, Δημήτριος; Ntemogiannis, Dimitrios
    Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας μελετώνται οι πλασμονικές ιδιότητες νανοδομημένων υλικών ευγενών μετάλλων που αναπτυχθήκαν με την τεχνική της μάγνητρον ιοντοβολής και χαρακτηριστήκαν οπτικά και δομικά. Η εργασία αποτελείται από δύο κύρια μέρη. Στο πρώτο μέρος, έγινε αρχικά εναπόθεση πολυστρωματικών λεπτών υμενίων AgPd με την τεχνική RF μάγνητρον ιοντοβολής σε υπόστρωμα Corning glass και έπειτα ανοπτήθηκαν σε φούρνο σε αέρα στους 460°C. Ρυθμίζοντας το πάχος των στρωμάτων, ήταν δυνατή η αλλαγή της σύνθεσης των νανοσωματιδίων έως ότου προσδιορίστηκε η βέλτιστη σύνθεση για την λήψη συντονισμών εντοπισμένων επιφανειακών πλασμονίων (LSPRs). Μετά την θερμική επεξεργασία, δημιουργήθηκαν αυτο-οργανωμένα νανοσωματίδια και λήφθηκαν συντονισμοί επιφανειακών πλασμονίων μόνο για τα δείγματα που είχαν σύνθεση πλούσια σε Ag σε όλο το οπτικό φάσμα. Στη συνέχεια, αποδείχτηκε ότι χρησιμοποιώντας ως αρχικό υλικό λεπτά υμένια κράματος AgPd της βέλτιστης σύνθεσης, τα οποία εναποτέθηκαν μέσω της DC μάγνητρον ιοντοβολής ήταν δυνατή η αναπαραγωγή των LSPRs. Με συνδυασμό τόσο παχύτερων όσο και λεπτότερων υμενίων είναι δυνατόν να καλυφθεί το πλήρες οπτικό φάσμα με LSPRs. Στο δεύτερο μέρος ερευνάται μια ενναλακτική μέθοδος δημιουργίας αυτό- οργανομένων νανοσωματιδίων σε λεπτά υμένια Αργύρου τα οποία εναποτέθηκαν με την μέθοδο DC μάνγητρον ιοντοβολής και στη συνέχεια υπέστησαν θερμική ανόπτηση με λέιζερ (Laser Annealing) σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και υπό ατμοσφαιρική πίεση. Πιο συγκεκριμένα, τα λεπτά υμένια εναποτέθηκαν σε δύο διαφορετικά υποστρώματα corning glass και εν συνεχεία υπέστησαν θερμική ανόπτηση με την χρήση λέιζερ. Για την ανόπτηση με λέιζερ έλαβε χώρα μια συνεχής διαδικασία βελτιστοποίησης των παραμέτρων του λέιζερ. Τέλος, μελετήθηκε η πλασμονική συμπεριφορά των θερμικά επεξεργασμένων δοκιμίων με φασματοσκοπία υπεριώδους – ορατού (UV-Vis) και μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM).
  • Thumbnail Image
    Item
    Πλασμονικοί βιοαισθητήρες απταμερών
    Μπαρμπαρίτσα, Μαρία; Mparmparitsa, Maria
    Η παρούσα μεταπτυχιακή ερευνητική διατριβή αφορά την δημιουργία και την χρήση πλασμονικών νανοσωματιδιακών δομών, κατάλληλων για εφαρμογή σε βιο-αισθητήρες υψηλής ευαισθησίας. Τέτοιοι βιο-αισθητήρες κάνουν χρήση πλασμονικών φαινομένων με τελικό σκοπό την ανίχνευση τοξικών μικρομορίων, όπως, για παράδειγμα, είναι οι τοξίνες που ανιχνεύονται στα γαλακτοκομικά προϊόντα και σε άλλα τρόφιμα. Κυρίος στόχος ανάπτυξης των αισθητήρων είναι να επιτευχθεί τόσο η επιλεκτική ανίχνευση όσο και η υψηλή ευαισθησία. Οι αισθητήρες αυτοί επιτρέπουν την εύκολη διάγνωση, την γρήγορη ανάλυση των δειγμάτων και απαντώνται σε εργονομικές και οικονομικές διατάξεις lab-on-a-chip. Οι βιο-αισθητήρες που θα μας απασχολήσουν εδώ ανήκουν στην κατηγορία των φωτονικών βιο-αισθητήρων με την ειδικότητα ακτινοβολητικής εκπομπής συντονισμού πλασμονίου. Ενδεικτικές εφαρμογές αισθητήρων του είδους αφορούν την ανίχνευση ουσιών που αποτελούν δείκτες κάποιας ασθένειας, ανίχνευση φαρμάκων κ.ά. Η εργασία εστιάζει στην εξ ολοκλήρου δημιουργία περιοδικά διαμορφωμένων πλασμονικών επιφανειών που κατασκευάζονται εδώ με λιθογραφικές τεχνικές soft-lithography και νανοεκτυπωτικής. Οι επιφάνειες επιστρώνονται με Au δημιουργώντας ανάγλυφα οπτικά φράγματα περίθλασης και στην συνέχεια μελετώνται με αναλυτικές μεθόδους μικροσκοπίας και φασματοσκοπίας. Ο συντονισμός πλασμονίου και η εν γένει φασματική πλασμονική συμπεριφορά είναι συνάρτηση της πόλωσης του φωτός που επιδρά στην σύζευξη φωτός-πλασμονίου. Η μελέτη εστιάσθηκε στην ενίσχυση της πλασμονικής εκπομπής της ακτινοβολίας (ακτινοβολητικά πλασμόνια) στην περιοχή του βαθέως ερυθρού και εγγύς υπερύθρου. Η μελέτη μετατόπισης της φασματικής εκπομπής με την αύξηση του δείκτη διάθλασης ανέδειξε ένα σημαντικό στοιχείο το οποίο θα οδηγήσει στην υλοποίηση υπερευαίσθητων δομών φωτονικών αισθητήρων. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η δομή και η λειτουργική συμπεριφορά των επιφανειών με φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού στον αέρα, καθώς και στις μεταβολές του δείκτη διάθλασης του υγρού περιβάλλοντος μέσου, υποδειγματικών διαλυμάτων H2O/NaCl με ευαισθησία ανίχνευσης Sn=ΔΤ(880nm)/Δn ~143750%/RIU. Η αγκυροβόληση μορίων απταμερών αποτελεί το τελικό στάδιο παραγωγής του βιοαισθητήρα, με ανίχνευση της πλασμονικής εκπομπής, μέσω της μετατροπής της μοριακής διαμόρφωσης με χρήση βιοχημικών διαλυμάτων όξινου pΗ/βασικού pΗ. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι όλα τα αποτελέσματα των μετρήσεων, της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής, δείχνουν μια αξιόλογη φασματική μετατόπιση (Δλ), και μια ευαισθησία ανίχνευσης για την περιοχή του pH5.0 σε επίπεδα SpH(838nm) ~ 3113 %/pH UNIT που υπόσχονται την μελλοντική αξιοποίηση των φαινομένων για την ανάπτυξη υπερευαίσθητων φωτονικών βιοαισθητήρων για εφαρμογές ανίχνευσης τοξινών και άλλων χημικών παραγόντων.
  • Thumbnail Image
    Item
    Τροποποίηση της καθόδου σε οργανικές διατάξεις εκπομπής φωτός με την προσθήκη χρωστικών ως διεπιφανειακά υμένια για αύξηση της απόδοσης
    Τουρλούκη, Κωνσταντίνα; Tourlouki, Konstantina
    Οι οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός (Organic Light Emitting Diodes, OLEDs) αποτελούνται από ένα ή περισσότερα οργανικά υμένια, τα οποία βρίσκονται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων που αποτελούν την άνοδο και την κάθοδο της τελικής διάταξης. Ένα διαφανές ηλεκτρόδιο χρησιμοποιείται ως άνοδος, καθώς από εκεί εξάγεται το παραγόμενο φως, ενώ για την κάθοδο χρησιμοποιείται ένα μέταλλο. Η αρχή λειτουργίας μιας OLED βασίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτροφωταύγειας. Αρχικά εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού στα δύο ηλεκτρόδια που προαναφέρθηκαν. Έτσι, ηλεκτρόνια εγχέονται από την κάθοδο και οπές από την άνοδο προς το ενεργό υμένιο (υμένιο εκπομπής) σχηματίζοντας ένα εξιτόνιο, δηλαδή μια διεγερμένη κατάσταση. Όταν το εξιτόνιο αποδιεγερθεί έχουμε εκπομπή ακτινοβολίας, δηλαδή φωτός. Για τη βελτίωση της απόδοση μιας OLED, πρέπει να αυξηθεί αφενός η διευκόλυνση των φορέων (οπές και ηλεκτρόνια) να διασχίσουν όποια ενδιάμεσα στρώματα υπάρχουν και να φτάσουν στο ενεργό στρώμα για να επανασυνδεθούν, να δημιουργήσουν εξιτόνια και αυτά να αποδιεγερθούν εκπέμποντας φως, και αφετέρου να αυξηθεί ο αρχικός πολλαπλασιασμός των φορέων. Μία από τις κύριες στρατηγικές αύξησης της απόδοσης μιας OLED αποτελεί η τροποποίηση των ηλεκτροδίων με διεπιφανειακά υμένια. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η τροποποίηση της καθόδου μιας OLED. Ειδικότερα, επιλέγοντας εύκολες τεχνικές (όπως η μηχανική περιστοφή, spin-coating), κατασκευάστηκαν διατάξεις οργανικών διόδων εκπομπής φωτός με προσθήκη των χρωστικών ουσιών DANS και DMA-DPH ως διεπιφανειακά υμένια ανάμεσα στο ενεργό στρώμα και το ηλεκτρόδιο της καθόδου. Επιπλέον, στις ίδιες ακριβώς συνθήκες κατασκευάστηκαν διατάξεις που δεν περιείχαν υμένια χρωστικών και χρησιμοποιήθηκαν για λόγους σύγκρισης (διατάξεις αναφοράς). Μια σειρά τεχνικών χαρακτηρισμού εφαρμόστηκαν στις πειραματικές διατάξεις, προκειμένου να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά τους και να ερμηνευτούν οι μηχανισμοί που λαμβάνουν χώρα εντός τους. Συγκεκριμένα πάρθηκαν φάσματα απορρόφησης υπεριώδους-ορατού και φωτοφωταύγειας, έγιναν μετρήσεις κυκλικής βολταμετρίας και ακολούθησε ηλεκτρικός χαρακτηρισμός (σχέσεις πυκνότητας ρεύματος, φωτεινότητας, φωτεινής απόδοσης και απόδοσης ισχύος με την τάση και φάσματα ηλεκτροφωταύγειας) των OLEDs. Οι τεχνικές χαρακτηρισμού έδειξαν πως η ενσωμάτωση των DANS και DMA-DPH στις OLEDs οδήγησε σε σημαντική αύξηση της απόδοσής τους, σε σύγκριση με αυτήν της διάταξης αναφοράς. Για τη χρωστική ουσία DANS η μέγιστη αύξηση της φωτεινής απόδοσης που παρατηρήθηκε ήταν περίπου 100%, ενώ στην περίπτωση της DMA-DPH άγγιξε το 45%. Τέλος, προτάθηκε μηχανισμός για την εξήγηση της αύξησης της απόδοσης, στηριζόμενος στη δημιουργία ενός διεπιφανειακού ηλεκτρικού συμπλόκου μεταξύ του ενεργού στρώματος και της χρωστικής ουσίας που ευνοεί τις ακτινοβολητικές επανασυνδέσεις και, τελικά, την εκπομπή φωτός.
  • Thumbnail Image
    Item
    Παλμική εναπόθεση υλικών σε τρισδιάστατα μικροαντικείμενα με χρήση λέιζερ
    Μπαγιώκης, Ελευθέριος; Bagiokis, Eleftherios
    Οι συνεχώς αναπτυσσόμενη παραγωγή τρισδιάστατων μικροσυσκευών και μικρομηχανών για τις βιοεπιστήμες, τις τεχνολογίες ανίχνευσης και επικοινωνιών επιβάλλουν την παροχή προηγμένων λειτουργικών λεπτών υμενίων. Τα νανοσύνθετα υλικά έχουν πρωταρχικό ενδιαφέρον λόγω των προηγμένων, ρυθμιζόμενων και προσαρμοσμένων λειτουργιών τους για νέες μηχανικές, ηλεκτρονικές, οπτικές και βιολογικές εφαρμογές. Η κατασκευή αυτών των υμενίων σε πολύπλοκες μορφολογικά επιφάνειες παρουσιάζει αρκετές προκλήσεις. Στις διαδικασίες ανάπτυξης υμενίου υγρής φάσης, η επιφανειακή τάση και τα τριχοειδή φαινόμενα επηρεάζουν την δομική σταθερότητα και καταστρέφουν την τρισδιάστατη τοπογραφία του αντικειμένου. Επιπλέον, απαιτείται μια τεχνική χαμηλής θερμοκρασίας για την επεξεργασία ευαίσθητων στη θερμότητα υλικών. Τέλος απαιτούνται αυστηρότερες προϋποθέσεις για τον σχηματισμό συνθετικών υβριδίων και μιγμάτων ετερογενών υλικών. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η παλμική εναπόθεση λέιζερ (PLD) είναι ο καταλληλότερος υποψήφιος, έχοντας ήδη αποδείξει την πλήρη συμβατότητα με τις παραπάνω απαιτήσεις. Λειτουργικά το κύριο πλεονέκτημα με το PLD είναι η παραγωγή ενός ενεργητικού πολυσυστατικού πλάσματος, που αποτελείται από ηλεκτρόνια, ιόντα, μόρια και μεγαλύτερα σωματίδια. Αυτό το πλάσμα που παράγεται τόσο από στερεούς όσο και υγρούς στόχους, πιθανότατα αποτελούμενους από υλικά διαφορετικής φύσης, ταξιδεύει στο κενό και κατά την πρόσπτωση στο υπόστρωμα δημιουργεί ένα σύνθετο λεπτό υμένιο με νανομετρική ακρίβεια. Η ανάπτυξη της παλμικής εναπόθεσης λέιζερ τις τελευταίες δεκαετίες έχει ήδη αποδείξει την ευελιξία της να αναπτύσσει ανόργανες, οργανικές και υβριδικές επιστρώσεις σε ένα ευρύ φάσμα στερεών υποστρωμάτων. Αναμεσά στις σχετικές εξελίξεις αξίζει να επισημάνουμε του μεταλλικούς photo-ejectors για επιταχυντές σωματιδίων υψηλής ενέργειας, την επιταξιακή ανάπτυξη λέιζερ κυματοδηγού, τα λέιζερ υψηλής ισχύος, τα νανοσύνθετα οξείδια, συστήματα υάλων οπτοηλεκτρονικής και τους υπεραγωγούς. Επιπλέον η εναπόθεση πολυμερικών υλικών που έχει επιτευχθεί από την δεκαετία του 1980 έχει σημειώσει αξιοσημείωτη πρόοδος στην εναπόθεση πολυμερών και βιοϋλικών. Η διπλωματική, εστιάζει στην κατασκευή λεπτών υμενίων μέσω παλμικής εναπόθεσης λέιζερ πάνω σε λειτουργικά τρισδιάστατα μικροαντικείμενα. Επί του παρόντος εγείρονται μεγάλες προκλήσεις στην κατασκευή βιοσυμβατών νανοσυσκευών, αισθητήρων, lab-on-chip και συμβατών πηγών φωτός. Τέτοια ζητήματα αντιμετωπίζει η παρούσα διπλωματική καταδεικνύοντας την παραδειγματική ανάπτυξη βιοπολυμερικών και πολυμερικών – ανόργανων νανοσύνθετων υμενίων σε μεταλλικά μηχανικά εξαρτήματα και οπτικές ίνες σκοπεύοντας σε εφαρμογές στο πεδίο της βιοεπιστήμης και την φωτονικής. Το πρώτο παράδειγμα αφορά στην κατηγορία την βιοσυμβατών/βιοδιασπώμενων διατάξεων. Επικεντρώνεται στην κυτταρίνη, τον πιο άφθονο πολυσακχαρίτη ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως στη στην κλωστοϋφαντουργία, στο χαρτί, στην συσκευασία και στην ιατρική βιομηχανία, λόγω της αξιοσημείωτης δομικής του σταθερότητας, της βιοσυμβατότητας και της βιοδιασπασιμότητας. Η ανάδυση νέων εφαρμογών στην τεχνολογία τεχνητών ιστών, στους βιοαισθητήρες και στην οπτοηλεκτρονική βιοσυμβατών υλικών ενέπνευσαν την εκπόνηση αυτής της εργασίας στην οποία αναπτύσσονται υμένια κυτταρίνης σε τρισδιάστατα αντικείμενα που μιμούνται βιοϊατρικές διατάξεις. Στο δεύτερο παράδειγμα εξετάζονται νανοσύνθετα πολυμερών – ανόργανων. Λεπτά υμένια μετάλλου – πολυμερούς έχουν δημιουργηθεί από την αποδόμηση στόχου. Επεκτείνοντας αυτήν την ιδέα σε σημαντικές οπτοηλεκτρονικές συσκευές, εξετάζεται η περίπτωση πηγών λευκού φωτός στέρεας κατάστασης (WLED) για σύγχρονο και ευέλικτο φωτισμό και βιομηχανικές εφαρμογές. Αναμεσά στους πολυάριθμους τύπους φωσφόρων, ο γαρνήτης Y3Al5O12:Ce (YAG:Ce) είναι βασικός εκπρόσωπος. Αν και έχει αναπτυχθεί εμπλουτισμένο επιταξιακό Y3Al5O12 με την παλμική εναπόθεση λέιζερ και πρόσφατα κρυσταλλικός YAG:Ce φωσφόρος έχει αναφερθεί απέχει από τις τεχνικές ανάπτυξης χαμηλών θερμοκρασιών που μας απασχολεί εδώ. Η εφαρμογή συνθέτων πολυμερών – φωσφόρων είναι μια μοναδική λύση που μας οδήγησε στην δημιουργία ενός νανοσύνθετων υμενίων polymethylmethacrylate (PMMA)/YAG:Ce σε τρισδιάστατα μηχανικά μικροαντικείμενα και οπτικές στα οποία παρατηρήθηκε φθορισμός.