Τμήμα Φυσικής (ΔΔ)
Permanent URI for this collection
Browse
Recent Submissions
ItemOpen AccessΜαθηματική μοντελοποίηση των αναπτυσσόμενων τάσεων και της επαγόμενης κόπωσης στα τοιχώματα καμπύλου σωλήνα με εφαρμογή των εξισώσεων Navier-Stokes(2023-04-28)Η παρούσα εργασία έχει ως κίνητρο τη μελέτη της συμπεριφοράς της ανιούσας αορτής από τη μηχανική πλευρά. Η αορτή είναι ο πρώτος αγωγός που δέχεται το αίμα της καρδιάς υπό πίεση για να το προωθήσει στα διάφορα σημεία του σώματος. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι η ελαστικότητα των τοιχωμάτων της. Η αντοχή της αορτής σε τάσεις είναι αρκετά μεγάλη και ελαττώνεται με την ηλικία. Οι ασκούμενες τάσεις αποδίδονται ως ένα βαθμό από τον νόμο του Laplace. Ο νόμος αυτός αναφέρεται σε ευθύγραμμο σωλήνα, επομένως δεν περιλαμβάνει την καμπυλότητα της αορτής, λόγω της οποίας οι τάσεις στα τοιχώματα είναι μεγαλύτερες από τις ασκούμενες. Και ενώ υπολογίζει τάσεις μικρότερες από το όριο αντοχής των τοιχωμάτων, εντούτοις το τοίχωμα ρήγνυται. Με την προσθήκη όρων, οι οποίοι δικαιολογούνται από την μεταβολή της ορμής του αίματος λόγω καμπυλότητας εξηγούνται οι περιπτώσεις αστοχίας του τοιχώματος που παρέμεναν ανεξήγητες. Η γήρανση της αορτής συνεπάγεται ελάττωση της ελαστικότητάς της και της αντοχής της σε καταπονήσεις. Θεωρώντας την αορτή ως σύνθετο ελαστικό μέσο με μεταβλητό μέτρο ελαστικότητας και με βάση κλινικά δεδομένα, περιγράφουμε την ελαστική συμπεριφορά της με τον χρόνο και προτείνουμε μια εξίσωση , που υπολογίζει την ηλικία της αορτής και την διαχωρίζει από την ηλικία του ατόμου και ταυτόχρονα δίνει τη μέγιστη διάρκεια ζωής της αορτής.- ItemOpen AccessΧωροχρόνοι με ιδιομορφίες στη Γενική Σχετικότητα(2023-03-24)Η παρούσα διατριβή άπτεται δύο θεμελιωδών προβλημάτων της σύγχρονης Θεωρητικής Φυσικής καθώς αφορά αφ᾽ενός μεν στη γενίκευση της Θερμοδυναμικής στο επίπεδο της Γενικής Σχετικότητος, αφ᾽ετέρου δε στο ζήτημα των χωροχρονικών ιδιομορφιών (spacetime singularities). Επικεντρώνεται στην πρόταση των Χ. Αναστόπουλου και Ν. Σαββίδου για την Θερμοδυναμική των συστημάτων ιδιοβαρύτητας (self-gravitating systems) στα πλαίσια της οποίας οι χωροχρονικές ιδιομορφίες αντιμετωπίζονται όχι ως παθογένειες, αλλά ως θερμοδυναμικές οντότητες στις οποίες αποδίδεται εντροπία. Η συνεισφορά της διατριβής έγκειται στην διερεύνηση της εφαρμοσιμότητας της πρότασης αυτής για δύο περιπτώσεις σφαιρικά συμμετρικών συστημάτων ιδιοβαρύτητας, ήτοι ενός τρισδιάστατου φλοιού θερμικής ακτινοβολίας και ενός λεπτού φλοιού απειροστού πάχους. Σε αμφότερες τις περιπτώσεις ο φλοιός και ο κενός χωροχρόνος που αυτός περικλείει αντιμετωπίζονται ως συνιστώσες ενός ενιαίου κλειστού θερμοδυναμικού συστήματος που μελετάται στη βάση της Αρχής Μεγίστης Εντροπίας. Ο χωροχρόνος στο εσωτερικό του φλοιού περιγράφεται από την γεωμετρία Σβάρτσιλντ (K.Schwarzschild) η οποία ανάλογα με το πρόσημο της μάζας αντιστοιχεί σε μελανή οπή ή σε παρατηρήσιμη χωροχρονική ιδιομορφία ή στον επίπεδο χωροχρόνο της Ειδικής Σχετικότητος. Οι διαφορετικές γεωμετρίες ερμηνεύονται ως διαφορετικές θερμοδυναμικές φάσεις και διερευνώνται οι μεταξύ τους μεταβάσεις. Αποδεικνύεται ότι η απόδοση εντροπίας στις χωροχρονικές ιδιομορφίες στη βάση της ως άνω πρότασης επιτρέπει την επίτευξη μιας συνεπούς θερμοδυναμικής περιγραφής, κάτι που συνηγορεί υπέρ της εγκυρότητάς της για τους σφαιρικά συμμετρικούς χωροχρόνους εν γένει.
- ItemOpen AccessΥπολογιστική νοημοσύνη - διαχείριση οπτικής πληροφορίας(2023-02-22)Τις τελευταίες δεκαετίες η πρόοδος της τεχνολογίας σε συστήματα καταγραφής οπτικής πληροφορίας επέτρεψε την εύκολη και μαζική συλλογή οπτικής πληροφορίας, καθιστώντας πολύ σημαντική την άμεση διαχείρισή της, κυρίως υπό όρους αναγνώρισης. Η σχεδόν στιγμιαία ακατέργαστη και μεγάλης διαστατικότητας, καταγεγραμμένη σε μορφή εικονοστοιχείων, οπτική πληροφορία, σε πληθώρα περιπτώσεων χρειάζεται να αναγνωριστεί στοχεύοντας στην εξαγωγή αξιοποιήσιμης πληροφορίας χαμηλότερης διαστατικότητας, ανάλογα με το αντικείμενο της εκάστοτε εφαρμογής. Η αυτή αναγνώριση της οπτικής πληροφορίας, στην πράξη αποτελείται από ένα σύνολο μεθόδων ανάλυσης των εικονοστοιχείων των εικόνων, προς την αυτοματοποίηση συγκεκριμένων διεργασιών. Τέτοιες διεργασίες μπορεί να αποτελούν διαδικασίες ταξινόμησης ή ανάκτησης εικόνων, ανίχνευσης αντικειμένων μέσα στις εικόνες, επισήμανσης αντικειμένων ή θεμάτων σε αυτές, εύρεσης συγκεκριμένων τμημάτων αντικειμένων στις εικόνες κ.α. Με προσανατολισμό στη διαχείριση της οπτικής πληροφορίας, το αντικείμενο έρευνας αυτής της διατριβής περιελάμβανε την ανάπτυξη τεχνικών και μεθοδολογιών υπολογιστικής όρασης σε προβλήματα αναγνώρισης ψηφιακών εικόνων και βελτιστοποίησης συνελικτικών νευρωνικών δικτύων, τα οποία αποτελούν πλέον αποτελεσματικές μεθόδους αναγνώρισης της οπτικής πληροφορίας. Σε ό,τι αφορά την ανάπτυξη των σχετικών τεχνικών και μεθοδολογιών, χρησιμοποιήθηκε το στοιχείο της τοπικότητας της οπτικής πληροφορίας καθώς και φασματικές τεχνικές για τη συμπίεσή της, με εφαρμογές στην ταξινόμηση υφής, την αναγνώριση προσώπου και την πιστοποίηση δακτυλικών αποτυπωμάτων. Εξετάστηκαν επίσης τεχνικές αξιοποίησης μη παραμετρικών στατιστικών στα παραπάνω πεδία έρευνας οδηγώντας σε ένα γενικευμένο πλαίσιο διαχείρισης πληροφορίας που με μικρές εξειδικευμένες ανά περίπτωση παραλλαγές, μπορεί να εφαρμοστεί και σε διαφορετικά πεδία και προβλήματα. Καθώς η τεχνολογία των συνελικτικών νευρωνικών δικτύων (ΣΝΔ) καθιερώθηκε αργότερα ως μια κυρίαρχη τεχνολογία σχετική με θέματα κατανόησης της οπτικής πληροφορίας, η αξιοποίησή της αποτέλεσε ουσιαστικό κομμάτι της διατριβής. Ωστόσο, παρότι σήμερα υπάρχουν ποιοτικές και αξιόπιστες υλοποιήσεις ΣΝΔ στα σύγχρονα υπολογιστικά συστήματα υψηλών δυνατοτήτων, σε ποικίλες περιπτώσεις συστημάτων χαμηλών και μέσων δυνατοτήτων (π.χ. έξυπνα αυτοκίνητα, διαδίκτυο των πραγμάτων, ιατρικές συσκευές κ.τ.λ.) απαιτείται η ανάπτυξη ΣΝΔ με εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές ώστε να μπορούν να λειτουργούν με περιορισμούς σε θέματα πόρων και ενέργειας. Στα πλαίσια της ερευνητικής δουλειάς προτάθηκε μια μέθοδος για τη δυναμική βελτιστοποίηση προεκπαιδευμένων ΣΝΔ, με κατάλληλες μετατροπές στη δομή τους, σε ό,τι αφορά ζητήματα κατανάλωσης ενέργειας και ταχύτητας εκτέλεσης. Στα παραγόμενα δυναμικά ΣΝΔ, μόνο τα φίλτρα τα οποία είναι χρήσιμα για την επεξεργασία των δεδομένων εισόδου κάθε φορά ενεργοποιούνται και υπολογίζονται, προσφέροντας μεγάλη οικονομία στο χρόνο εκτέλεσης καθώς και στην ενέργεια κατανάλωσής τους. Καθώς όμως η ανάπτυξη τέτοιων δικτύων απαιτεί εξειδικευμένο βελτιστοποιημένο λογισμικό, όπου πρέπει να καθίσταται δυνατή η δυναμική αλλαγή συμπεριφοράς των πυρήνων των ΣΝΔ με τα αντίστοιχα υπολογιστικά οφέλη, η έρευνα μετατοπίστηκε και στο πεδίο αναζήτησης τρόπων για ανάπτυξη τέτοιου λογισμικού και δη μάλιστα σε ετερογενή ενσωματωμένα συστήματα.
- ItemOpen AccessNonlinear optical properties of graphene thin films and functionalized graphene with N-octylamine(2022-07-18)This dissertation is a collection of three (3) research papers that were published in international peer-reviewed journals during my Ph.D. studies. This thesis contains two introductory chapters that provide, a concise introduction to the basic principles of nonlinear optics (Chapter 1), and a detailed description of the experimental techniques employed (Chapter 2). An extensive review of the key background literature and how these led into the Ph.D. project are discussed in Chapter 3. Each research paper comprises a separate chapter (i.e., Chapter 4, Chapter 5, and Chapter 6). In the last Chapter (i.e., Chapter 7) the main findings of the research are summarized and discussed. Suggestions for future work are also proposed. The field of nonlinear optics was born with the invention of the optical maser, today known as the laser. In 1961, Franken and co-workers, demonstrated second harmonic generation by tightly focusing a pulsed ruby optical maser into crystalline quartz. In the years since, a slew of nonlinear effects in light-matter interaction have been experimentally demonstrated and, in many cases, quickly found their way to market applications in a variety of fields ranging from telecommunications to imaging for health care and characterization. The rapid advancement of laser technology has enabled several nonlinear optics breakthroughs, such as frequency conversion, ultrafast optics, all-optical modulation, optical limiting, and others. As a result, nonlinear optics has emerged as a hot topic in cutting-edge science and application fields. Up to these days, materials with significant nonlinear optical response, such as graphene and its derivatives, TMDs, PAHs, and others, have found applications in photonics and optoelectronics. One of the most well-known of these materials is graphene, a two-dimensional (2D) material with sp2 hybridized carbon atoms organized in a honeycomb-like structure with a thickness equal to one atom diameter. Its structure exhibits a number of unprecedented properties which render it particularly attractive for both basic research and applications. Pure graphene has a zero-energy gap (bandgap), Eg, and behaves like metal while its electrons move at relativistic speeds and can absorb just as strongly from the ultraviolet to the far infrared of the optical spectrum. Major progress in the research of graphene’s nonlinearities is revealed by the countless recent results in the literature where graphene was employed as a saturable absorber, implemented into photonic chips, and was found to exhibit giant two-photon absorption, reverse saturable absorption, and optical limiting. The relevant forms in which graphene-based materials are encountered are pristine graphene in dispersions or deposited on various substrates and graphene hybrids. Because of its single-atom thickness, graphene is a material in which any distortion in its interface has a significant impact on its inherent properties. As a result, its properties are heavily influenced by the method of manufacture, the environment to which it is exposed, the substrate material on which it is placed, and other factors. This also suggests that different graphene samples may have different nonlinear optical properties. As a result, from both a fundamental science and a practical application standpoint, an in-depth characterization of the graphene sample used in nonlinear-optical experiments is critical. In that view, in Chapter 4, the ultrafast third order optical nonlinearities of single, bi- and tri- layer CVD grown graphene films are studied, under fs laser pulses at a low repetition rate regime. The measurements were performed under visible and infrared laser excitation employing 70 fs, 10 Hz laser pulses utilizing Z-scan and the Optical Kerr Effect (O.K.E.) techniques. The results are compared to those of some single and few layer graphene dispersions to evaluate the different nonlinearities that may arise in dispersed graphenes. In addition, the obtained results are compared to similar works in order to address the experimental discrepancies between the sign and magnitude of graphene's nonlinear refractive index using O.K.E. dynamics. A variation of the Z-scan technique is employed, known as Thermal lensing Z-scan, to distinguish between the possible cumulative thermal effects and the pure electronic response under high and low repetition rate regime. Results revealed that the ultrafast nonlinearities of graphene, (meaning χ(3)) highly depend on the repetition rate of the laser, type of sample (i.e., liquid or solid) spanning from 10-8 to 10-21 esu.In Chapter 5 of this dissertation, the third order nonlinear optical response of some N-octylamine modified fluorographene is studied under 35 ps laser pulses, both in the visible and infrared regime. The organic ligand N-octylamine was identified as the most efficient nucleophile ascribing to the obtained FG-octylamine derivatives (FG-OA) exceptionally high N content (up to 18%) along with a record non‑linear optical response. It is observed that as the reaction time between FG and OA proceeds, the fluorine (F) content declines at the expense of the growing aromatic regions and nitrogen centers, resulting to FG-OA materials with progressively improved nonlinear optical response. Therefore, octylamine functionalization of FG is particularly effective for switching “ON” an unprecedented non‑linear optical response on this organophilic graphene derivative. The results demonstrate the potential of fluorinated graphene as a versatile scaffold allowing the preparation of materials with custom made nonlinear optical response. In Chapter 6, the research was extended into the systematic study of the third order nonlinear optical properties as well as into the investigation of the broadband optical limiting action of the aforementioned graphene derivatives. The purpose of this study was to investigate the effect of the degree of defects and doping percentage on the nonlinear optical response and optical limiting, as well as investigate the contribution of doping to the nonlinear optical response. The NLO response of the N-octylamine-modified fluorographene is assessed using 4 ns pulses. The NLO responses of the FG and the FG-OAx derivatives were investigated by means of the Z-scan technique, along with their OL action, under various excitation wavelengths ranging from visible (450 nm) to NIR (1750 nm). Their NLO response was turned ON shortly after the initiation of the partial nucleophilic substitution of the FG, leading to strong enhancement with the time of reaction. The FG-OAxs were found to be exhibiting strong nonlinear absorption, attributed to defect-induced states due to the C–N bonding configuration formed by the incorporation of nitrogen into the graphenic lattice. Their strong nonlinear absorption was found to result in extremely efficient OL action. The results presented in Chapter 5 and 6 pave the way for controlled covalent functionalization of graphene, allowing for scalable access to a wide portfolio of graphene derivatives with tailored properties. The experimental results demonstrate unambiguously that fluorographene is a strong competitor to its “relative”, graphene oxide, GO. Being a suitable platform for achieving chemical functionalization results in a large collection of fluorographene derivatives, while by controlling the degree of functionalization, their nonlinear optical properties can be largely tuned, providing materials with customized properties across almost the entire optical spectrum, which is highly desirable for a variety of photonic and optoelectronic applications.
- ItemOpen AccessΜελέτη και βελτιστοποίηση λειτουργικών διεπιφανειών σε φωτοβολταϊκές διατάξεις υβριδικών αλογονούχων περοβσκιτών(2022-12)Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός διατάξεων μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική (φωτοβολταϊκών διατάξεων), με την ενσωμάτωση προηγμένων υλικών, μη τοξικών, υψηλής σταθερότητας, εύκολης παρασκευής και χαμηλού κόστους, στην διεπιφάνεια του υμενίου μεταφοράς ηλεκτρονίων και του απορροφητή. Αναλυτικότερα, η έρευνα επικεντρώνεται στην κατασκευή ηλιακών κυψελίδων 3ης γενιάς και συγκεκριμένα στις ηλιακές κυψελίδες περοβσκιτών, όπου ο απορροφητής είναι ο περοβσκίτης του ιωδιούχου μεθυλαμμωνίου του μόλυβδου (methylammonium lead triiodide, CH3NH3PbI3), ο οποίος ακολουθεί τον γενικό χημικό τύπο ABX3, ενώ η κατασκευή των φωτοβολταϊκών διατάξεων βασίζεται στη συμβατική δομή της μορφής n-i-p. Η βασική δομή των περοβσκιτικών ηλιακών κυψελίδων (ΠΗΚ) είναι στρωματικού τύπου και τα κύρια μέρη μιας ΠΗΚ που επηρεάζουν τη φωτοβολταϊκή της συμπεριφορά και σταθερότητα είναι: (α) το υμένιο μεταφοράς ηλεκτρονίων και η διεπιφάνειά του με τον απορροφητή, (β) το υμένιο του περοβσκίτη και (γ) το υμένιο μεταφοράς οπών και η διεπιφάνειά του με τον περοβσκίτη. Ο μηχανισμός λειτουργίας μιας ηλιακής κυψελίδας περοβσκίτη αποτελείται από τα παρακάτω βασικά στάδια. Τα προσπίπτοντα φωτόνια απορροφώνται από τον περοβσκίτη δημιουργώντας εξιτόνια (ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών) τα οποία διαχέονται σε όλο τον περοβσκίτη. Ένα ποσοστό αυτών επανασυνδέεται ενώ τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια εγχέονται στο στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων και στη συνέχεια μεταφέρονται στο εξωτερικό κύκλωμα ενώ οι οπές μετακινούνται προς το υλικό μεταφοράς οπών. Μη ακτινοβολούμενη επανασύνδεση φορέων φορτίου, αναντιστοιχία των ενεργειακών επιπέδων των υλικών και οπτικές απώλειες στις διεπαφές δυσχεραίνουν τη λειτουργία της ΠΗΚ και η αντιμετώπισή τους είναι απαραίτητη για την βελτίωση της απόδοσης και της σταθερότητας. Η επιφάνεια του υμενίου μεταφοράς ηλεκτρονίων έχει μια επιπλέον σημαντικότητα καθώς αποτελεί το υπόστρωμα στο οποίο αναπτύσσονται οι κρύσταλλοι του περοβσκίτη στη δομή n-i-p και, συνεπώς, η ιδιότητές της επηρεάζουν τον σχηματισμό τους. Η παρούσα διατριβή επικεντρώθηκε στη βελτίωση της επαφής του υμενίου μεταφοράς ηλεκτρονίων με το υμένιο περοβσκίτη ώστε να περιοριστούν, ή και να αντιμετωπιστούν πλήρως, τα φαινόμενα που περιορίζουν τη βέλτιστη λειτουργία και μειώνουν τον χρόνο ζωής των φωτοβολταϊκών διατάξεων με περοβσκίτες. Για το σκοπό αυτό επιλέχθηκαν υλικά με διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες που, όμως, έχουν ως κοινά χαρακτηριστικά το χαμηλό κόστος, την εύκολη παρασκευή χωρίς την κατανάλωση μεγάλων ποσών ενέργειας, είναι φιλικά προς το περιβάλλον και παρουσιάζουν υψηλή σταθερότητα. Σε πρώτη φάση, μελετήθηκαν πορφυρίνες, είτε σε συνδυασμό με ένα μόριο BODIPY είτε μεταλλωμένες. Η μελέτη συνεχίστηκε χρησιμοποιώντας το γραφιτικό νιτρίδιο του άνθρακα ως υλικό τροποποίησης, τόσο του μεσοπορώδους όσο και του συμπαγούς υμενίου μεταφοράς ηλεκτρονίων, και τελείωσε με την ενσωμάτωση ενός μεταλλικού χλωριδίου σε περοβσκιτικές ηλιακές κυψελίδες επίπεδης δομής. Κάθε τροποποίηση μελετήθηκε ως προς την επίδρασή της στις ιδιότητες των υμενίων μεταφοράς ηλεκτρονίων και του περοβσκίτη, αλλά και ως προς τη φωτοβολταϊκή συμπεριφορά των προκυπτουσών ηλιακών κυψελίδων και τη σταθερότητά τους. Μέσα από ποικίλους χαρακτηρισμούς τα υμένια και οι ηλιακές κυψελίδες αξιολογήθηκαν ως προς την μορφολογία, την κρυσταλλικότητα, τις ενεργειακές ζώνες, τη δυναμική των φορέων φορτίου, τη φωτοβολταϊκή απόδοση και σταθερότητα, και εξήχθησαν συμπεράσματα για την επίδραση του εκάστοτε υλικού στις ΠΗΚ.