Τμήμα Φυσικής (ΔΔ)

Permanent URI for this collection

Browse

Recent Submissions

Now showing 1 - 20 of 225
  • ItemOpen Access
    Novel SAR decomposition approaches in remote sensing
    (2024-07-09) Καραχρήστος, Κωνσταντίνος; Karachristos, Konstantinos
    Remote Sensing offers vast opportunities to comprehensively study ecosystems by harnessing data from an array of satellite systems. With over 150 Earth-observation satellites currently orbiting the planet, Synthetic Aperture Radar (SAR) emerges as a prominent technology in Earth Observation due to its versatility and wide-ranging applications. Unlike optical imaging, SAR actively transmits electromagnetic waves towards targets and captures their backscattered signals, allowing penetration through clouds, foliage, and surface layers irrespective of day or night conditions. Fully polarimetric SAR, preferred for comprehensive target analysis, elucidates the electromagnetic scatterer's backscattering behavior, providing insights into surface characteristics like geometry, reflectivity, and geophysical properties such as moisture content and roughness. The stage of information processing is critical across various applications leveraging satellite data, motivating ongoing research into diverse methods for extracting meaningful information. This thesis embarks on a comprehensive exploration of satellite data processing, beginning with the theoretical foundations of physics relevant to the field alongside SAR configurations. It delves into Polarimetric Data decomposition techniques for information extraction, culminating in the introduction of the novel Double Scatterer Model, which demonstrates its robustness and significance in classification and detection tasks. After establishing the essential background concerning electromagnetic principles, mathematical tools, and SAR configuration in Chapters 2 and 3, Chapter 4 provides an in-depth analysis of techniques focused on information extraction from fully polarimetric SAR data. These techniques are classified into coherent and non-coherent methods based on their assumptions about the distribution of information among polarimetric cells. The thesis explores both well-established and innovative approaches in polarimetric decomposition within these categories. Pauli decomposition and the Cameron target decomposition are thoroughly analyzed within the coherent category. Transitioning to the non-coherent domain, the thesis investigates the Freeman–Durden decomposition, Yamaguchi’s approach, and the eigenvector–eigenvalue decomposition by Cloude and Pottier. Experimental testing on a benchmark dataset from the Vancouver area validates the efficacy of each method. The introduction of the novel Double Scatterer Model follows, enriching the understanding of polarimetric decomposition techniques and paving the way for enhanced information extraction capabilities. Experimental results confirm the versatility and robustness of the proposed methodology across diverse applications. Through this comprehensive study, the thesis contributes to advancing remote sensing methodologies and their applications in ecosystem analysis and monitoring.
  • ItemOpen Access
    Τροποποιημένα προσροφητικά υλικά χαμηλού κόστους για την απομάκρυνση διαφόρων ειδών ρύπων από υδατικά ρεύματα
    (2024-07-02) Σταυρινού, Αναστασία; Stavrinou, Anastasia
    Το νερό αποτελεί πόρο ζωτικής σημασίας, καθώς είναι απαραίτητο για την επιβίωση όλων των οργανισμών, τη διατήρηση των οικοσυστημάτων και την υποστήριξη των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Η ρύπανση των υδάτων αποτελεί σημαντική απειλή για τα οικοσυστήματα και την ανθρώπινη υγεία και χαρακτηρίζεται από την παρουσία επιβλαβών ουσιών, που υποβαθμίζουν την ποιότητα του νερού και μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε οργανικούς και ανόργανους ρύπους. Μία από τις πιο επικίνδυνες κατηγορίες ανόργανων ρύπων είναι τα βαρέα μέταλλα, ενώ οι βαφές, οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες και τα φυτοφάρμακα εντάσσονται στους περισσότερο επιβλαβείς οργανικούς ρύπους. Οι συμβατικές μέθοδοι επεξεργασίας λυμάτων, αν και αποτελεσματικές, συχνά περιλαμβάνουν υψηλή κατανάλωση ενέργειας, χρήση χημικών και δημιουργία δευτερογενών ρύπων. Επομένως, υπάρχει επιτακτική ανάγκη για βιώσιμες τεχνικές που ελαχιστοποιούν τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, ενώ είναι οικονομικά αποδοτικές και αποτελεσματικές. Η προσρόφηση ξεχωρίζει ως βιώσιμη τεχνική επεξεργασίας νερού λόγω της απλότητας, της αποτελεσματικότητας και της προσαρμοστικότητάς της. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τη μεταφορά των ρύπων από την υδατική φάση στην επιφάνεια ενός στερεού προσροφητικού υλικού, μέσω διάφορων μηχανισμών και μπορεί να διακριθεί σε φυσική και χημική προσρόφηση. Ο εμπορικός ενεργός άνθρακας είναι ένα από τα πιο αποτελεσματικά προσροφητικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές εφαρμογές, αλλά λόγω του υψηλού κόστους του και σε πολλές περιπτώσεις της αδυναμίας αναγέννησής του, γίνεται προσπάθεια ανάπτυξης άμεσα διαθέσιμων και χαμηλού κόστους προσροφητικών υλικών. Η μετατροπή των γεωργικών αποβλήτων και διάφορων ανόργανων υπολειμμάτων σε προσροφητικά υλικά ευθυγραμμίζεται με τις αρχές της κυκλικής οικονομίας, παρέχοντας μια οικονομικά και περιβαλλοντικά βιώσιμη προσέγγιση. Πολλές φορές τα φυσικά προσροφητικά υλικά έχουν χαμηλή αποδοτικότητα ή δεν παρουσιάζουν επιλεκτικότητα ως προς κάποιο τύπο ρύπου, επομένως είναι απαραίτητη η φυσική ή/και χημική τροποποίησή τους, για παράδειγμα με τη μετατροπή τους σε πορώδη ενεργό άνθρακα (AC) υψηλής ειδικής επιφάνειας. Ο συνδυασμός της προσρόφησης με διεργασίες προηγμένης οξείδωσης (AOPs) όπως ή καινοτόμα τεχνολογία του ψυχρού πλάσματος (ΨΠ) και η φωτοκατάλυση, ενισχύει την επεξεργασία του ρυπασμένου νερού αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματα και των δύο μεθόδων. Η προσρόφηση είναι εξαιρετικά αποτελεσματική στην αφαίρεση ενός ευρέος φάσματος ρύπων από το νερό, αλλά συχνά φτάνει σε κορεσμό, απαιτώντας αναγέννηση του προσροφητικού υλικού. Οι AOPs, από την άλλη, παράγουν δραστικά είδη που μπορούν να αποδομήσουν οργανικούς ρύπους και να αναγεννήσουν το προσροφητικό υλικό είτε σε δεύτερο στάδιο (ψυχρό πλάσμα) είτε in situ (φωτοκατάλυση). Ο στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της προσρόφησης ανόργανων (μόλυβδος) και οργανικών (μίγμα της ανιονικής βαφής Orange G και της κατιονικής βαφής Methylene blue, φαινανθρένιο, λινδάνιο) από υδατικά διαλύματα σε προσροφητικά υλικά που αναπτύχθηκαν από φυσικά οργανικά (φλοιοί μπανάνας-BP, απόβλητα καφέ-CW) και ανόργανα υπολείμματα (διατομική γη-DE) μέσω χημικής ή/και φυσικής τροποποίησης, η οποία περιλάμβανε χημική προ-επεξεργασία ή/και πυρόλυση σε διάφορες θερμοκρασίες, αντίστοιχα. Στην περίπτωση των φυσικών οργανικών αποβλήτων, στόχος ήταν η ανάπτυξη πορωδών ενεργών ανθράκων (BPAC, CWAC) με κατάλληλα χαρακτηριστικά για την προσρόφηση συγκεκριμένων ρύπων. Πραγματοποιήθηκε συσχέτιση της προσροφητικής ικανότητας των υλικών και των μηχανισμών που διέπουν τη διεργασία με τις πορώδεις ιδιότητές τους μέσω φυσικοχημικού χαρακτηρισμού, παραμετρικής ανάλυσης και προτυποποίησης της δυναμικής της διεργασίας με φυσικό μοντέλο μεταφοράς μάζας/προσρόφησης πολλαπλών τμημάτων που επιτρέπει την εκτίμηση των κινητικών παραμέτρων μεταφοράς μάζας και την ποσοτικοποίηση της σχετικής συνεισφοράς κάθε τμήματος του προσροφητικού υλικού (εξωτερική επιφάνεια, μεσο-/μακρο-πόροι, μικρο-πόροι) στην προσρόφηση. Η αποτελεσματικότητα των AOPs σε συνδυασμό με την προσρόφηση μελετήθηκαν μέσω της αναγέννησης των προσροφητικών υλικών με ΨΠ έπειτα από την προσρόφηση οργανικού ρύπου, καθώς και μέσω της σύνθεσης υβριδικών προσροφητικών/φωτοκαταλυτικών υλικών με στόχο τη μελέτη της συνεργατικής προσρόφησης και φωτοκατάλυσης. Τα πειράματα προσρόφησης ανέδειξαν τη σημασία της τροποποίησης των προσροφητικών υλικών και επιλογής των κατάλληλων χημικών παραγόντων και θερμοκρασίας πυρόλυσης. Στους ενεργούς άνθρακες που παράχθηκαν από φλοιούς μπανάνας και απόβλητα καφέ μέσω προ-επεξεργασίας με καυστικό νάτριο (NaOH) και πυρόλυση σε υψηλή θερμοκρασία (700-800 oC), BPAC-NaOH-700 και CWAC-NaOH-800, παρατηρήθηκε ότι σε σύγκριση με τα αρχικά υλικά αυξήθηκε η ειδική επιφάνεια, δημιουργήθηκε ένα καλά ανεπτυγμένο πορώδες δίκτυο και αυξήθηκε η προσροφητική ικανότητα ως προς μίγμα βαφών και φαινανθρένιο, αντίστοιχα. Το μοντέλο μεταφοράς μάζας πολλαπλών τμημάτων που χρησιμοποιήθηκε για να περιγράψει τη δυναμική της προσρόφησης των υλικών λαμβάνοντας υπόψη τη μοριακή και την επιφανειακή διάχυση και θεωρώντας στιγμιαία ρόφηση, προέβλεψε ικανοποιητικά τη διεργασία, σηματοδοτώντας τη σημαντική συνεισφορά της εφαρμογής φυσικών μοντέλων στην προσομοίωση της προσρόφησης. Η νέα τεχνολογία του ψυχρού πλάσματος αποδείχτηκε ιδιαίτερα αποτελεσματική για την αναγέννηση των προσροφητικών υλικών BPAC-NaOH-700 έπειτα από την προσρόφηση μίγματος βαφών και CWAC-NaOH-800 έπειτα από την προσρόφηση φαινανθρένιου ή λινδανίου. Τέλος, με στόχο τη συνεργατική προσρόφηση και φωτοκατάλυση του οργανοχλωριωμένου φυτοφαρμάκου, λινδάνιο, που αποτελεί έμμονο οργανικό ρύπο (POP-Persistent Organic Pollutant) για το περιβάλλον, συντέθηκαν με επιτυχία υβριδικά προσροφητικά υλικά/φωτοκαταλύτες με τον ενεργό άνθρακα από απόβλητα καφέ (CWAC-NaOH-800) ως υπόστρωμα και διοξείδιο του τιτανίου (TiO2) ως καταλύτη. Δοκιμάστηκαν και συγκρίθηκαν δύο πειραματικές διατάξεις, ένας φούρνος UVA με LED και μία λάμπα UVA που εκπέμπουν στα 375 nm. Και σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιήθηκε φυσικό μοντέλο που λαμβάνει υπόψιν τη συνεργατική αλληλεπίδραση των δύο διεργασιών και εκτιμήθηκαν οι κινητικές σταθερές προσρόφησης και φωτοκατάλυσης σε συνάρτηση με τη σύνθεση του υλικού. Τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης μελέτης είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά για περεταίρω διερεύνηση, καθώς τα τελευταία χρόνια πραγματοποιείται η έρευνα ανάπτυξης τέτοιου είδους βιώσιμων υλικών με πολλαπλές λειτουργίες για διάφορες εφαρμογές.
  • ItemOpen Access
    Period variations as a probe of exoplanets, multiple star systems and stellar evolution
    (2024-06-21) Ζέρβας, Κωνσταντίνος; Zervas, Konstantinos
    In the present work, we study period variations observed in Eclipse Timing Variations (ETVs) as a probe of exoplanets, multiple star systems and stellar evolution. Specifically, we investigate the implications of the Light Travel Time Effect (LTTE), the magnetic activity and mass transfer in ETV diagrams alongside the dynamical stability of the proposed companions in case of multiplicity. The dissertation is divided in two parts. Part I introduces the fundamental concepts, beginning with an overview of multiple stellar and planetary systems (Chapter 1). In Chapter 2 we formulate the ETVs as an O[bserved]-C[alculated] time difference for the effects of LTTE, magnetic activity (Applegate mechanism) and mass transfer. In Chapter 3 we describe the optimization algorithms that was used for the ETV analysis in this study, consisting of a set of global (Genetic Algorithm, Differential Evolution, Simulated Annealing) and local (Nelder-Mead Downhill Simplex, Levenberg-Marquardt, Heuristic Scanning, Markov Chain Monte Carlo sampling) algorithms. These sophisticated methods comprise an effective strategy of finding the best-fitting curve of an ETV diagram in the least-squares sense. Part I is concluded in Chapter 4 with the theory behind the N-body problem within a Hamiltonian framework and the numerical methods used in our case studies for the dynamics and orbital evolution of the resulting configurations. Additionaly, we present the most often-quoted dynamical stability limits based of theoretical, empirical and numerical studies. Finally, in Part II, we present the results of our ETV analysis for two case studies. First, we implement the proposed optimization scheme of global and local search algorithms, together with N-body simulations, for the case of the contact binary TZ Boo as a member of a possible hierarchical quintuple system. Second, a global grid search approach is applied alongside N-body simulations in the case of the Post-Common Envelope Binary (PCEB) NSVS 14256825 as the host of two candidate substellar companions. In the case of TZ Boo, a historically complex and puzzling light curve and period variation was confirmed utilizing the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) data. Our ETV analysis, which was the first where both mechanisms, LTTE and Applegate, are assumed to work simultaneously, resulted to the most credible scenario for the ETV variation: two stellar circumbinary companions of minimum masses M_3 = 0.58 M_{\odot}, M_4 = 0.14M_{\odot} with periods P_3 = 38 yr, P_4 = 20 yr alongside with a 24 yr magnetic activity of the secondary component and a long-term period increase (dP/dt = 1.2x10^{-8} d yr^-1), interpreted as a conservative mass transfer from the secondary to the primary component. The TESS light curve data revealed an outer eclipse which we attribute to a detached binary of 9.5 day period in accordance with previously published spectroscopic results. Based on this identification we suggest a hierarchic quintuple architecture of a triple star and an outer binary, which appears to be stable for at least 1 Myr only in the case of a reparameterization of our ETV model with zero eccentricities and an outer retrograde orbit. NSVS 14256825 is a PCEB exhibiting a period variation which is inadequately explained by one LTTE term according to the latest published studies. Here, a grid search optimization scheme is implemented alongside a dynamical stability analysis of N-body simulations, which has not been attempted yet for this system in this extent. Hundreds of stable configurations were identified reaching a lifetime of 1 Myr, with initial conditions derived of Keplerian (kinematic) and Newtonian (N-body) ETV fits. An almost circular inner orbit with period $P_3$ = 7 yr was identified among all solutions and attributed to a circumbinary planet of Jovian mass $M_3$ = 11-14 $M_{Jup}$. In contrast, the outer orbit is unconstrained, with periods ranging from 3:1 to 7:1 Mean Motion Resonance (MMR). As a result, future photometric observations of the system are required to refine and constrain the LTTE solutions.
  • ItemOpen Access
    Contribution to the forecast skill of meteorological and air pollution numerical predictions at meso and urban scale with post-processing algorithms
    (2024-03-20) Παππά, Αρετή; Pappa, Areti
    Significant scientific and technοlogical breakthroughs in the last century have enabled the quantification of uncertainty in unstable nonlinear dynamic systems, such as the atmosphere. Complex atmospheric processes, including atmospheric dynamics, energy transfers, and chemical reactions have been successfully simulated by Numerical Weather Prediction (NWP) models. The ability of these models to accurately represent phenomena across a diverse range of scales, from the microscale to the global scale, has established them as a fundamental component in atmospheric studies. Their pivotal role has, in turn, spurred an increased focus in scientific research on enhancing the accuracy of numerical forecasts. This entails refining NWP models for a more precise representation of atmospheric processes and applying advanced statistical methods for improving model outputs. This dual approach - advancing model sophistication while also developing robust statistical techniques - has been instrumental in elevating the precision and reliability of weather forecasting. The subject of this dissertation focuses on developing and assessing advanced statistical techniques aimed at enhancing the accuracy of weather and air quality numerical predictions. These approaches aim to tackle the inherent uncertainties in weather and air quality modeling by correcting errors in NWP outputs, showcasing a comprehensive methodology for improving forecasting in these vital domains. As a preliminary step, a comprehensive assessment is carried out to evaluate the accuracy and effectiveness of the numerical weather and air quality predictions. This is followed by an analysis of how inaccuracies in meteorological forecasts impact air quality forecasting. The study culminates in the employment of state-of-the-art statistical methods. These include post-processing filters, analytically optimized multi-model ensemble techniques, and the generation of neural networks, all aimed at enhancing the accuracy of numerical predictions. The versatility of these techniques extends to a variety of applications, ranging from improving air quality forecasts to supporting renewable energy generation
  • ItemEmbargo
    Ανάπτυξη, χαρακτηρισμός και έλεγχος λειτουργικότητας σύνθετων πολυμερικών υμενίων βασισμένων σε νανοδομές άνθρακα
    (2024-05-20) Βισβίνη, Γλυκερία; Visvini Glykeria
    Μια αξιοσημείωτη εφαρμογή των πολυμερικών νανοσύνθετων είναι ο σχεδιασμός διαπερατών μεμβρανών σε υδρατμούς. Οι “αναπνεύσιμες” μεμβράνες είθισται να δημιουργούνται με την ενσωμάτωση μικρο/νανοπληρωτικών, όπως το CaCO3, που διακόπτουν τη συνέχεια της πολυμερικής φάσης και όταν υποβάλλονται σε μονοαξονική ή διαξονική τάνυση αυτή η διαδικασία οδηγεί στο σχηματισμό μικρο/νανοπορωδών δομών. Επίσης, έχει αποδειχθεί ότι η ανάπτυξη της β-φάσης στο i-PP, παρουσία ενός παράγοντα πυρηνοποίησης και σε συνδυασμό με τη διεργασία του εφελκυσμού επίσης μπορεί να οδηγήσει στην παρασκευή μικροπορωδών μεμβρανών, που επιτρέπουν την διαπέραση υδρατμών. Οι 1D (CNTs) και οι 2D (GO, rGO, GNPs) νανοδομές άνθρακα σε συνδυασμό με έναν β-nucleating agent (β-ΝΑ) είναι μια πρόταση αντικατάστασης των κλασικών πληρωτικών μέσων που χρησιμοποιούνται για την δημιουργία “αναπνεύσιμων” μεμβρανών. Ο βασικός στόχος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι, η μελέτη της ιδιότητας διαπέρασης υδρατμών συνθέτων πολυμερικών υμενίων PP, που εμπεριέχουν διάφορες αναλογίες β-ΝΑ και εγκλείσματα νανοδομών άνθρακα (MWCNTs, GO, rGO, GNPs). Επιπροσθέτως, η μελέτη των βασικών παραγόντων που επηρεάζουν την ιδιότητα της “αναπνευσιμότητας” ενός πολυμερικού υμενίου απουσία εφελκυσμού, όπως (i) ο διαφορετικός τρόπος κρυστάλλωσης (ρυθμός ψύξης) που εφαρμόζεται κατά την παρασκευή του σύνθετου υμενίου, (ii) το ποσοστό κρυσταλλικότητας (ποσοστό κρυσταλλικών φάσεων) του πολυμερούς, (iii) τα είδη των εγκλεισμάτων (1D και 2D νανοδομές άνθρακα με διαφορετικά χαρακτηριστικά) που χρησιμοποιούνται καθώς και (iv) η διαφορετική διαδικασία παραγωγής αυτών (εργαστηριακή κλίμακα, βιομηχανική κλίμακα). Ο χαρακτηρισμός και η μελέτη των ιδιοτήτων των νέων σύνθετων πολυμερικών υμενίων επιτυγχάνεται μέσω των αντίστοιχων τεχνικών. Συγκεκριμένα, οι θερμικές ιδιότητές τους μελετήθηκαν με την τεχνική της Διαφορικής θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC), ενώ η μελέτη της δομής και της κρυσταλλικής συμπεριφοράς τους έγινε μέσω της τεχνικής περίθλασης ακτίνων Χ (XRD). Ο μορφολογικός χαρακτηρισμός τους έγινε μέσω του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM). Για το θερμικό χαρακτηρισμό των νανοδομών άνθρακα χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA), ενώ για το χημικό και δομικό χαρακτηρισμό τους, πέρα από την τεχνική XRD, χρησιμοποιήθηκε η φασματοσκοπία micro-Raman, η φασματοσκοπία υπερύθρου FTIR, αποσβένουσας ολικής ανάκλασης (ATR), καθώς και η φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS). Επίσης, οι χημικά τροποποιημένοι νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNT-g-PP) και τα GO, που χρησιμοποιήθηκαν ως νανοεγκλείσματα στην παρασκευή των σύνθετων πολυμερικών υμενίων PP, μελετήθηκαν για την πιθανή κυτταροτοξικότητά τους, μέσω της in vitro έκθεσης και για την πιθανή αποδέσμευση στο περιβάλλον. Οι ιδιότητες ‘’αναπνευσιμότητας’’ των σύνθετων πολυμερικών υμενίων, αξιολογήθηκαν με μετρήσεις διαπίδυσης υδρατμών σε εργαστηριακή διάταξη ελεγχόμενης υγρασίας, σύμφωνα με τη μέθοδο «υγρού δοχείου» (wet cup method). Τέλος, όλα τα παραγόμενα σε εργαστηριακή κλίμακα σύνθετα πολυμερικά υμένια, συγκρίθηκαν με πιλοτικού τύπου & εμπορικές μεμβράνες, που παρασκευάστηκαν από τις βιομηχανίες Thrace Polyfilms SA (εταιρεία του ομίλου Πλαστικών Θράκης) (ΠΛ-ΘΡ) και ΠΛΑΣΤΙΚΑ ΚΡΗΤΗΣ Α.Ε. (ΠΛ-ΚΡ). Τα νέα αυτά “αναπνεύσιμα” σύνθετα πολυμερικά υμένια, θα μπορούσαν να εφαρμοστούν είτε (i) ως μεμβράνες οροφής ενός κτιρίου, οι οποίες θα επιτρέπουν στους υδρατμούς να διαπερνούν μέσα από αυτές και θα αποφεύγουν τη συσσώρευση υγρασίας ή/ και (ii) ως μεμβράνες ελέγχου υγρασίας, οι οποίες θα είναι ικανές να εμποδίζουν τους υδρατμούς που παράγονται στο κτίριο να διαχέονται ελεύθερα προς την οροφή (τοίχο, δάπεδο) και να ελαχιστοποιούν την απώλεια θερμότητας μέσω μεταφοράς.
  • ItemOpen Access
    Καινοτόμα νανοδομημένα ηλεκτροχρωμικά παράθυρα για έξυπνη διαχείριση του φωτισμού και της θερμότητας του χώρου
    (2024-04-16) Μουράτης, Κυριάκος; Mouratis, Kyriakos
    Η διδακτορική διατριβή με τίτλο «Καινοτόμα νανοδομημένα ηλεκτροχρωμικά παράθυρα για έξυπνη διαχείριση του φωτισμού και της θερμότητας του χώρου» αντιπροσωπεύει μια συνεισφορά στον τομέα της εφαρμοσμένης φυσικής και της μηχανικής υλικών, με έμφαση στην ανάπτυξη βιώσιμων τεχνολογικών λύσεων για την ενεργειακή αποδοτικότητα κτιρίων. Η έρευνα επικεντρώνεται στην ανάπτυξη, τον χαρακτηρισμό, και την εφαρμογή ηλεκτροχρωμικών υλικών, ειδικότερα του πεντοξειδίου του βαναδίου (V2O5) και του τριοξειδίου του βολφραμίου (WO3), προκειμένου να αναπτυχθούν ηλεκτροχρωμικά παράθυρα που θα μπορούν να ρυθμίζουν δυναμικά τη διέλευση του φωτός και της θερμότητας υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, συμβάλλοντας ταυτόχρονα στην εξοικονόμηση ενέργειας και στη βελτίωση της άνεσης σε ένα κτιριακό χώρο. Αυτά τα υλικά επιλέχθηκαν λόγω των εξαιρετικών ηλεκτροχρωμικών τους ιδιοτήτων και της δυνατότητας εφαρμογής τους σε λεπτά υμένια, τα οποία είναι κρίσιμα για την αποδοτική λειτουργία των ηλεκτροχρωμικών συσκευών. Στόχος ήταν εξ αρχής ο προσδιορισμός των συνθηκών ανάπτυξης που οδηγούν σε υλικά με κατάλληλα χαρακτηριστικά ώστε να υποστηρίξουν την ανάπτυξη αποδοτικών ηλεκτροχρωμικών διατάξεων. Παράλληλα, η διατριβή καθορίζει το πλαίσιο και τη σημασία της έρευνας, επισημαίνοντας τις παγκόσμιες περιβαλλοντικές προκλήσεις και την ανάγκη για ανάπτυξη καινοτόμων υλικών και τεχνολογιών που συμβάλλουν στην ενεργειακή αποδοτικότητα. Η ερευνητική εργασία εντάσσεται στον ευρύτερο στόχο της βιωσιμότητας και της πράσινης ενέργειας, με έμφαση στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στα κτίρια, που αποτελούν σημαντικό τομέα ενεργειακής ζήτησης παγκοσμίως. Στο πλαίσιο της διατριβής, περιγράφονται οι μεθοδολογίες και οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη των ηλεκτροχρωμικών υλικών, καθώς και για τον χαρακτηρισμό τους. Η επιλογή των τεχνικών εναπόθεσης, που περιλαμβάνουν την χημική εναπόθεση με ατμούς (CVD), την εναπόθεση με ηλεκτρικούς σπινθήρες (ESD), την ιοντοβολή με χρήση μάγνετρου (Magnetron Sputtering - MS), και την τεχνική της εναπόθεσης του ψεκασμού με πυρόλυση (Spray Pyrolysis Deposition - SPD), αξιολογήθηκαν με βάση την ικανότητά τους να παράγουν υψηλής ποιότητας, ομοιογενή λεπτά υμένια με ελεγχόμενες μορφολογικές και ηλεκτροχημικές ιδιότητες. Η Spray Pyrolysis τεχνική ξεχώρισε για την ικανότητά της να παρέχει υψηλής ποιότητας λεπτά υμένια με σχετικά χαμηλό κόστος, ευκολία χρήσης, και ταχύτητα εναπόθεσης, καθώς και τη δυνατότητα κάλυψης μεγάλων επιφανειών, κάνοντας την ιδανική για βιομηχανικές εφαρμογές. Η επιλογή των υλικών V2O5 και WO3 εξηγείται μέσα από τις ξεχωριστές ηλεκτροχρωμικές τους ιδιότητες που παρουσίασαν, προσφέροντας δυναμική ρύθμιση της διαφάνειας και του χρώματος υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Η αναλυτική μελέτη και ο χαρακτηρισμός των παραγόμενων V2O5 και WO3 υμενίων μέσω τεχνικών όπως η περιθλασιμετρία ακτίνων-X (XRD), η φασματοσκοπία Raman, η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), η οπτική φασματοσκοπία (UV-Vis), η ηλεκτροχημική ανάλυση και η οπτική ανάλυση, παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για τη δομή, την επιφανειακή μορφολογία, τις οπτικές και ηλεκτροχημικές ιδιότητες των υλικών. Μέσω αυτής της ανάλυσης έγιναν διαθέσιμες σημαντικές πληροφορίες για τη λειτουργικότητα των σχετικών ηλεκτροχρωμικών υλικών αλλά και των συσκευών που αναπτύχθηκαν από αυτά. Η συστηματική αυτή προσέγγιση επέτρεψε την κατανόηση των μηχανισμών που επηρεάζουν την ηλεκτροχρωμική απόδοση και έδωσε κριτήρια για την ανάπτυξη υλικών με βελτιωμένες ιδιότητες για εφαρμογές υψηλής απόδοσης. Μία άλλη παράλληλη μελέτη που έλαβε μέρος ήταν, η πιο εκτεταμένη ανάλυση και ο χαρακτηρισμός μιας σειράς ηλεκτροχρωμικών υλικών με WO3, τα οποία παράχθηκαν μέσω της τεχνικής magnetron sputtering σε δύο διαφορετικές συνθήκες πίεσης. Ο κύριος σκοπός αυτής της μελέτης ήταν η εξαγωγή επιπρόσθετων χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων που συντελούν στην βελτιωμένη απόδοση των εξεταζόμενων ηλεκτροχρωμικών υλικών έναντι των άλλων υλικών που παράχθηκαν, με τελικό στόχο την κατανόηση των μηχανισμών που διαμορφώνουν τις ηλεκτροχρωμικές τους αντιδράσεις. Αυτή η μελέτη στοχεύει να αναδείξει τα χαρακτηριστικά που συντέλεσαν στην βελτιωμένη απόκριση αυτών των υμενίων και κατά πόσο μπορούν να συμπεριληφθούν ως βασικά κριτήρια μελέτης και βελτίωσης της απόδοσης των υλικών που παρασκευάζονται με άλλες τεχνικές εναπόθεσης. Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό που εξάχθηκε από αυτήν την ανάλυση ήταν η επίδραση της πορώδους δομής στην ενεργή ηλεκτροχημική επιφάνεια και η συσχέτισή της με την ηλεκτροχρωμική απόδοση των υμενίων. Η επιβεβαίωση της σημασίας της πορώδους δομής για την ηλεκτροχρωμική απόδοση και η περαιτέρω ενίσχυση των αποτελεσμάτων μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo επέτρεψαν μια ολοκληρωμένη κατανόηση των ηλεκτροχρωμικών υλικών, προσφέροντας οδηγίες για τη βελτίωση τους. Στο τελευταίο στάδιο της έρευνας σε αυτήν την διατριβή, εξετάστηκε η ανάπτυξη και η αξιολόγηση ηλεκτροχρωμικών συσκευών, όπου ενσωματώθηκαν τα υμένια V2O5 και WO3 που παράχθηκαν μέσω της SPD τεχνικής. Η απόδοση της συσκευής αξιολογήθηκε με βάση παραμέτρους όπως η ηλεκτροχρωμική απόκριση, η ταχύτητα αλλαγής χρώματος, η διάρκεια ζωής, και η ενεργειακή αποδοτικότητα. Ο σχεδιασμός της διάταξης έλαβε υπόψη την ανάγκη για μέγιστη διέλευση φωτός και την ομοιόμορφη εφαρμογή της τάσης. Η διάταξη έπρεπε να σχεδιαστεί έτσι ώστε να επιτρέπει την εύκολη διαχείριση και συντήρηση του ηλεκτρολύτη, ενώ παράλληλα να προστατεύεται από διαρροές. Η συστηματική μελέτη και η βελτιστοποίηση των παραμέτρων σχεδιασμού της συσκευής, συμπεριλαμβανομένης της επιλογής των υλικών, του σχεδιασμού της διάταξης, και της εφαρμογής των κατάλληλων τεχνικών εναπόθεσης, κατέδειξε τη δυνατότητα της ηλεκτροχρωμικής τεχνολογίας να προσφέρει βιώσιμες λύσεις για την έξυπνη διαχείριση του φωτισμού και της θερμότητας στα κτίρια, με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας. Συμπερασματικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή ανέδειξε τη σημασία της καινοτομίας στον τομέα των ηλεκτροχρωμικών υλικών και διατάξεων, προσφέροντας νέες προοπτικές και καινοτόμες λύσεις για την ανάπτυξη βιώσιμων και ενεργειακά αποδοτικών τεχνολογιών. Η έρευνα συνδυάζει την προηγμένη νανοτεχνολογία, τη μηχανική υλικών, και την ηλεκτροχημεία, παρέχοντας έναν ολοκληρωμένο πλαίσιο για την κατανόηση και την εφαρμογή των ηλεκτροχρωμικών υλικών σε πρακτικές εφαρμογές, με σκοπό τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης και την αντιμετώπιση των ενεργειακών και περιβαλλοντικών προκλήσεων της σύγχρονης εποχής.
  • ItemEmbargo
    On the nematic phases of achiral dimers and strongly polar mesogens : dielectric and optical investigations
    (2024-03-19) Ζάββου, Ευαγγελία; Zavvou, Evangelia
    Liquid crystals represent an intermediate state of matter between the crystalline solids and the isotropic liquids. The simplest and most widely studied liquid crystalline phase is the uniaxial, apolar nematic phase (N) composed by achiral mesogens. Nematic liquid crystals are particularly intriguing due to the facile manipulation of the average molecular orientation with external stimuli, a feature widely exploited in technological applications, the most notable being the liquid crystal displays (LCDs). While liquid crystalline phases with partial positional order (e.g. smectics) are known to exhibit rich phase polymorphism, that was not the case for the nematic phase, despite the theoretical predictions. In fact, until recently the only experimentally evidenced nematic phase composed by achiral mesogens was the uniaxial, apolar N phase. During the last decade, the realisation of two novel nematic phases with lower symmetry has attracted major scientific interest. Quite surprisingly, a class of symmetric bent-shaped achiral dimers was found to exhibit two distinct nematic phases connected with a weak first order transition. The high temperature phase is the conventional uniaxial nematic phase (N), while the low temperature phase is a 1D modulated and structurally chiral nematic, where the modulation is exclusively referred to the helical variation of the (local) orientational order with a 10 nm period. This phase was initially termed as Nx. Later, some authors identified this Nx with the twist-bend nematic (Ntb) proposed by R.B. Meyer in the 1970s, while others argue that the Nx represents a novel polar and twisted nematic (NPT) phase, where the direction of the polarity roto-translates along the axis of modulation. The second mesophase is the recently discovered ferroelectric nematic phase (NF), which was found in highly electrostatically polar rod-like mesogens and exhibits remarkably high spontaneous polarisation values in the order of several μC/cm^2. In the NF phase the inversion symmetry is broken and as a result macroscopic domains of opposite polarisation are formed with separating domain walls, in analogy to ferromagnetic systems. Several questions, both fundamental and technologically oriented, regarding the structure, symmetries, domain formation, alignment, and response to external stimuli of NF phase remain open and intense research is conducted in these directions. The aim of this dissertation is the study of the optical and dielectric properties of compounds exhibiting these novel nematic mesophases. The first part of the thesis is dedicated to the dielectric and optical characterisation of liquid crystalline systems that exhibit the uniaxial N phase and at lower temperatures the structurally chiral Nx phase. These systems are symmetric liquid crystal dimers and an oligomer with odd number of carbon atoms in their flexible spacer. The temperature dependence of birefringence was investigated through Polarising Optical Microscopy using a Berek compensator and monochromatic light, while dielectric measurements were carried out on magnetically/electrically aligned samples. The studied systems are divided into two categories with respect to the sign of their dielectric anisotropy (Δ𝜀 ). In the category of systems with positive dielectric anisotropy (Δ𝜀 > 0) fall members of the symmetric cyanobiphenyl methylene-linked CBnCB (n = 9, 11) dimers and their mixtures with the corresponding monomer (CB9CB-5CB). The experimental findings, supported by a simple mean-field theory for flexible bent-core molecules, allow for the calculation of the temperature dependence of the orientational order parameter, as well as of the intra-molecular orientational dipolar correlations. The role and the relative magnitude of the intra- and inter-molecular dipolar orientational correlations is analysed in the framework of Kirkwood-Fröhlich theory for dielectric permittivity of anisotropic polar fluids, providing an excellent representation of the measured dielectric permittivity in both N and Nx phases. Moreover, the odd-membered ether-linked cyanobiphenyl CBOnOCB dimers (n = 5, 7, 9 ,11) are studied in terms of their optical anisotropy and dielectric response and the effect of the spacer length on the studied physical properties is discussed. CBOnOCB dimers do not exhibit the Nx phase, despite their chemical affinity with their methylene-linked counterparts. Thus, a comparative analysis of the experimental findings with dimers of the CBnCB series with same number of atoms in the spacer, along with a detailed study of their conformational properties give new insights into the key factors preventing the formation of the low temperature nematic phase in ether-linked dimers. Oligomeric systems with negative dielectric anisotropy (Δ𝜀 < 0 ), namely the laterally fluorinated liquid crystal dimer DTC9C5 and its homologous C9trimer, are also investigated. Results for the corresponding monomer MCT5 are also presented in order to clarify the dependence of the optical and dielectric anisotropy on the number of connected mesogenic units. The role of dipole-dipole correlations on the static dielectric permittivity in the nematic phase of the dimer and the trimer is also discussed. The last part of the dissertation is devoted to the study of the recently discovered ferroelectric nematic phase (NF). The study is focused on the investigation of the mechanical and non-linear optical properties of a strongly polar mesogen, exhibiting a room-temperature ferroelectric nematic phase directly on cooling from the isotropic liquid. The non-linear optical response within the NF phase is studied through Second Harmonic Generation by means of Confocal Laser Scanning Microscopy. The director reorientation in a magnetic field is explored through optical transmission measurements and dielectric spectroscopy. The combination of the experimental findings along with a developed model capable to describe the director reorientation in a magnetic field suggests that the strong splay rigidity of the NF phase is connected to electrostatic self-interaction of polarisation, avoiding the polarisation splay.
  • ItemOpen Access
    Atmospheric and environmental physics processes simulation on quantum computers
    (2024-04-16) Αρμάος, Βασίλειος; Armaos, Vasileios
    This dissertation explores the potential of quantum computing to revolutionize atmospheric physics simula- tions, leveraging the VQE algorithm. The work addresses the pressing computational challenges in atmospheric physics, characterized by complex, non-linear systems like the Lorenz system, which are computationally in- tensive and demand high-resolution data for accurate modeling. Classical computational methods, while vital, often fall short in handling the complexity and scale of atmospheric models, leading to approximations that can compromise the accuracy and fidelity of simulations. This work consists of methodological advancements in quantum computational chemistry, laying a robust foundation for extending these techniques to more complex systems such as atmospheric physics. It starts by exploring quantum computational chemistry using the UCC method on a quantum computer simulator. It sets the stage by highlighting the limitations of current quantum computational techniques. This foundation paves the way for introducing the ADAPT-VQE. This refined approach iteratively constructs quantum circuits, optimizing efficiency by selectively adding excitations based on the simulation’s evolving needs. Further innovation is presented through the QEB-ADAPT-VQE, which optimizes the quantum subroutine of VQE, making it more circuit-efficient and rapidly converging, thereby enhancing the scalability and practicality of VQE. Complementing the quantum advancements, the Parabolic Optimizer is introduced to refine the classical component of VQE, significantly improving its efficiency and complexity. These advancements culminate in applying VQE to the Lorenz system, a paradigmatic model in Atmospheric Physics. By addressing the non-Hermitian nature of the system’s Jacobian matrix and effectively computing its eigenvalues, this work not only showcases the applicability of VQE to complex, chaotic systems but also broadens the scope of quantum computing to include new fields of science and engineering. This dissertation not only pushes the boundaries of VQE but also sets a pioneering, we consider, path for applying quantum computing in Atmospheric Physics, offering a new perspective on tackling atmospheric sys- tems’ inherent complexity and unpredictability. Integrating quantum computational techniques with traditional atmospheric physics models opens up new avenues for research, promising more accurate predictions and deeper insights into climate behavior and environmental dynamics.
  • ItemOpen Access
    Ανάπτυξη και εφαρμογή μίας αυτοσυνεπούς μεθόδου πεδίου για την υπολογιστική μελέτη των αστέρων νετρονίων στο πλαίσιο τής μετανευτώνειας προσέγγισης τής γενικής θεωρίας τής σχετικότητας
    (2023-12) Φωτόπουλος, Αθανάσιος; Fotopoulos, Athanasios
    Στην διατριβή αυτή μελετάμε το πρόβλημα των περιστρεφόμενων αστέρων νετρονίων στο πλαίσιο τής μετανευτώνειας προσέγγισης τής γενικής θεωρίας τής σχετικότητας, όπως αυτή αναπτύχθηκε από τον Chandrasekhar. Κυρίως ενδιαφερόμαστε τόσο για ομοιόμορφα όσο και για διαφορικά περιστρεφόμενους αστέρες νετρονίων σε κρίσιμη περιστροφή. Συγκεκριμένα, στην μελέτη αυτή χρησιμοποιούμε την πολυτροπική καταστατική εξίσωση προκειμένου να διατυπώσουμε τις υδροδυναμικές εξισώσεις σε κατάλληλη μορφή καθώς και έναν νόμο περιστροφής ο οποίος βασίζεται στο γενικευμένο μοντέλο του Clement. Προκειμένου να καταφέρουμε να υπολογίσουμε μοντέλα σε ισορροπία που βρίσκονται στο όριο απώλειας μάζας (διαφορετικά, μοντέλα που περιστρέφονται με την κρίσιμη ταχύτητα περιστροφής ή ισοδύναμα την ταχύτητα Kepler), αναπτύσσουμε μία αριθμητική επαναληπτική μέθοδο, η οποία ανήκει στην κατηγορία των γνωστών ``αυτοσυνεπών μεθόδων πεδίου'' (self-consistent field methods), με δύο διαταρακτικές παραμέτρους: την ``παράμετρο περιστροφής'' $\Bar{\upsilon}$ και την ``βαρυτική ή σχετικιστική παράμετρο'' $\bar{\sigma}$. Οι δύο αυτές παράμετροι αντιπροσωπεύουν αντίστοιχα τα φαινόμενα που προκύπτουν στον σχηματισμό λόγω περιστροφής και τα φαινόμενα που προκύπτουν λόγω του έντονου βαρυτικού πεδίου. Εφαρμόζοντας την μετανευτώνεια προσέγγιση πρώτης τάξης διερευνούμε την αξιοπιστία και τα όρια της μεθόδου συγκρίνοντας τα αποτελέσματά μας με τα αντίστοιχα αποτελέσματα άλλων μεθόδων και κωδίκων δημόσιας χρήσης. Όπως προκύπτει, η μέθοδός μας μπορεί να παράξει αρκετά ικανοποιητικά αποτελέσματα για πολύτροπα σε κρίσιμη περιστροφή. Ωστόσο, η μετανευτώνεια προσέγγιση πρώτης τάξης δεν είναι αρκετή για να περιγράψει μοντέλα με πολύ έντονα σχετικιστικά φαινόμενα. Το γεγονός αυτό μας οδηγεί στην ανάγκη μίας αριθμητικής διατύπωσης της μετανευτώνειας προσέγγισης δεύτερης τάξης. Στην συνέχεια, διατυπώνουμε ένα πλαίσιο μέσω του οποίου θα μπορούσαν να εισαχθούν \textit{τεχνητοί} όροι δεύτερης τάξης καθώς επίσης και μία προσπάθεια προσδιορισμού της αναλυτικής λύσης σε κάποια μορφή ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί από κάποια αριθμητική μέθοδο.
  • ItemEmbargo
    Laser-induced graphene nanostructures for electrochemical energy storage
    (2023-12-06) Σαμαρτζής, Νικόλαος; Samartzis, Nikolaos
    The surging increase in the prevalence of low-energy demanding wearable/portable devices, alongside with the imperativeness for sustainable power output from intermittent renewable energy sources, and the transcendence towards electric automotive technologies, unavoidably established more rigorous standards for electrochemical energy storage (EES) devices. Potential approaches towards satisfying these elevated standards involve either the improvement of the EES devices’ components (electrodes, electrolytes, separators), or the inauguration of new manufacturing protocols that, in relation to current technologies are eco-friendlier, more cost efficient, faster, safer, and more industrially relevant. Carbon-based materials have always been very popular as EES electrode materials, owing to their abundance and low cost, high electronic conductivity, lightweight, and remarkable chemical stability. In addition, carbon can be nanostructured via numerous methods, which allow the tuning of its porosity and surface area, as well as its functionalization with heteroatoms, with the potential to endow carbon with new fascinating properties. The most common approaches towards synthesizing porous carbon involve thermal or chemical methods, which however often necessitate the feedstock of harmful reagents and release hazardous byproducts or require the use of inert atmosphere. Addressing these limitations, laser-assisted graphitization is an enticing approach for synthesizing porous graphene-like structures in ambient conditions, eliminating the requirement for supplementary chemicals. Most importantly, lasers are compatible with additive-manufacturing processes, allowing the in-situ formation of graphene on a desired substrate, and they are inherently endowed with high spatial resolution, which allows the fabrication of miniaturized and patterned graphene-like electrodes. This dissertation focuses on the laser-assisted synthesis of graphene-like structures for use as electrode materials in supercapacitors. The aim is not only to synthesize the desired material but to directly fabricate functional electrodes. This thesis commences with two introductory chapters discussing the fundamentals of supercapacitors (Chapter 1) and graphene-based EES electrode materials (Chapter 2). Followingly, a brief description of the physicochemical characterization techniques, employed here, 10 is presented in Chapter 3. The results and discussion of the experiments performed in the current dissertation are summarized in Chapters 4-7. Chapter 4 focuses on the synthesis of high-quality graphene-like structures originating from the laser irradiation of biomass-derived (grape molasses) and laboratory synthesized (phenol-based resin) carbon precursors. The synthesis is optimized on the basis of laser fluence, and the graphene material is produced in free powder form. After an extensive physicochemical characterization of the synthesized graphene-based structures, utilizing a broad range of techniques such as, Raman spectroscopy, SEM, TEM, XPS, XRD, TGA, N2 physisorption, and sheet resistance measurements, the graphene materials with optimal properties were evaluated as electrodes in symmetric supercapacitors. The electrochemical characterization was conducted using various electroanalytical techniques, such as CV, GCD, and EIS. Given that the graphene structures were obtained in free powder form, the respective electrodes were fabricated after casting an appropriate graphene-containing slurry onto the current collectors. Chapter 5 stands out as a pivotal section in this dissertation, building upon the research outlined in Chapter 4. It unveils a groundbreaking laser-based method (International patent application No.: PCT/GR2021/000029) that enables the simultaneous synthesis and transfer of graphene onto a chosen substrate. The Laser-assisted Explosive Synthesis and Transfer (LEST) method allows the direct fabrication of functional graphene electrodes, avoiding the use of slurries and the several steps of wet-chemistry approaches. The graphene film synthesis by the LEST method was optimized (on the basis of laser fluence) using commercially available polyimide polymer. It was also utilized to demonstrate the proof-of-concept for graphene production starting from the carbon precursors studied in Chapter 4. Apart from the preparation of pure graphene electrodes, the LEST process can be also used in the preparation of graphene-based nanohybrids. For instance, the formation of graphene/SiOx nanohybrids was optimized using a commercially available polyimide tape precursor (a polyimide foil coated with a silicone adhesive on its one side). In addition, the formation of graphene/MnO nanohybrids was also demonstrated using proper precursor for the metal oxide nanoparticles. All the above-mentioned graphene electrodes were successfully implemented in symmetric supercapacitors operating with a liquid aqueous electrolyte. An asymmetric supercapacitor configuration was 11 fabricated for the graphene/MnO nanohybrid. It was shown that the addition of pseudocapacitive MnO nanoparticles leads to a significant enhancement of the device capacitance in comparison to the symmetric configuration. Lastly, a modified and improved version of the LEST process was demonstrated, which allows the deposition of graphene on flexible heat-sensitive substrates. The modified version relies on the modification of the irradiation geometry, and in particular, the change of the laser beam inclination angle. Studying the effect of this change in relation to the variation of the distance between the carbon precursor and the acceptor substrate, revealed interesting new results with eminent technological potential for soft, flexible substrates. The modified LEST method was successfully implemented in the fabrication of an interdigitated and micro-flexible capacitors. Chapter 6 demonstrates the laser-based simultaneous synthesis and transfer of fluorine-doped graphene like structures in ambient conditions, avoiding the use of any harmful reagent. The main aim was to optimize the process and characterize with physicochemical methods the respective F-doped graphene films. These films are produced after applying the LEST method for a three-layered laminate composed of fluorinated ethylene propylene // polyimide // fluorinated ethylene propylene structure, (thickness; PI: 25μm and FEP: 2.5μm). For this particular structure, it was found that fluorine doping can reach up to 3.3%. Interestingly, F-doping does not compromise the conductivity of the graphene films, as fluorine participates in semi-ionic C-F bonds (bonded to sp2 carbon), instead of covalent bonds which would increase the sp3 carbon content. In addition, the introduction of fluorine was shown to increase the specific surface area and hydrophobicity of the deposited graphene films. Chapter 7 can be conceptually divided into two parts. The first part deals with the LEST process applied to a Si/C precursor, aiming to the fabrication of Li-ion battery (LIB) anode. As it is demonstrated, the SiC-precursor can be decomposed by the laser beam into graphene-like structures decorated with nanocrystalline Si and SiOx, emerging as gases after the decomposition, which can re-deposit onto the graphene structures. The process took place directly onto Cu foil, i.e. the anode current collector. The second part of this chapter deals with the pure graphene and the F-doped graphene films prepared by the LEST method, which are used as cathode materials of Zn-ion hybrid supercapacitors. Switching from a pure capacitive EES device configuration (anode:cathode; capacitive:capacitive) to a hybrid EES device 12 configuration (anode:cathode; battery-type:capacitive) boosts the resulting energy density by one order of magnitude without compromising the power density. The F-doped graphene cathode was found to be superior to the undoped graphene cathode. This is mostly due to the increase of the specific surface area caused by the presence and structure morphology change due to fluorine. Further, there are indications that the fluorine functional groups provide additional Faradaic charge storage due to the interaction with the Zn2+ ions of the electrolyte.
  • ItemOpen Access
    Local measurements in relativistic quantum information : localization and signaling
    (2023) Παπαγεωργίου, Μαρία-Ευτυχία; Papageorgiou, Maria-Eftychia
    In this thesis, we study some foundational aspects of detector models in quantum field theory (QFT) related to signaling and localization, and we analyze certain frictions with relativistic causality. We characterize the spatiotemporal information that can be extracted from the field using various detector models in different regimes and we define a signaling estimator, based on quantum metrology, that can be used to quantify how much signaling can be transmitted reliably through the quantum field. We analyze ‘impossible measurements’ scenarios in which the microcausality condition in QFT is not sufficient for blocking superluminal signaling between multiple detectors coupled to the field. Further, since QFT does not admit a straightforward particle or field ontology, we ask: what do detectors detect? We answer this question by interpreting the detector’s response in different regimes, for single-particle wavepacket states or coherent states of the field. In the weak coupling regime, we demonstrate in detail how detector models can be used to save particle-like phenomenology, related to the phenomenon of resonance and ‘time-of-arrival’. In the strong coupling regime, we demonstrate how a continuous pointer variable can get correlated with smeared field time-averages. Finally, adapting the formalism of the quantum Brownian motion, we develop an improved field-detector interaction model that is exactly solvable and can be used to characterize the weak, strong and intermediate regime. Apart from an improved description of field measurements and resonance, this models clearly demonstrates the modulation of particle-field duality by a single tunable parameter (the coupling strength), which is a novel feature that is in principle experimentally accessible.
  • ItemOpen Access
    Μελέτη συστημάτων σε επαφή με μεγάλη διαφορά μάζας στο στάδιο της συγχώνευσης
    (2023-11-30) Λαλούντα, Ελένη; Lalounta, Eleni
    Τα διπλά εκλειπτικά συστήματα σε επαφή (EW) με μεγάλη διαφορά μάζας αποτελούν πρόκληση για τα θεωρητικά μοντέλα καθώς τα τελευταία προβλέπουν τη συγχώνευσή τους σε έναν ταχέως περιστρεφόμενο αστέρα. Ο φυσικός μηχανισμός που πυροδοτεί τη συγχώνευση δεν είναι ξεκάθαρος, σύμφωνα όμως με το πιο διαδεδομένο σενάριο οφείλεται στην αστάθεια Darwin (παλλιροϊκή αστάθεια) που συμβαίνει όταν η στροφορμή λόγω ιδιοπεριστροφής των μελών γίνει μεγαλύτερη από το 1/3 τη τροχιακής στροφορμής του. Ειδικότερα, όταν η διαφορά των μαζών ή όπως συνηθίζεται, ο λόγος των μαζών q=M_2/M_1 γίνει μικρότερος από μία κρίσιμη τιμή qmin, ο μικρής μάζας αστέρας δεν μπορεί πλέον να διατηρήσει τη σύγχρονη περιστροφή με το συνοδό του και η τροχιά τους μικραίνει, καταλήγοντας στη δημιουργία ενός ταχέως περιστρεφόμενου αστέρα τύπου FK Com ή σε έναν αστέρα τύπου Blue Straggler. Η τιμή qmin στην οποία επέρχεται η αστάθεια έχει υπολογιστεί σε 0.05-0.07 ανάλογα τις υποθέσεις που έχουν χρησιμοποιηθεί. Η μελέτη των EW συστημάτων με πολύ μικρό λόγο μαζών (Low Mass Ratio, LMR) είναι ιδιαίτερα σημαντική, διότι θα μπορούσε να παρέχει πληροφορίες για την αστρική εξέλιξη και για τους φυσικούς μηχανισμούς που εμπλέκονται σε αυτή. Κύριο αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η εύρεση και μελέτη ενός μεγάλου αριθμού LMR συστημάτων. Το πρώτο κεφάλαιο, το οποίο αναφέρεται στο θεωρητικό πλαίσιο, περιλαμβάνει μια σύντομη περιγραφή της ταξινόμησης των διπλών εκλειπτικών συστημάτων, μια πιο αναλυτική περιγραφή των χαρακτηριστικών των EW καθώς και των σεναρίων προέλευσης και κατάληξής τους. Τέλος, γίνεται αναφορά στις δύο ιδιαίτερες κατηγορίες τους εκείνη των LMR συστημάτων (q≤0.25) και εκείνη με τιμή περιόδου γύρω ή κάτω από το όριο των 0.22 ημερών (Ultra Short Period Contact Binaries, USPCB). Το δεύτερο κεφάλαιο επικεντρώνεται στη περιγραφή της ανάλυσης Fourier χρησιμοποιείται για την ανίχνευση LMR συστημάτων. Παράλληλα, γίνεται μια σύντομη περιγραφή των φυσικών παραμέτρων που συνθέτουν το μοντέλο των EW συστημάτων και περιγράφεται η διαδικασία της μοντελοποιήσης των καμπυλών φωτός με το υπολογιστκό πακέτο PHOEBE-scripter και της εκτίμησης των αβεβαιοτήτων τους με προσομοιώσεις Monte- Carlo και τη μέθοδο parameter kicking. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι βάσεις δεδομένων Catalina Sky Survey (CSS) και the All Sky Automated Survey-3 (ASAS-3) που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα καθώς και η επεξεργασία των παρατηρησιακών δεδομένων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης Fourier στις δύο επισκοπήσεις τα οποία περιλαμβάνουν 190 υποψήφια LMR συστήματα με ολικές εκλείψεις. Ακολουθεί η φωτομετρική μελέτη των 92 συστημάτων που προέκυψαν από το CSS με βάση τις καμπύλες φωτός τους. Η διαδικασία επιβεβαίωσε ότι όλα τα συστήματα χαρακτηρίζονται από μικρό λόγο μαζών. Τέλος, πραγματοποιείται φωτομετρική μελέτη με μεμονωμένες BVRI παρατηρήσεις από το 2.3 m τηλεσκόπιο Αρίσταρχος του Αστεροσκοπείου του Χελμού, τριών συστημάτων με περιόδους κάτω ή κοντά στο όριο της περιόδου. Το τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζει τη μέθοδο που υιοθετήθηκε για τον προσδιορισμό των απόλυτων παραμέτρων και συνοψίζει τα αποτελέσματα της ανάλυσης. Από αυτή προκύπτουν 10 συστήματα που χαρακτηρίζονται από q<0.10 ενώ το CSS J075839.9+131355 με q=0.07±0.02 είναι το σύστημα με τη μικρότερη τιμή. Φαίνεται επίσης ότι τα περισσότερα LMR προέρχονται από τα EW με μεγαλύτερη μάζα, ενεργό θερμοκρασία και περιόδο. Επίσης φαίνεται εξίσου πιθανό να είναι Α ή W υποτύπου, ενώ 48 από αυτά χαρακτηρίζονται από μικρό βαθμό πλήρωσης (f≤45%). Ακολουθεί η διερεύνηση δύο κριτηρίων αστάθειας από όπου προκύπτουν ~10 συστήματα τα περισσότερα W υποτύπου, που βρίσκονται κοντά στην αστάθεια. Όσον αφορά τα αποτελέσμετα των παραμέτρων των προγεννητόρων δείχνουν ότι τα μεγαλύτερης μάζας EW συστήματα και με αρχικό λόγο μαζών ~0.45 τείνουν να εξελίσσονται σε LMR.
  • ItemOpen Access
    Κβαντική πληροφορία παρουσία βαρυτικού πεδίου
    (2023-10-25) Λαγουβάρδος, Μιχάλης; Lagouvardos, Michalis
    Σε αυτή την εργασία, μελετάμε την επίδραση της ασθενούς βαρύτητας πάνω σε κβαντικά συστήματα, επικεντρώνοντας σε φαινόμενα που έχουν αμιγώς κβαντικά χαρακτηριστικά, όπως η αποσυμφωνία. Για να κάνουμε προβλέψεις των πειραματικών αποτελεσμάτων βασισμένοι στις υπάρχουσες και καθιερωμένες θεωρίες μας, μια προσέγγιση που να ξεκινάει από τη Γενική Σχετικότητα και την Κβαντική Θεωρία Πεδίου είναι απαραίτητη. Τέτοια προσέγγιση είναι η θεωρία ABH, την οποία εφαρμόζουμε για τις περιπτώσεις της επίδρασης των βαρυτικών διακυμάνσεων σε βαθμωτά σωμάτια και σε φωτόνια. Πέρα από την προσέγγιση ασθενούς πεδίου, χρησιμοποιούμε τη μαρκοβιανή προσέγγιση για να κατασκευάσουμε μια εξίσωση μάστερ. Οι βαρυτικές διακυμάνσεις μπορεί να προκύπτουν από αστροφυσικά σώματα, να είναι κοσμολογική φύσης ή ακόμα και να είναι χαρακτηριστικά της μικροσκοπικής δομής του χωροχρόνου. Η ένταση της βαρυτικής αποσυμφωνίας που προβλέπεται από τη θεωρία (η οποία μπορεί να ποσοτικοποιηθεί χρησιμοποιώντας μια φαινομενολογική θερμοκρασία θορύβου Θ) εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της κβαντικής κατάστασης αυτών των βαρυτικών διακυμάνσεων. Μελλοντικά πειράματα μέτρησης της φαινομενολογικής σταθεράς Θ, θα μπορούσαν να ρίξουν φως στη μικροσκοπική φύση της βαρύτητας. Τέλος, εκτός από τις δυνατότητες πρόβλεψης της θεωρίας ABH, συζητιούνται οι δυνατές επεκτάσεις και γενικεύσεις της.
  • ItemOpen Access
    Μελέτη των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων δισδιάστατων νανοϋλικών και άλλων φωτονικών υλικών
    (2023-10-17) Σταύρου, Μιχάλης; Stavrou, Michalis
    Τα υλικά που επιδεικνύουν ισχυρή μη γραμμική οπτική απόκριση (NLO) βρίσκουν εφαρμογή σε ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών και τεχνολογικών πεδίων, αποτελώντας τους ακρογωνιαίους λίθους σημαντικών φωτονικών και οπτοηλεκτρονικών διατάξεων. Μεταξύ αυτών, τα δισδιάστατα (2D) υλικά έχουν προσελκύσει ένα εξαιρετικά αυξανόμενο ενδιαφέρον εξαιτίας των εντυπωσιακών οπτοηλεκτρονικών χαρακτηριστικών τους, που τους προσδίδουν εξαιρετικές δυνατότητες σε μία πληθώρα εφαρμογών, όπως π.χ. την παραγωγή υπερβραχέων παλμών λέιζερ, τον οπτικό περιορισμό, την κατάλυση, τις τηλεπικοινωνίες, την οπτική επεξεργασία και αποθήκευση πληροφοριών, την οπτική πληροφορική, κ.α. Tο γραφένιο, το πρώτο 2D υλικό που ανακαλύφθηκε, παρουσιάζει χημική αδράνεια, μηδενικό ενεργειακό χάσμα και έχει περιορισμένη διαλυτότητα σε οργανικούς διαλύτες και στο νερό, χαρακτηριστικά που παρεμποδίζουν την πρακτική εφαρμογή του σε διατάξεις οπτοηλεκτρονικής και φωτονικής. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένα παράγωγα του γραφενίου, όπως το οξείδιο του γραφενίου (GO) και το οξύ του γραφενίου (GA), τα οποία διαλύονται ευκολότερα και παρουσιάζουν διαπερατό ενεργειακό χάσμα. Αυτά μπορούν να συμπεριφέρονται από ημιαγωγοί έως αγωγοί ανάλογα με το ποσοστό των sp2 και sp3 υβριδισμένων ατόμων άνθρακα. Έτσι, η ελεγχόμενη μεταβολή του βαθμού οξείδωσης και η πρόσμιξη με ετεροάτομα βορίου ή/και αζώτου, που οδηγούν σε μεταβολή του λόγου sp2/sp3, μπορεί να επιφέρει σημαντικές αλλαγές στις ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητές τους, και συνεπώς στη μη γραμμική οπτική απόκρισή τους. Η ανακάλυψη του γραφενίου έχει προκαλέσει το ενδιαφέρον για άλλα 2D υλικά που εμφανίζουν παρόμοια δομή με το γραφένιο και αποτελούνται από άλλα στοιχεία της IVΑ ομάδας (Si, Ge, Sn, Pb) του περιοδικού πίνακα. Μεταξύ αυτών, το ανάλογο του γραφενίου με βάση το Si, που ονομάζεται πυριτένιο, έχει κεντρίσει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον, καθώς παρουσιάζει ορισμένες από τις μοναδικές ιδιότητες που συναντώνται στο γραφένιο. Μάλιστα, πρόσφατα έχει δειχθεί ότι το πυριτένιο παρουσιάζει συγκρίσιμη ή/και ακόμη ισχυρότερη μη γραμμική οπτική απόκριση από το γραφένιο μέσω της χημικής του τροποποίησης, με αποτέλεσμα να επιδεικνύει καλύτερες προοπτικές για διάφορες εφαρμογές οπτοηλεκτρονικής και φωτονικής. Τα τελευταία χρόνια, τα δισδιάστατα υλικά με χημικό τύπο MX2, όπου με Μ συμβολίζεται ένα άτομο μετάλλου μετάπτωσης (Mo, W, κ.λπ.) και με Χ ένα άτομο χαλκογόνου (S, Se ή Te), γνωστά και ως διχαλκογενίδια των μετάλλων μετάπτωσης (TMDs), έχουν επίσης προσελκύσει το ερευνητικό ενδιαφέρον, εξαιτίας των δυνατοτήτων τους στον τομέα της νανοτεχνολογίας. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα TMDs παρουσιάζουν, σε μεγάλο βαθμό, μεταβλητές οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες, που καθορίζονται από τον πολυμορφισμό της κρυσταλλικής δομής τους και τον αριθμό των d-ηλεκτρονίων των μετάλλων μετάπτωσης. Επομένως, αναμένεται εύλογα ότι η τροποποίηση της κρυσταλλικής δομής των TMDs μπορεί επίσης να επιφέρει τη δραστική μεταβολή της μη γραμμικής τους απόκρισης. Μια ξεχωριστή κατηγορία αναδυόμενων υλικών είναι τα non-van der Waals 2D υλικά. Αυτές οι 2D νανοδομές έχουν αποφλοιωθεί επιτυχώς από μεταλλεύματα μετάλλων των οποίων τα γειτονικά ατομικά επίπεδα συνδέονται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς. Tο αιματένιο και το μαγνητένιο, τα δύο αρχέτυπα 2D μαγνητικά υλικά που παρουσιάζουν ατομικό πάχος, έχουν προσελκύσει πολύ πρόσφατα το ερευνητικό ενδιαφέρον. Ωστόσο, η μελέτη των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων τους βρίσκεται ακόμη σε πολύ πρώιμο στάδιο. Εκτός από τα δισδιάστατα υλικά, τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον για τα νανοσωματίδια οξειδίου του χαλκού σε διηλεκτρικό μέσο. Εκτός από τις εξαιρετικές ηλεκτρικές, μηχανικές, μαγνητικές και οπτικές ιδιότητες αυτών των υλικών, για διεγέρσεις κοντά στη συχνότητα των επιφανειακών πλασμονίων, επιτυγχάνεται πολύ μεγάλη ενίσχυση της επιδεκτικότητας τρίτης τάξης. Οι ιδιότητες αυτές καθιστούν τα υλικά αυτά κατάλληλα για εφαρμογές σε διατάξεις οπτικού διακόπτη, ανιχνευτές κ.λπ.
  • ItemOpen Access
    Πειραματική και θεωρητική μελέτη τρανζίστορ, βασισμένων σε νανονήματα ημιαγωγών, υπό μαγνητικά επαγόμενη μηχανική παραμόρφωση
    (2023-09-29) Μπαρδάκας, Αχιλλέας; Bardakas, Achilleas
    Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η κατασκευή και ο χαρακτηρισμός καινοτόμων διατάξεων τρανζίστορ μαγνητικά-επαγόμενης μηχανικής παραμόρφωσης (magnetic strain-gated transistors, M-SGTs) που θα βασίζονται σε αιωρούμενα νανονήματα Οξειδίου του Ψευδαργύρου (ZnO). Τα τελευταία χρόνια, η ερευνητική δραστηριότητα γύρω από διατάξεις αισθητήρων ικανών να ανιχνεύουν μαγνητικά πεδία μικρής έντασης σε χαμηλές συχνότητες έχει αυξηθεί σημαντικά. Συγκεκριμένα, αισθητήρες που βασίζονται σε σύνθετα μαγνητοηλεκτρικά υλικά έχουν δείξει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως μεγάλη ευαισθησία, λειτουργία σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων από DC μέχρι εκατοντάδες kHz και λειτουργία σε θερμοκρασία δωματίου. Οι αισθητήρες αποτελούνται από ένα μαγνητοσυστολικό και ένα πιεζοηλεκτρικό υλικό με τις ερευνητικές προσπάθειες για τη σμίκρυνση τέτοιων δομών στη νανοκλίμακα να αποτελεί μια ανοιχτή πρόκληση. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η σύνθεση νανονημάτων ZnO μέσω της υδροθερμικής μεθόδου, χρησιμοποιώντας στρώματα πυρήνωσης γέλης και ιοντοβολής. Αυτά χαρακτηρίστηκαν ως προς τη μορφολογία της επιφάνειάς τους και κρυσταλλογραφικά. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η σύνθεση των νανονημάτων ZnO όπου μελετήθηκε η εξάρτηση του χρόνου ανάπτυξης καθώς και η επίδραση της συγκέντρωσης των πρόδρομων ουσιών στα δομικά χαρακτηριστικά των νανονημάτων. Ακολούθησε ο κρυσταλλογραφικός και δομικός χαρακτηρισμός των νανονημάτων. Ακόμα αναπτύχθηκε μια βελτιωμένη μεθοδολογία ανάπτυξης μεμονωμένων νανονημάτων κάθετα στο επίπεδο χρησιμοποιώντας την παραπάνω μεθοδολογία σύνθεσης σε συνδυασμό με χωρικά-ελεγχόμενα μοτίβα τα οποία κατασκευάστηκαν με χρήση λιθογραφίας ηλεκτρονικής δέσμης. Παράλληλα, αναπτύχθηκαν μαγνητοσυστολικά υμένια FeCoSiB με χρήση ιοντοβολής συνεχούς ρεύματος. Τα υμένια αυτά χαρακτηρίστηκαν ως προς τις μαγνητοστατικές τους ιδιότητες τους σε συνάρτηση της στοιχειομετρίας ώστε να επιλεχθεί η βέλτιστη. Η βέλτιστη στοιχειομετρία χαρακτηρίστηκε δομικά και κρυσταλλογραφικά και μαγνητοστατικά σε διάφορες θερμοκρασίες ανόπτησης. Ο μαγνητοσυστολικός χαρακτηρισμός των υμενίων έδειξε ότι τα υμένια διαθέτουν σημαντικούς συντελεστές μαγνητοσυστολής. Χρησιμοποιώντας λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης κατασκευάστηκαν διατάξεις μεταλλικών ηλεκτροδίων σε υποστρώματα πυριτίου. Τα νανονήματα ZnO που αναπτύχθηκαν συναρμολογήθηκαν ανάμεσα στις μεταλλικές επαφές με τη μέθοδο της διηλεκτροφόρησης και προέκυψαν διατάξεις μεμονωμένων και πολλαπλών νανονημάτων ZnO με ενδιαφέρουσες ηλεκτρικές ιδιότητες. Αξιοποιώντας όλα τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την παραπάνω μελέτη πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά η υλοποίηση διατάξεων τρανζίστορ μαγνητικά-επαγόμενης μηχανικής παραμόρφωσης (M-SGTs) βασισμένων τα νανονήματα ZnO και τα μαγνητοσυστολικά υμένια FeCoSiB που αναπτύχθηκαν παραπάνω. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν δείχνουν τη δυνατότητα ελέγχου του ρεύματος που διαρρέει ένα νανονήμα ZnO μέσω εξωτερικού μαγνητικού πεδίου κάτι που ανοίγει το δρόμο για την ανάπτυξη μαγνητοηλεκτρικών διατάξεων στην νανοκλίμακα.
  • ItemOpen Access
    Optical spectroscopic studies in the time and frequency domain of graphene and fabricated patterned graphene structures
    (2023-10-03) Κατσιαούνης, Σταύρος; Katsiaounis, Stavros
    Phonon lifetimes are crucial physical parameters that play a vital role in phonon transport and the thermal conductivity of two-dimensional materials. Despite extensive research on the ultrafast dynamics of phonons in photoexcited graphene since 2008, there are still open questions to be answered. Notably, a thorough investigation of the phonon dynamics on polycrystalline chemical vapor deposited (CVD) graphene along with a direct comparison with single crystal exfoliated samples has not been reported in the literature prior to this study. Furthermore, to date, the influence of doping on phonon lifetimes in graphene has received limited attention. In this study, we have developed a unique Time-Resolved Incoherent Anti-Stokes Raman Scattering (TRIARS) setup to directly investigate the ultrafast dynamics of G phonons in graphene crystals and examine how various parameters, such as the production method, number of layers, underlying substrate, and doping level, influence phonon lifetimes. Our investigation revealed that the presence of an underlying substrate significantly reduces the G phonon lifetime of single layer graphene. For two and three exfoliated graphene layers, we observed that the lifetime gradually approaches that of graphite (≈2.2 ps corresponding to ≈2.4 cm-1). The G phonon lifetime in CVD graphene samples consistently appeared lower than that of exfoliated ones, mainly due to the presence of various structural defects like wrinkles and grain boundaries. We have also determined the electron-phonon coupling strength of graphite at 10.6 cm-1 which aligned excellently with theoretical predictions. Furthermore, we conducted a thorough investigation of the phonon dynamics in pristine and p-type doped CVD graphene, observing an approximately 14% decrease in the G phonon lifetime with doping levels up to 𝐸𝐹=270 meV below the Dirac point. We also noted a 30% decrease in the electron-phonon coupling constant, 𝜆 𝛤, of CVD graphene samples compared to exfoliated ones. Moreover, it was shown that phonon-defect scattering constitutes a significant contribution in the linewidth of the G Raman band in CVD graphene samples. Additionally, we explored the formation of nanopores in graphene under ambient conditions by irradiating its lattice with below ablation threshold ultrashort laser pulses. This phenomenon has not been thoroughly investigated prior to the present study. Existing methods for nano-perforation of graphene sheets have encountered challenges related to scalability and cost efficiency. In this study, we propose an experimental protocol that addresses these issues by introducing a novel technique to fabricate nanoscale pores (10 – 40 nm) in CVD graphene membranes. The nanopore network was visualized and quantified using Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electron Microscopy (SEM), while Raman spectroscopy was employed to establish a correlation between the nano-perforated area and nano-topographic imaging. We have shown that Raman imaging is a powerful tool for the identification of the nanoporous area and its combination with AFM revealed that nanopores of certain size and distribution are formed under certain experimental conditions. Finally, based on graphene's interaction with ultrashort laser pulses we submitted and were awarded a patent titled "Graphene-based 3D optical memory" by the Hellenic Industrial Property Organization.
  • ItemOpen Access
    Deep learning techniques in biomedical imaging
    (2023-10-06) Κατάκης, Σοφοκλής; Katakis, Sofoklis
    Musculoskeletal ultrasound (MSK-US) is a valuable diagnostic tool for the examination of the musculoskeletal system since it enables a detailed visualization of the muscles. Within the last decade, various Computer-Aided Diagnosis (CAD) systems emerged as analytic tools that incorporated a selected set of quantitative features (e.g., first-, second- and higher-order statistical features) to assist the clinical staff in the clinical practice. These systems were usually applied for the detection of clinically important parameters such as muscle echogenicity or for the classification of different pathologies based on extracted radiological features. However, with the recent advancements in Artificial Intelligence, new powerful image processing techniques have emerged with their integration in CAD systems to be at an early level. The main objective of this thesis is the introduction of state-of-the art deep learning techniques to improve the performance of the already existing CAD systems. To achieve this, a wide range of medical applications have been studied in a new, large and diverse database. Specifically, the problems examined in this thesis can be categorized in the following topics: 1. Automated Architectural Analysis of the muscles in MSK-US. 2. Automated Textural Analysis of the muscles in MSK-US. 3. Generation of musculoskeletal ultrasound images. Each of these topics holds its own merit, as they investigate distinct aspects of patients' overall health conditions. However, they are also interconnected, as their collective study can yield more accurate computer diagnostic systems. Automated architectural analysis plays a crucial role in real-time muscle inspection, providing standardized assessments of muscle quality in terms of size, as well as the length and angle of its fascicles. Concurrently, automated textural analysis paves the way for systems that exclusively rely on muscle texture to monitor its health—an important aspect of muscular well-being. Textural patterns have the potential to signal abnormalities or specific muscle conditions, potentially enabling early interventions and preventive measures. It's important to note that the development of such systems requires a significant amount of data, a challenge compounded by stringent privacy and regulatory constraints in the medical field. To address these limitations, the automated generation of realistic musculoskeletal ultrasound images emerges as a practical solution. This approach circumvents these barriers, facilitating the acquisition of substantial data volumes essential for advancing research and system development.
  • ItemOpen Access
    Neural networks : deep learning strategies for problems with limited data
    (2023-07-26) Τσουρούνης, Δημήτριος; Tsourounis, Dimitrios
    Small sample size learning (SSSL) problem arises when the available training data are limited, making it challenging for machine learning models to capture meaningful patterns and provide accurate predictions. In computer vision applications, constraints on training data are common due to data collection difficulties or high annotation costs. This PhD thesis focuses on exploring deep learning strategies tailored for addressing the SSSL problem, with a specific emphasis on developing efficient training methods for convolutional neural networks (CNNs) when only a limited amount of data are available. Different approaches exist based on the space being considered: data augmentation techniques in the input space, approximating target functions with regularization and pretraining in the model space and encoding relationships between data points within a latent feature space. In this dissertation we propose methods that attack SSSL in one or multiple spaces simultaneously. The applications studied in this thesis include biometric verification in the offline signature verification (OffSV) problem, which currently lacks a large available offline signature dataset, and the biomedical problem of human epithelial type-2 (Hep-2) cell classification through indirect immunofluorescence (IIF) microscopy images, involving a challenging annotation process. Initially, shallow representation learning approaches, utilizing traditional computer vision techniques, are studied as a baseline scenario of approaching SSSL. This enabled us to gain valuable insights into the intrinsic characteristics of the studied problems and enhances the interpretability of the results. Subsequently, a hybrid scheme combining hand-crafted descriptors with a CNN model is proposed. Hand crafted features can create representations with desired invariance characteristics, hence when used as input to a CNN, can provide a more effective starting point for training with limited samples size. A different path to address the SSSL problem studied in this dissertation involves utilizing external data from a similar domain with data abundance. These data can serve as information carriers within a sophisticated training procedure, aimed at enhancing performance in the target problem that suffers data limitations. Such methods were developed in the context of OffSV, where auxiliary handwritten text data were utilized during the training of CNNs in the writer identification task, managing to learn effective encodings of signature images by employing domain adaptation techniques, achieving comparable performance or even surpassing models trained on thousands of signature images. The first such approach proposed in this thesis is explicit domain adaptation, which encompasses metric learning using an additional transformation layer trained via contrastive loss, used to transform the outputs of a pretrained CNN model. The second proposed technique is implicit domain adaptation, implemented through teacher supervision in the Feature-based Knowledge Distillation (FKD) scheme. This method leverages both local and global information from intermediate representations of the teacher to facilitate efficient knowledge transfer. Results demonstrate that the proposed approaches effectively address the SSSL problem in the OffSV domain, operating in either the feature space or the model space, by utilizing auxiliary data in the input space to overcome the challenges posed by the data limitations.
  • ItemOpen Access
    Concentrating solar thermal systems - numerical simulation and experimental study for applications at intermediate to medium temperatures
    (2023-05) Παναγόπουλος-Κοντοσταυλάκης, Ορέστης; Panagopoulos-Kontostavlakis, Orestis
    Concentrating solar thermal systems are widely used to convert solar energy for space heating and refrigeration, solar water heating, as well as industrial process heat. The state-of-the-art methods for solar process heat production use different concepts among which tracking Fresnel mirrors or parabolic troughs. However, very few commercially available devices operating at intermediate to medium temperatures (100−250 °𝐶) exist. In order to fill this gap, an innovative concentrating solar thermal system is proposed and studied. The proposed device is able to concentrate the solar radiation to the receiver using a micro-mirror array and a flat receiver. A prototype is designed, constructed and tested outdoors. The findings of the theoretical study through numerical simulations and the experimental results are presented and discussed in the present work.
  • ItemOpen Access
    Ανάπτυξη υβριδικών περοβσκιτών και εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές διατάξεις τρίτης γενιάς
    (2023-06-15) Χριστόπουλος, Ελευθέριος Δ.; Christopoulos, Eleftherios D.
    Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνώνται οι υβριδικοί αλογονούχοι περοβσκίτες και η εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές διατάξεις. Οι περοβσκίτες παρουσιάζουν οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες που τους κάνουν ιδανικούς υποψήφιους προς εκμετάλλευση σε διατάξεις μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η επιλογή των στοιχείων τα οποία συνθέτουν το περοβσκιτικό υλικό καθώς και η μέθοδος της σύνθεσής του επηρεάζουν σημαντικά τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών διατάξεων. Παρά τη ραγδαία ανάπτυξη των περοβσκιτικών φωτοβολταϊκών διατάξεων, η αστάθεια που παρουσιάζουν σε βάθος χρόνου έχει αποτρέψει την εμπορευματοποίησή τους. Η κύρια αιτία του προβλήματος είναι η ευαισθησία που επιδεικνύουν κατά την έκθεσή τους σε συνθήκες περιβάλλοντος, δηλαδή υγρασίας και οξυγόνου. Η αποδόμηση του περοβσκιτικού υλικού συναντάται επίσης και σε συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών και συνεχόμενης ακτινοβόλησης του υλικού. Αποτέλεσμα αυτών είναι η διάσπαση της δομής του περοβσκιτικού κρυστάλλου και η δημιουργία ανεπιθύμητων υποπροϊόντων (π.χ. PbI2). Επίσης η πιθανή παρουσία κρυσταλλικών ατελειών κατά τη σύνθεση του περοβσκίτη επιταχύνει την αποδόμηση του υλικού. Παρακινούμενη, από την επίλυση του προβλήματος της αστάθειας των περοβσκιτικών φωτοβολταϊκών διατάξεων, η εργασία εστιάζει σε τεχνικές και μεθόδους προς την συγκεκριμένη κατεύθυνση. Ξεκινώντας από την επιλογή ενός σταθερού περοβσκιτικού υλικού (CsFAMAPbI3-xBrx) με τρισδιάστατη δομή και στοιχειομετρία τύπου ΑΒΧ3 και την εφαρμογή του σε μία μεσοπορώδη φωτοβολταϊκή διάταξη, αναζητήθηκαν μηχανισμοί προστασίας του περοβσκιτικού υλικού από την επίδραση του περιβάλλοντος και μείωσης των δομικών ατελειών κατά τη διαδικασία της σύνθεσής του. Εν ολίγοις, μελετήθηκε η επίδραση της μηχανικής της διεπιφάνειας ανάμεσα στο υλικό μεταφοράς των ηλεκτρονίων και τον περοβσκίτη, καθώς και ανάμεσα στον περοβσκίτη και το υλικό μεταφοράς των οπών. Η τροποποίηση των διεπιφανειών σε μία περοβσκιτική φωτοβολταϊκή διάταξη με τη χρήση υδρόφοβων υλικών, βελτιώνει αισθητά την σταθερότητά τους στον χρόνο αλλά και τη συνολική φωτοβολταϊκή τους λειτουργία. Βάσει αυτού, διερευνήθηκε η επίδραση της διαστατικής μηχανικής, δημιουργώντας φωτοβολταϊκές διατάξεις με 3D/1D δομές. Η σύνθεση του νέου μονοδιάστατου περοβσκίτη HMImPbI3 και η εφαρμογή του στις φωτοβολταϊκές διατάξεις, οδήγησε σε εξαιρετικά αποτελέσματα, όσον αφορά στη σταθερότητα των διατάξεων στον χρόνο πρωτίστως, αλλά και στη συνολική φωτοβολταϊκή λειτουργία των διατάξεων δευτερευόντως. Στη συνέχεια, η έρευνα εστιάζει στην εφαρμογή της συγκεκριμένης τεχνικής (διαστατική μηχανική) σε περοβσκιτικές φωτοβολταϊκές διατάξεις με βάση τον κασσίτερο, (B = Sn) χάριν της χαμηλότερης τοξικότητας από τον μόλυβδο. Ο κασσίτερος οξειδώνεται από Sn2+ σε Sn4+ λόγω της παρουσίας του οξυγόνου, με αποτέλεσμα την παύση της λειτουργίας των εν λόγω διατάξεων, εξαιτίας της γρήγορης αποδόμησης του περοβσκιτικού υλικού. Η δημιουργία της 3D/1D δομής βελτίωσε αισθητά την κρυσταλλικότητα του λεπτού υμενίου περοβσκίτη, θέτοντας τις βάσεις για την δημιουργία διατάξεων με αυξημένη σταθερότητα στον χρόνο.