Nonlinear optical response of some perylene diimides (PDIs) and two-dimensional (2D) MoS2-PDI hybrid materials under ns and fs laser excitation
| datacite.contributor.RelatedPerson | Νικόλαος Λιάρος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Νικόλαος Βάινος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Στυλιανός Κουρής | |
| dc.contributor.author | Πραματιώτη, Ευφροσύνη | |
| dc.contributor.other | Pramatioti, Efrosyni | |
| dc.date.accessioned | 2026-02-17T09:46:42Z | |
| dc.date.available | 2026-02-17T09:46:42Z | |
| dc.date.issued | 2026-02-12 | |
| dc.degree | masterThesis | |
| dc.description.abstract | In the present work, the nonlinear optical response of five perylene diimides (PDIs)—i.e., chemically modified perylenes with phenoxy-azobenzene, aminophenyl, aminophenoxy, and amino groups attached to the bay- and imide-positions of the perylene—was studied, as well as that of two-dimensional semiconducting MoS2 nanosheets bearing the aforementioned perylene diimides. The study of the nonlinear optical response of all the above systems was carried out under different laser excitation conditions, using various excitation wavelengths and pulse durations (4 ns/1064 and 532 nm, 70 fs/800 and 400 nm) and the Z-Scan technique. The aim of the work was the selective modification of the linear and nonlinear optical properties of the semiconducting 2D MoS2 structures for various photonic and optoelectronic applications (e.g., optical switches, optical gates, optical limiters, development of dyes for mode-locking, etc.) A noticeable tune of the NLO character between the PDI derivatives was observed, revealing the importance of the functionalization of the PDI core by the anchored electron donating units. The largest NLO value was achieved by the incorporation of p-aminoazobenzene at the PDI bay position.The mechanism which could lead to an efficient tune of the PDIs NLO response, is associated with the modification of their electronic character resulting by the proper PDI core functionalization. The hybrids exhibit enhanced and tunable NLO absorptive (switching from saturable to reverse saturable absorption with intensity) and refractive (self-focusing) responses compared to exfoliated MoS2, with 1a and 2a (azobenzene-substituted PDIs) showing the strongest effects due to efficient electron transfer and resonant excitation. Hybrids demonstrate superior NLO susceptibility (χ³) values, particularly under resonant 532 nm excitation, with Im{χ³} up to -514.7 ± 57.4 × 10-13 esu·mL/mg for 2a at low intensity, attributed to Pauli blocking, defect states, and two-photon processes. Hybrids having bay-substituted PDIs grafted on MoS2 enhance conjugation and performance over imide variants, enabling applications in optical limiting, modelocking, and photonic devices. Threshold intensities for NLA switching (150-250 MW/cm²) exceed those of MoS2, highlighting stability for high-power uses. The newly developed hybrid materials advance two-dimensional transition metal dichalcogenidebased optoelectronics by overcoming light-matter interaction limits through molecular antenna effects from PDIs. The study underscores substituent position and azobenzene integration as levers for NLO optimization in hybrid nanoarchitectures. | |
| dc.description.translatedabstract | Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε η μη γραμμική οπτική απόκριση πέντε διιμιδίων του περυλενίου (pelylene diimides, PDIs), δηλ. χημικά τροποποιημένων περυλενίων με phenoxy-azobenzene, aminophenyl, aminophenoxy, και amino ομάδα, προσδεδεμένων σε bay- και imide-θέσεις του περυλενίου, καθώς και δισδιάστατων ημιαγώγιμων νανο-φύλλων MoS2 που έφεραν τα ανωτέρω διιμίδια του περυλενίου. Η μελέτη της μη γραμμικής οπτικής απόκρισης όλων των παραπάνω συστημάτων πραγματοποιήθηκε με χρήση παλμικών ακτινοβολιών λέιζερ, διαφόρων μηκών κύματος και χρονικής διάρκειας (4 ns/1064 και 532 nm, 70 fs/800 και 400 nm) και της τεχνικής Z-Scan. Σκοπός της εργασίας ήταν η επιλεκτική τροποποίηση των γραμμικών και μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων των ημιαγώγιμων 2D δομών του MoS2 για διάφορες φωτονικές και οπτο-ηλεκτρονικές εφαρμογές (π.χ., οπτικοί διακόπτες, οπτικές πύλες, οπτικοί περιοριστές ακτινοβολίας, ανάπτυξη χρωστικών για mode-locking, κλπ.). Παρατηρήθηκε μια αξιοσημείωτη αλλαγή του μη γραμμικού οπτικού χαρακτήρα μεταξύ των παραγώγων PDI, αποκαλύπτοντας τη σημασία της σύζευξης του πυρήνα PDI με τις προσδεμένες ομάδες δότη ηλεκτρονίων. Η υψηλότερη τιμή μη γραμμικής οπτικής απόκρισης επιτεύχθηκε με την ενσωμάτωση phenoxy-azobenzene στη θέση bay του PDI. Ο μηχανισμός που θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντική απόκριση των PDI σχετίζεται με την τροποποίηση του ηλεκτρονικού τους χαρακτήρα που προκύπτει από την κατάλληλη διαμόρφωση του πυρήνα PDI. Τα υβρίδια παρουσιάζουν ενισχυμένες αποκρίσεις ως προς την απορρόφηση (μετάβαση από κορεσμένη σε ανάστροφα κορεσμένη απορρόφηση συναρτήσει της έντασης) και τη διάθλαση (αυτο-εστίαση) σε σύγκριση με το μεμονωμένο MoS2. Τα υβρίδια 1a και 2a (PDI τροποποιημένα με azobenzene) εμφάνισαν τα ισχυρότερα φαινόμενα λόγω της αποτελεσματικής μεταφοράς ηλεκτρονίων και της διέγερσης συντονισμού. Τα υβρίδια επιδεικνύουν ανώτερες τιμές μη γραμμικής επιδεκτικότητας τρίτης τάξης (χ), ιδιαίτερα υπό διέγερση στα 4ns/532 nm, με το Imχ να φτάνει έως και -514.7±57.4 ×10-13 esu·mL/mg για το 2a σε χαμηλή ένταση, κάτι που αποδίδεται στο φαινόμενο Pauli blocking, σε καταστάσεις ατελειών και σε διεργασίες δύο φωτονίων. Τα υβρίδια που διαθέτουν PDI υποκατεστημένα στη θέση bay στο MoS2 ενισχύουν την απόδοση έναντι των imide παραλλαγών, επιτρέποντας εφαρμογές σε οπτικούς περιοριστές (optical limiting), mode-locking και φωτονικές διατάξεις. Οι εντάσεις κατωφλίου για τη εναλλαγή της μη γραμμικής απορρόφησης (150-250 MW/cm2 ) υπερβαίνουν εκείνες του MoS2, υπογραμμίζοντας τη σταθερότητα για χρήσεις σε συστήματα υψηλής ισχύος. Τα νεοαναπτυχθέντα υβριδικά υλικά προάγουν την οπτοηλεκτρονική που βασίζεται σε δισδιάστατα διχαλκογενίδια μετάλλων μετάπτωσης, ξεπερνώντας τα όρια της αλληλεπίδρασης φωτός-ύλης. Η μελέτη αναδεικνύει τη θέση του PDI και την ενσωμάτωση του azobenzene ως μοχλούς για τη βελτιστοποίηση των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων σε υβριδικές νανοαρχιτεκτονικές. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/31275 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | CC0 1.0 Universal | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ | |
| dc.subject | Nonlinear optics | |
| dc.subject | Photonics | |
| dc.subject | 2D materials | |
| dc.subject.alternative | Μη γραμμική οπτική | |
| dc.subject.alternative | Φωτονική | |
| dc.subject.alternative | Δισδιάστατα υλικά | |
| dc.title | Nonlinear optical response of some perylene diimides (PDIs) and two-dimensional (2D) MoS2-PDI hybrid materials under ns and fs laser excitation | |
| dc.title.alternative | Μη γραμμική οπτική απόκριση διιμιδίων του περυλενίου (PDI) και δισδιάστατων υβριδικών υλικών MoS2-PDI υπό διέγερση με ns και fs λέιζερ |