Computational study, design and applications of nano-composite metallo-dielectric photonic materials
Authors: Μπελλάς Δημήτρης 
Published: September 2021

Το αντικείμενο της Διδακτορικής Διατριβής είναι η μελέτη και αξιοποίηση μεταλλικών νανοσωματίδιων (ΜΝΣ) σε εφαρμογές συλλογής ηλιακής ενέργειας και εφαρμογές ενίσχυσης φασματοσκοπίας. Όταν τα ΜΝΣ ακτινοβολούνται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα, τα ελεύθερά τους ηλεκτρόνια ταλαντώνονται σε απόκριση του ηλεκτρικού πεδίου. Στην κατάλληλη συχνότητα αυτή η ταλάντωση οδηγείται σε συντονισμό. Το οπτικό αυτό φαινόμενο είναι γνωστό ως Εντοπισμένος Συντονισμός Πλασμονίου Επιφανείας (LSPR) με τεράστια πεδία πόλωσης στην επιφάνεια του νανοσωματιδίου. Τα πεδία αυτά επάγουν ισχυρή σκέδαση του φωτός και προάγουν φωτο-ηλεκτρονικές διεργασίες (όπως φθορισμό, σκέδαση Raman, απορρόφηση). Επίσης, τα πεδία αυτά είναι πολύ ευαίσθητα στο είδος του μετάλλου, το σχήμα, το μέγεθος και το περιβάλλον του, επιτρέποντας μεγάλη ευελιξία στον σχεδιασμό εφαρμογών. Τα ΜΝΣ είναι στην καρδιά της νανοτεχνολογίας με πολλές εφαρμογές στην ενέργεια, την υγεία και την φωτονική. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιούμε τις ιδιότητες των ΜΝΣ για να βελτιώσουμε την απόδοση των ηλιακών συλλεκτών. Ειδικότερα, παρουσιάζουμε έναν τρόπο σχεδιασμού και αξιολόγησης της απόδοσης νανοσύνθετων μέταλλο-διηλεκτρικών επιστρώσεων καθώς επίσης και επιλεκτικών φίλτρων, για υψηλής θερμοκρασίας εφαρμογές στην συλλογή υψηλής συγκέντρωσης ηλιακής ακτινοβολίας (π.χ παραβολικοί συλλέκτες). Βελτιώνοντας τις ιδιότητες της επιλεκτικής επίστρωσης (η οποία διασφαλίζει την μέγιστη συλλογή ηλιακής ενέργειας και ελάχιστη θερμική εκπομπή) του δέκτη και βελτιστοποιώντας την θερμοκρασία λειτουργίας πάνω από τα σημερινά όρια των 400 0C, αυξάνεται η συνολική απόδοση των παραβολικών συλλεκτών μειώνοντας έτσι το κόστος της ηλιακής ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιώντας, την μέθοδο πεπερασμένων διαφορών χρονικού πεδίου (FDTD) μοντελοποιούμε νάνο-σύνθετες μέταλλο-διηλεκτρικές επιστρώσεις (ΜΝΣ σε διηλεκτρική μήτρα) οι οποίες αποτελούνται από υλικά ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες όπως επίσης και επιλεκτικά φίλτρα. Τα αποτελέσματα για ένα από τα καλύτερα υποψήφια υλικά έδειξαν ότι αυξάνοντας την θερμοκρασία λειτουργίας από 400 0C στους 850 0C έχουμε μια αύξηση στην απόδοση από 40% σε 52% αντιστοίχως, που σημαίνει ~30% καλύτερη απόδοση. Επιπλέον, διερευνούμε τα χαρακτηριστικά του πλασμονικού συντονισμού ΜΝΣ (ενίσχυση πεδίων, σκέδαση κ.τ.λ) πάνω σε υπόστρωμα, για εφαρμογές ενίσχυσης φασματοσκοπίας. Χαρτογραφώντας την ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου δείχνουμε ότι αναλόγως με το σχήμα του ΜΝΣ η συχνότητα στην οποία επιτυγχάνεται η μέγιστη ενίσχυση, διαφοροποιείται σε κάθε σημείο της επιφανείας του ΜΝΣ. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα διαφοροποιημένους πλασμονικούς συντονισμούς κατά μήκος του ΜΝΣ. Έτσι η ενίσχυση στον φθορισμό και την σκέδαση Raman θα εξαρτάται από το σημείο της επιφάνειας του ΜΝΣ στο οποίο τα υπό ανίχνευση μόρια θα προσροφηθούν. Επίσης, για τον σχεδιασμό του πλασμονικού συντονισμού εξετάζουμε την επίδραση μιας επικάλυψης λεπτού στρώματος διηλεκτρικού (AlN) στο ΜΝΣ. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η οπτική απόκριση εξαρτάται από το σχήμα και είναι σε συμφωνία με πρόσφατα παράλληλα πειράματα συνεργατών.Τέλος, παρουσιάζουμε μια μέθοδο μοντελοποίησης και σχεδιασμού της πειραματικής ανάπτυξης λειτουργικών πλασμονικών διατάξεων με προκαθορισμένες ιδιότητες, που σχετίζονται με τις παραπάνω εφαρμογές και πολλές άλλες. Διερευνούμε διεξοδικά τις φωτο-θερμικές διεργασίες που λαμβάνουν μέρος κατά την διάρκεια νανο-δόμησης με laser διατάξεων ΜΝΣ: α) μέσα σε μήτρα και β) πάνω στην επιφάνεια υποστρώματος. Στην πρώτη περίπτωση η ανόπτηση με laser μιας πολυ-στρωμματικής διάταξης με εναλλασσόμενα υμένια μετάλλου/διηλεκτρικού, καταλήγει στη δημιουργία νανοσυνθέτων που αποτελούνται από ΜΝΣ σε διηλεκτρική μήτρα. Στην δεύτερη περίπτωση η ανόπτηση με laser ενός λεπτού μεταλλικού υμενίου πάνω σε υπόστρωμα καταλήγει στην δημιουργία ΜΝΣ πάνω στο υπόστρωμα. Μεταβάλλοντας κατάλληλα τις συνθήκες ανόπτησης όπως την ενέργεια και το μήκος κύματος του παλμού του laser ή/και τις παραμέτρους της διάταξης όπως τον παράγοντα πλήρωσης όγκου του κεραμικού/μεταλλικού συνθέτου και το πάχος του μεταλλικού υμενίου, οδηγούμαστε σε νάνο-διατάξεις προσχεδιασμένης μορφολογίας. Τα αποτελέσματα αυτά παρουσιάζονται και συγκρίνονται με παράλληλα πειράματα συνεργατών, με τα οποία δείχνουν καλή συμφωνία.