Γραφένια και παράγωγά τους
Authors: Παπαδάκης Ιωάννης 
Published: September 2021

Με την ανάπτυξη των laser και την εξέλιξη της τεχνολογίας, κατέστη δυνατή η λεπτομερής διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης. Με την διεξαγωγή των πρώτων πειραμάτων με ακτινοβολίες laser, διαπιστώθηκε ότι όταν η ύλη αλληλεπιδρά με σύμφωνες ακτινοβολίες υψηλών εντάσεων, λαμβάνουν χώρα φαινόμενα τα οποία εξαρτώνται από την ένταση της ακτινοβολίας. Έτσι, αναπτύχθηκε ένας νέος κλάδος για την μελέτη τέτοιων φαινομένων, ο κλάδος της μη γραμμικής οπτικής. Τα φαινόμενα που μελετά η μη γραμμική οπτική, είναι φαινόμενα τα οποία εκδηλώνονται κατά την αλληλεπίδραση με ακτινοβολίες υψηλών εντάσεων, εντάσεις στις οποίες το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο είναι συγκρίσιμο με αυτό που συγκρατεί τα ηλεκτρόνια στον πυρήνα του ατόμου. Είναι σημαντικό να τονισθεί ότι τα φαινόμενα αυτά συνδέονται κυρίως με τη διάρκεια των παλμών και συνήθως συνοδεύονται και από απορρόφηση ακτινοβολίας. Υλικά τα οποία παρουσιάζουν σημαντική μη γραμμική οπτική απόκριση βρίσκουν εφαρμογές στους τομείς της φωτονικής και της οπτο-ηλεκτρονικής. Συγκεκριμένα μπορούν να χρησιμοποιούνται ως οπτικοί περιοριστές για την προστασία του ανθρώπινου οφθαλμού, καθώς και ευαίσθητων ανιχνευτών και διατάξεων υψηλού κόστους από δέσμες laser υψηλής έντασης, ενώ επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικοί διακόπτες και οπτικές δίοδοι, με το πλεονέκτημα πως δεν χρειάζεται μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρονικό, και συνεπώς η πληροφορία διαδίδεται με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα. Το ενδιαφέρον για τα γραφένια έχει ενισχυθεί από την πληθώρα των τεχνολογικών εφαρμογών, πού ήδη βρίσκουν μερικά από αυτά, στην φωτονική και οπτό-ηλεκτρονική, στην επιστήμη υλικών, σε datacom-telecom εφαρμογές, κλπ. Μία σημαντική ιδιότητα του γραφενίου, είναι η ισχυρή τρίτης τάξεως μη γραμμική οπτική απόκριση που εμφανίζει. Με αυτήν σχετίζεται η κορέσιμη απορρόφηση και άμεση εφαρμογή της είναι για παθητική εγκλείδωση ρυθμών σε λέιζερ. Ωστόσο, το γεγονός ότι το γραφένιο χαρακτηρίζεται από μηδενικό ενεργειακό χάσμα, περιορίζει τις περαιτέρω εφαρμογές του σε οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές που απαιτούν ένα ευμετάβλητο ενεργειακό χάσμα. Την λύση σε αυτό τον περιορισμό δίνει η χημική τροποποίηση ή η νόθευση του γραφενίου. Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε εκτενώς η μη γραμμική οπτική απόκρισης τρίτης τάξης παραγώγων του γραφενίου, όπως του οξειδίου του γραφενίου και του φθοριωμένου γραφενίου, καθώς και υβριδικών υλικών που προκύπτουν από την χημική τροποποίηση τους, και την προσθήκη προσμίξεων και τεχνητών ατελειών (defects) σε αυτά. Τέτοια γραφενικά παράγωγα είναι πλέον στο επίκεντρο του επιστημονικού ενδιαφέροντος, μιας και μπορούν να παράγονται σε μεγάλες ποσότητες και χωρίς μεγάλο κόστος παραγωγής. Επιπλέον, ένα ακόμα σημαντικό πλεονέκτημά τους σε σχέση με το γραφένιο χωρίς προσμίξεις, είναι πως διαθέτουν ιδιότητες οι οποίες μπορούν να μεταβάλλονται και να προσαρμόζονται ανάλογα με το είδος και τον βαθμό της χημικής τροποποίησής τους, το μέγεθος των γραφενικών φύλλων, το ποσοστό των προσμίξεων και ατελειών, κ.ά.. Ένας από τους στόχους της παρούσας εργασίας λοιπόν, είναι η μελέτη της επίδρασης όλων αυτών των παραγόντων στη μη γραμμική οπτική απόκριση του γραφενίου, με σκοπό την δημιουργία γραφενικών παραγώγων με «à la carte» μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες, που θα είναι δυνατόν να αξιοποιηθούν σε μελλοντικές εφαρμογές. Ένα σημαντικό μέρος της εργασίας αφιερώθηκε στη συστηματική μελέτη των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων και του οπτικού περιορισμού οξειδωμένων γραφενίων με διαφορετικό βαθμό οξείδωσης και μέγεθος γραφενικού φύλλου. Μέσω αυτής της συστηματικής μελέτης δείχθηκε για πρώτη φορά πως ο βαθμός οξείδωσης επηρεάζει σημαντικά την μη γραμμική απορρόφηση των γραφενίων, ενώ το μέγεθος των γραφενικών φύλλων και κατ’ επέκταση το μέγεθος της π-συζυγίας (π-conjugation) βελτιστοποιεί τη μη γραμμική οπτική απόκριση και οπτικό περιορισμό των οξειδίων του γραφενίου. Μελετήθηκαν επίσης οι μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες τρίτης τάξης μερικών πρόσφατα συντεθειμένων οξειδομένων γραφένιων με δομικές ατέλειες (defects) και προσμίξεις ατόμων βορίου και αζώτου. Σκοπός της μελέτης αυτής ήταν να διερευνηθεί η επίδραση του ποσοστού των ατελειών και προσμίξεων στη μη γραμμική οπτική απόκριση και τον οπτικό περιορισμό, καθώς και επίσης να διερευνηθεί η επίδραση και η συνεισφορά των διαφορετικού τύπου προσμίξεων (βόριο, άζωτο) στη μη γραμμικότητα. Δείχθηκε επίσης, για πρώτη φορά, ότι τα συστήματα αυτά εμφανίζουν οπτικό περιορισμό σε μία ευρύτατη φασματική περιοχή (broadband optical limiting). Τέλος, μελετήθηκε η μη γραμμική οπτική απόκριση ενός φθοριωμένου γραφενικού παραγώγου, χημικά τροποποιημένου με διαιθυλαμίνη. Το εν λόγω τροποποιημένο γραφένιο παρουσίασε μία από τις σημαντικότερες μη γραμμικές οπτικές αποκρίσεις που έχει παρατηρηθεί σε παράγωγο φθοριωμένου γραφενίου. Παράλληλα έγινε μελέτη του οπτικού περιορισμού, όπου παρατηρήθηκε εξαιρετικά χαμηλό κατώφλι οπτικού περιορισμού για όλα τα μήκη κύματος διέγερσης, από το ορατό έως και το κοντινό υπέρυθρο και έτσι δείχθηκε επιπλέον η αποδοτική λειτουργία του φαινομένου σε πολύ ευρεία φασματική περιοχή (broadband optical limiting).