Υπερταχεία δυναμική φωτοαπόκριση σε νανοδομημένα υβριδικά υλικά και διατάξεις
Authors: Λιάρος Νικόλαος 
Published: August 2021

Με την ανάπτυξη των λέιζερ και την εξέλιξη της τεχνολογίας, κατέστη δυνατή η λεπτομερής διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης. Με την διεξαγωγή των πρώτων πειραμάτων με ακτινοβολίες λέιζερ, διαπιστώθηκε ότι όταν η ύλη διεγείρεται με ακτινοβολίες υψηλών εντάσεων, λαμβάνουν χώρα φαινόμενα τα οποία εξαρτώνται από την ένταση της ακτινοβολίας, όπως για παράδειγμα η γένεση νέων συχνοτήτων. Έτσι, πολύ γρήγορα αναπτύχθηκε ένας νέος κλάδος για τη μελέτη των φαινομένων αυτών, ο κλάδος της μη γραμμικής οπτικής. Τα φαινόμενα που μελετά η μη γραμμική οπτική, είναι φαινόμενα τα οποία εκδηλώνονται σε μεγάλες εντάσεις, εντάσεις στις οποίες το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο γίνεται συγκρίσιμο με αυτό που συγκρατεί τα ηλεκτρόνια στο άτομο. Και σημαντικό είναι να τονισθεί ότι, αν και στις περισσότερες φορές το αν εξαρτάται ένα φαινόμενο από την ένταση της διεγείρουσας ακτινοβολίας αποτελεί το κριτήριο για το αν το φαινόμενο αποτελεί κομμάτι της μη γραμμικής οπτικής απόκρισης, εντούτοις υπάρχουν και μη γραμμικά φαινόμενα τα οποία εξαρτώνται από την πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας. Τα φαινόμενα αυτά συνδέονται κυρίως με τη διάρκεια των παλμών, και συνήθως συνοδεύονται από απορρόφηση ακτινοβολίας. Παράλληλα, η ανάπτυξη παλμικών λέιζερ έδωσε τη δυνατότητα στο να αναπτυχθούν φασματοσκοπικές τεχνικές, οι οποίες θα μπορούσε να πει κανείς ότι λειτουργούν σαν φωτογραφική μηχανή, συλλαμβάνοντας στιγμιότυπα εξαιρετικά μικρά σε χρονική διάρκεια, με διακριτική ικανότητα ίση με τη διάρκεια των παλμών λέιζερ, δίνοντας σημαντικές πληροφορίες οι οποίες οδηγούν στη βαθύτερη κατανόηση της απόκρισης της ύλης κατά τις πρώτες στιγμές της διέγερσης από μια δέσμη φωτονίων, καθώς και των μηχανισμών μέσω των οποίων λαμβάνει χώρα η αποκατάσταση.Υλικά με σημαντική μη γραμμική απόκριση βρίσκουν ήδη εφαρμογές στους τομείς της φωτονικής και την οπτό-ηλεκτρονικής. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικοί περιοριστές για την προστασία ευαίσθητων ανιχνευτών και διατάξεων υψηλού κόστους από δέσμες λέιζερ υψηλής έντασης, ενώ επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικοί διακόπτες και οπτικές δίοδοι, με το πλεονέκτημα στην περίπτωση αυτή να είναι ότι δε θα χρειάζεται μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρονικό, διαδικασία η οποία είναι ανεπιθύμητη λόγω της καθυστέρησης που επάγει στην διάδοση μια πληροφορίας.Επίσης, υλικά που εμφανίζουν υπερβραχεία ηλεκτρονιακή απόκριση, έχουν ελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας για τη χρησιμοποίησή τους σε μια πληθώρα καίριων τεχνολογικών εφαρμογών, με το ενδιαφέρον πλέον να εστιάζεται σε νανοσωματίδια ημιαγωγών, αφού στην περίπτωση που οι διαστάσεις της ύλης περιορίζονται στην κλίμακα των μερικών νανομέτρων, τα υλικά εμφανίζουν μοναδικές ιδιότητες, που είναι εντελώς διαφορετικές από τις αντίστοιχες που επιδεικνύουν σε μακροσκοπικές διαστάσεις (bulk material).Στην εργασία αυτή, μελετήθηκε εκτενώς η μη γραμμική οπτική απόκριση τρίτης τάξης παραγώγων του γραφενίου, όπως του οξειδίου του γραφενίου και του φθοριωμένου γραφενίου. Τα υλικά αυτά επιλέχθηκαν διότι τις τελευταίες δύοδεκαετίες, αλλότροπες μορφές άνθρακα, όπως τα φουλλερένια (0-D) και οινανοσωλήνες άνθρακα (1-D) βρέθηκε να εμφανίζουν σημαντική μη γραμμικήαπορρόφηση, και οπτικό περιορισμό, και θα είχε ιδιαίτερο ενδιαφέρον μια μελέτηδιδιάστατων (2-D) υλικών με βάση τον άνθρακα.Μελετήθηκαν επίσης οι μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες τρίτης τάξης μερικώνπρόσφατα συντεθειμένων π-συζυγιακών αζοβενζολικών παραγώγων. Τααζοβενζόλια, τα οποία εμφανίζουν στέρεο-ισομερισμό, έχουν μελετηθεί εκτενώς τηντελευταία δεκαετία, και έχει βρεθεί να εμφανίζουν ιδιαίτερα υψηλή μη γραμμικήοπτική απόκριση. Σκοπός της μελέτης ήταν να μελετηθεί η επίδραση του μήκουςσυζυγίας και της μεταφοράς φορτίου στη μη γραμμική οπτική απόκριση τωνσυμμετρικών αζοβενζολικών παραγώγων, καθώς επίσης και επίσης να διερευνηθεί ησυνεισφορά του κάθε ισομερούς (cis/trans) στη μη γραμμικότητα.Ένα σημαντικό μέρος της εργασίας αφιερώθηκε στη συστηματική μελέτη τωνμη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων και της υπερταχείας δυναμικής απόκρισηςνανοσωματιδίων μαγκεμίτη (γ-Fe2O3). Στη βιβλιογραφία υπάρχουν αναφορές για τιςγραμμικές και μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες νανοσωματιδίων γ-Fe2O3, όμωςσυστηματική μελέτη της επίδρασης του μεγέθους στη μη γραμμική οπτική απόκρισητρίτης τάξης δεν έχει αναφερθεί έως τώρα. Παράλληλα, ενδιαφέρον παρουσιάζει καιη μελέτη της επίδραση του μεγέθους στην υπερταχεία δυναμική φωτό-απόκριση,διότι μπορεί να δώσει χρήσιμές πληροφορίες για την επανασύνδεση των φορέων καιπως αυτή επηρεάζεται όταν περιορίζεται το μέγεθος των ημιαγώγιμωννανοσωματιδίων. Η γνώση αυτή μπορεί επίσης να δώσει πολύτιμές πληροφορίες γιατην κατανόηση των μηχανισμών που οδηγούν στη μη γραμμική οπτική απόκριση.Τέλος, μελετήθηκε η υπερταχεία δυναμική απόκριση τριών διαφορετικώνψηφίδων άνθρακα (carbon dots). Τα εν λόγω νάνο-υλικά αποτελούν αντικείμενοεκτεταμένης έρευνας από την πρώτη στιγμή της (πρόσφατης) ανακάλυψής τους,κυρίως λόγω του έντονου φθορισμού που εμφανίζουν, ενώ πολύ πρόσφατες μελέτεςέδειξαν ότι εμφανίζουν και ενδιαφέρουσες μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες. Υπό αυτότο πρίσμα, η συστηματική μελέτη της δυναμικής απόκρισής τους παρουσιάζειενδιαφέρον, διότι θα δώσει πληροφορίες για τους μηχανισμούς αποκατάστασης τουφορτίου, πληροφορίες σημαντικές για διάφορες εφαρμογές (φωτοβολταϊκή δράση, μηγραμμική οπτική απόκριση κ.α.).