Μελέτη των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων δισδιάστατων νανο-ϋλικών και άλλων φωτονικών υλικών
Authors: Σταύρου Μιχάλης 
Published: October 2023

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. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνώνται οι μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες αυτών των νανοδομών. Πιο συγκεκριμένα, σε αυτή τη μελέτη συντέθηκαν και χαρακτηρίστηκαν με διάφορες φασματοσκοπικές μεθόδους, οξείδια του γραφενίου με διαφορετικά ποσοστά προσμίξεων Β ή/και Ν, χημικά τροποποιημένα πυριτένια, ορισμένα TMDs μεταλλικής και ημιαγώγιμης φάσης, ορισμένα non-van der Waals 2D υλικά και ορισμένα νανοσωματίδια οξειδίου του χαλκού. Έπειτα, χρησιμοποιήθηκαν παλμικές οπτικές διεγέρσεις σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες εκτεινόμενες από ns (10-9s) έως fs (10-15s) για την μελέτη των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων τους μέσω των τεχνικών Z-scan και οπτικού φαινομένου Kerr (OKE). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι διάφοροι παράγοντες όπως το είδος και το ποσοστό των προσμίξεων ετεροατόμων, το είδος της χημικής τροποποίησης, η κρυσταλλική φάση, τα φαινόμενα κβαντικού περιορισμού και ο αριθμός των φύλλων, επηρεάζουν τη μη γραμμική οπτική απόκριση αυτών των συστημάτων.