Στο επίκεντρο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, βρίσκεται η μελέτη μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων, σύνθετων δομών κβαντικών τελειών οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO). Αρχικά θα κάνουμε μια γρήγορη επισκόπηση των ιδιοτήτων των νανοδομημένων συστημάτων, περίπτωση των οποίων αποτελούν οι ημιαγώγιμες κβαντικές τελείες, καθώς και οι σύνθετες νανοδομές του ZnO, ενώ θα επισημάνουμε και τον στόχο που καλείται να εκπληρώσει η εργασία μας. Προκειμένου να υπολογίσουμε την ηλεκτρονική δομή του συστήματος που εξετάζουμε, χρησιμοποιούμε την μέθοδο PMM (Potential Morphing Method), τις βασικές αρχές της οποίας παραθέτουμε στο δεύτερο κεφάλαιο. Στο επόμενο κεφάλαιο παρουσιάζουμε το θεωρητικό μας μοντέλο, βασισμένο στην μέθοδο των πλατών πιθανότητας για τον αναλυτικό υπολογισμό της γραμμικής (1) και της μη γραμμικής οπτικής επιδεκτικότητας (3), οι οποίες και αποτυπώνουν τις οπτικές ιδιότητες του συστήματος μας. Τέλος περιγράφουμε την δομή του σύνθετου συστήματος κβαντικών τελειών πυρήνα/κελύφους (core/shell quantum dots), παραθέτουμε τα αποτελέσματα του υπολογισμού της ηλεκτρονικής δομής και παρουσιάζουμε την συμπεριφορά της γραμμικής, της μη γραμμικής καθώς και της ολικής επιδεκτικότητας του συστήματος που εξετάζουμε, μέσω διαγραμμάτων και του απαραίτητου σχολιασμού των αποτελεσμάτων μας. / At the center of our interest in this thesis lies the study of nonlinear optical properties of complex Zinc Oxide (ZnO) quantum dots structures. At first we will have a short review of the nanostructured systems properties in general and then we will discuss the properties of semiconductor quantum dots as well as the complex ZnO nano-structures. We will also notify the goal of this thesis. In order to calculate the electronic structure of our investigating system we will use the PMM (Potential Morphing Method) method, the basic principles of which we quote on the second chapter. In the next chapter we present our theoretical model, based in the probability amplitudes method, for the analytical calculation of both the linear (1) and nonlinear susceptibility (3) which illustrate the optical properties of our system. At the end we describe our complex core/shell quantum dots system, we quote the results of the electronic structure calculation and we present the behaviour of linear, nonlinear as well as the total susceptibility of our system through graphs and the necessary discussion of our results.

Στην παρούσα Ειδική Ερευνητική Εργασία ερευνώνται οι οπτικές ιδιότητες των νανοκρυσταλλικών κβαντικών τελειών CuInS2/ZnS, γνωστές ως CIS/ZnS QDs, τόσο με τη χρήση φασματοσκοπίας σταθερής κατάστασης όσο και με τη χρήση φασματοσκοπίας χρονικής ανάλυσης με την τεχνική Time Correlated Single Photon Counting. Ειδικότερα, διερευνώνται οι μηχανισμοί που εμπλέκονται στη διαδικασία της εκπομπής φωτός, η επίδραση που έχει η πολικότητα του διαλύτη και η συγκέντρωση των κβαντικών τελειών, όταν είναι διαλυμένες εντός διαλύματος, καθώς και η αλληλεπίδραση μεταξύ των κβαντικών τελειών όταν είναι εναποτιθέμενες σε υμένια, είτε με την τεχνική drop-casting είτε με spin-coating. Τόσο η αύξηση της συγκέντρωσης των κβαντικών τελειών όσο και η αύξηση της πολικότητας του διαλύτη προκάλεσε τη μετατόπιση του εξιτονικού ώμου και του μήκους κύματος μέγιστης εκπομπής προς το ερυθρό, στα φάσματα σταθερής κατάστασης. Επίσης η μετατόπιση της φωτοφωταύγειας των CIS/ZnS QDs προς το ερυθρό ήταν μεγαλύτερη στα υμένια που είχαν παρασκευασθεί με την τεχνική drop-casting από τα υμένια με το ίδιο υπόστρωμα που είχαν παρασκευασθεί με την τεχνική spin-coating. Με χρήση φασματοσκοπίας χρονικής ανάλυσης, ανιχνεύθηκε η ύπαρξη τριών μηχανισμών στα διαλύματα με χρόνους ζωής 1-3, 20-40 και 200-300 ns, ενώ στα υμένια προστέθηκε ένας επιπλέον μηχανισμός με χρόνο ζωής από μερικές εκατοντάδες ps έως 4 ns. Ο χαρακτήρας της αποδιέγερσης των QDs στα υμένια κυμαίνεται μεταξύ διεκθετικού και τετραεκθετικού ανάλογα με το δείγμα και το μήκος κύματος ανίχνευσης. Το περίεργο χαρακτηριστικό του νέου μηχανισμού που ανιχνεύθηκε στα υμένια είναι ότι γίνεται πιο γρήγορος και πιο αποδοτικός καθώς το μήκος κύματος ανίχνευσης αυξάνει. Ένας παρόμοιος μηχανισμός δεν έχει αναφερθεί σε άλλες εργασίες με CIS/ZnS QDs, ενώ έχει αναφερθεί σε παλιότερες εργασίες με PbS QDs τόσο σε διαλύματα όσο και σε στερεά υμένια. Η μετατόπιση των πυκνών υμενίων προς το ερυθρό σε σχέση με τα αραιά αποτελεί ένδειξη της ύπαρξης μεταφοράς ενέργειας μεταξύ QDs διαφορετικών μεγεθών. / In this Master Thesis, the optical properties of CuInS2/ZnS nanocrystal quantum dots are investigated. For this purpose both steady state and time resolved spectroscopy, specifically the Time Correlated Single Photon Counting technique, were used. The photoluminescence properties of CuInS2/ZnS quantum dots, commonly known as CIS/ZnS QDs, either dissolved in solutions of different concentrations and solvent polarities or deposited on films made by spin-coating or drop-casting are studied. Either in the absorption and the photoluminescence steady state spectra, a red-shift both in the excitonic transition and the wavelength of the maximum intensity was observed as the concentration of the CIS/ZnS QDs or the polarity of the solvent increased. In films, a red-shifted photoluminescence spectrum is observed for films made by drop-casting compared to those prepared by spin-coating, having the same substrate material. By using time-resolved photoluminescence spectroscopy a three-exponential decay was observed in solutions, with time constants 1-3, 20-40 and 200-300 ns, while decays in films, apart from the three mechanisms also observed in solutions, also exhibit a fast decay component with a lifetime varying from some hundreds of ps until 4 ns. The attitude of the decay in films varies from two-exponential to four-exponential and it depends on the samples and the detection wavelength. The strange characteristic of the new mechanism which was detected in films is that its lifetime becomes shorter and its pre-exponential factor increases with the detection wavelength. To the best of our knowledge, such a faster decay as the emission wavelength increases has never been reported for CIS/ZnS QDs, but it has been reported for PbS QDs either diluted in solution or deposited in polymeric matrices. The time resolved photoluminescence spectra in the drop-casted films experience a larger transient red-shift than the spin-coated ones, indicative of a possible energy transfer among adjacent QDs with different diameters.

Μια σχετικά νέα περιοχή έντονης ερευνητικής δραστηριότητας ασχολείται με τη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων κβαντικών συστημάτων (ατόμων/μορίων και ημιαγώγιμων κβαντικών τελειών) συζευγμένων με πλασμονικές (μεταλλικές) νανοδομές. Τα ισχυρά πεδία και ο έντονος περιορισμός του φωτός που σχετίζονται με τους πλασμονικούς συντονισμούς οδηγούν σε ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και των κβαντικών συστημάτων κοντά σε πλασμονικές νανοδομές. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας τα κβαντικά συστήματα μπορεί να επιτευχθεί εξωτερικός έλεγχος των οπτικών ιδιοτήτων της υβριδικής φωτονικής δομής. Στη διδακτορική διατριβή μελετάται θεωρητικά και υπολογιστικά η οπτική απόκριση συμπλεγμάτων κβαντικών συστημάτων με μεταλλικές νανοδομές, δίνοντας έμφαση σε μη-γραμμικές και κβαντικές οπτικές διαδικασίες. Στα συστήματα αυτά τα επιφανειακά πλασμόνια των μεταλλικών νανοδομών επηρεάζουν σημαντικά, τόσο το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που αλληλεπιδρούν τα κβαντικά συστήματα, όσο και το ρυθμό αυθόρμητης εκπομπής των κβαντικών συστημάτων. Μελετάμε απλές και πολύπλοκες μεταλλικές νανοδομές, όπως μια μεταλλική νανοσφαίρα και μια διδιάστατη διάταξη διηλεκτρικών νανοσφαιρών επικαλυμμένων με μέταλλο (μεταλλικοί νανοφλοιοί). Τα κβαντικά συστήματα είναι άτομα/μόρια και κυρίως ημιαγώγιμες κβαντικές τελείες και περιγράφονται από συστήματα δύο, τριών και τεσσάρων ενεργειακών επιπέδων. Δείχνουμε ότι, φαινόμενα όπως δημιουργία κβαντικής συμβολής στην αυθόρμητη εκπομπή, σύμφωνη ελεγχόμενη αναστροφή πληθυσμού, οπτική διαφάνεια και κέρδος χωρίς αναστροφή πληθυσμού, δημιουργία αργού φωτός, τροποποιημένη οπτική μη-γραμμικότητα Kerr και μίξη τεσσάρων κυμάτων, όπως και φαινόμενα ελέγχου μέσω φάσης, εμφανίζονται στα κβαντικά συστήματα και τροποποιούνται σημαντικά λόγω της ύπαρξης της μεταλλικής νανοδομής. / A relatively new area of active research involves the study of the optical properties of quantum systems (atoms/molecules and semiconductor quantum dots) coupled to plasmonic (metallic) nanostructures. The large fields and the strong light confinement associated with the plasmonic resonances enable strong interaction between the electromagnetic field and quantum systems near plasmonic nanostructures. In addition, using the quantum system one may achieve external control of the optical properties of the hybrid photonic structure. In this thesis we analyze both theoretically and computationally the optical response of hybrid nanosystems comprised of quantum emitters and plasmonic nanostructures. We put emphasis on the study of nonlinear and quantum optical processes. In these systems the spontaneous decay rate and the electromagnetic field that interacts with the quantum emitter is significantly modified by the surface plasmons of the plasmonic nanostructures. We study cases of both simple and more involved plasmonic nanostructures. An example of a simple plasmonic nanostructure considered in this thesis is a metallic nanosphere, while a more involved one is a two-dimensional array of metal-coated dielectric nanospheres. The quantum systems are atoms/molecules and especially semiconductor quantum dots and are described by two-level, three-level or four-level systems. We find that several coherent optical phenomena that happen in the quantum systems can be strongly influenced by the presence of the plasmonic nanostructure. Specifically, we show that effects such as quantum interference in spontaneous emission, controlled population inversion, optical transparency and gain without inversion, slow light, enhanced nonlinear optical Kerr effect and four-wave mixing as well as phase-dependent absorption and dispersion profiles can be created and modified.

Στην εργασία αυτή μελετούμε φαινόμενα μεταβατικής (χρονικά εξαρτημένης) απορρόφησης σε δύο συστήματα κβαντικών τελειών, κάτω από συνθήκες που οδηγούν τις κβαντικές τελείες να εμφανίσουν σε στάσιμη κατάσταση φαινόμενα οπτικής διαφάνειας, και πιο συγκεκριμένα ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενη διαφάνεια και οπτική διαφάνεια λόγω εξωτερικού δυναμικού. Μετά από μια σχετικά σύντομη εισαγωγή στις κβαντικές τελείες και στο φαινόμενο και την ιστορία της ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενης διαφάνειας, τα συστήματα των κβαντικών τελειών μελετώνται με την μεθοδολογία του πίνακα πυκνότητας, η οποία αναπτύσσεται στην παρούσα εργασία. Τα αποτελέσματα που εξάγουμε προκύπτουν από αριθμητικές λύσεις των αντίστοιχων εξισώσεων του πίνακα πυκνότητας για διάφορες τιμές παραμέτρων. / In this thesis we study transient absorption in two quantum dot systems under the conditions of optical transparency. We will study two types of transparency; the first is voltage-controlled transparency and the second electromagnetically induced transparency. The thesis starts with a short introduction in quantum dot nanostructures that is followed by an introduction to the phenomenon and the history of electromagnetically induced transparency. We then study the coherent interaction of the electromagnetic fields with the quantum dots with the methodology of the density matrix that is analysed in the thesis. We solve the appropriate density matrix equations numerically for the structures under study and present results for several system parameters.

Η διασπορά κβαντικών τελειών ως πυρήνων αταξίας σε οργανωμένα συστήματα, έχει προσελκύσει επιστημονικό ενδιαφέρον και ερευνητικές δραστηριότητες, τόσο στο πεδίο της φυσικής στερεάς κατάστασης, όσο και σε αυτό της επιστήμης των υλικών. Δεν είναι σπάνια η διαπίστωση ότι υβριδικά συστήματα που προκύπτουν από συνδυασμούς όπως αυτός των υγρών κρυστάλλων και των νανοσωματιδίων, παρουσιάζουν αξιοσημείωτες και συχνά αναπάντεχες νέες ιδιότητες. Το θέμα της παρούσας διδακτορικής διατριβή κινείται σε δύο άξονες: το σχεδιασμό και την χημική σύνθεση κβαντικών τελειών επιφανειακά κατεργασμένων, για ελεγχόμενη αλληλεπίδραση με υγρούς κρυστάλλους, και τη μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων των σύνθετων νανοδομημένων υγροκρυσταλλικών συστημάτων, που σχηματίζονται με διασπορά των νανοσωματιδίων αυτών σε χειρόμορφους θερμοτροπικούς υγρούς κρυστάλλους. Στο πρώτο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται η χημική σύνθεση και επιφανειακή τροποποίηση κβαντικών τελειών CdSe, με υδρόφοβες επιφανειοδραστικές ομάδες τρι– οκτυλοφωσφίνης (TOP)/ελαϊκής αμίνης (ΟΑ), TOP/οκταδεκυλαμίνης, ΤOP/δωδεκυλα-μίνης, TOP/οκτυλαμίνης και τριφαινυλφωσφίνης/τριφαινυλαμίνης. Ο χαρακτηρισμός της δομής και των οπτικών ιδιοτήτων των νανοσωματιδίων έγινε με περίθλαση σκόνης ακτίνων Χ, φασματοσκοπία υπεριώδους–ορατού και φασματοσκοπία υπερύθρου, ενώ για τη διερεύνηση της μορφολογίας τους και τον προσδιορισμό των διαστάσεών τους, χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης. Οι χημικές συνθέσεις, βασισμένες στην θερμολυτική διάσπαση οργανομεταλλικών ενώσεων, οδήγησαν σε επιτυχημένη παραγωγή σφαιρικών νανοσωματιδίων, μέσης διαμέτρου 3–4 nm, με στενή κατανομή μεγεθών και καλή διαλυτότητα σε οργανικούς διαλύτες. Στη συνέχεια μελετήθηκαν οι επιπτώσεις από τη διασπορά των νανοσωματιδίων CdSe με TOP και OA, με μέση διάμετρο 3.2 nm στη θερμοδυναμική και μοριακή οργάνωση χειρόμορφων υγρών κρυστάλλων, με τις τεχνικές της θερμιδομετρίας εναλλασσόμενης θερμικής εισόδου και με περίθλαση σκόνης ακτίνων Χ. Το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στη θερμοκρασιακή περιοχή των Μπλε φάσεων και στη μετάπτωση φάσης SmA–SmC*. Οι Μπλε φάσεις παρόλο που παρουσιάζουν εξέχουσες ιδιότητες για καινοτόμες εφαρμογές στη βιομηχανία οθονών και αισθητήρων, ωστόσο, είναι σταθερές σε πολύ στενά θερμοκρασιακά εύρη, μεταξύ Ισοτροπικής και Χειρόμορφης Νηματικής φάσης, γεγονός που δεν ευνοεί τη χρήση τους. Οι πειραματικές μετρήσεις αποκάλυψαν νέα φαινόμενα, όπως τη σταθεροποίηση της θερμοκρασιακής περιοχής της Μπλε φάσης ΙΙΙ (BPIII) σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος, σε σχέση με τον αμιγή υγρό κρύσταλλο, και τη μετατόπιση των θερμοκρασιών μετάπτωσης σε μικρότερες τιμές. Η θεωρητική μελέτη που πραγματοποιήθηκε καταδεικνύει ισχυρή αλληλεπίδραση των νανοσωματιδίων με τις σειρές πλεγματικών ατελειών του υγρού κρυστάλλου. Παράλληλα τα αποτελέσματα φανερώνουν ότι ο χαρακτήρας Μέσου Πεδίου–Landau της μετάπτωσης SmA–SmC*, για το ίδιο σύστημα, δεν αλλοιώνεται. Η αλληλεπίδραση των κβαντικών τελειών CdSe με επιφανειακή δραστικοποίηση ΟΑ και TOP με χειρόμορφους υγρούς κρυστάλλους, παρέχει δυνατότητες και δημιουργεί σημαντικές προϋποθέσεις για νέες τεχνολογικές εφαρμογές και επιστημονικές εξελίξεις. / One dimensional semiconductor structures are intriguing materials for both fundamental research and industrial applications. On the other hand the long-range nature of the orientational order of liquid crystals is responsible for many fascinating optical, electromechanical and critical properties of these materials. Hybridization of these two fields may lead to novel materials with unusual optical and physical properties that are of considerable importance for technological applications as well as for basic physics studies on phase transitions and critical phenomena. In this context, complex soft materials were formulated that result from the dispersion of surface functionalized quantum dots in thermotropic chiral LCs. Special attention was paid to the synthesis and properties of the nanocrystals and to the dispersion state, as well as to the thermal and structural study of the composite materials. In the first part of this Thesis a chemical approach for the synthesis of semiconducting quantum dots is presented. The method, based on the thermolytic decomposition of organometallic compounds, leads to the production of spherical nanocrystalline particles highly soluble in organic media, with an average diameter of 3.2 nm, capped with a variety of amine and phosphine molecules. The as-synthesized nanoparticles were characterized by means of powder X-ray diffraction, ultraviolet–visible spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and transition electron microscopy. The second part of the Thesis is concentrated on the effects upon the Blue phases and smectic-A to chiral smectic-C* phase transition of the liquid crystal CE8, arising from the dispersion of CdSe quantum dots, surface-treated with oleylamine and trioctylphosphine. For this purpose, ac calorimetry and X-ray scattering studies have been carried out. Liquid– crystalline blue phases exhibit exceptional properties for applications in the display and sensor industry. However, in single component systems, they are stable only for a very narrow temperature range between the isotropic and the chiral nematic phase, a feature that severely hinders their applicability. The systematic high-resolution calorimetric studies revealed that Blue phase III is effectively stabilized in a wide temperature range by mixing surface-functionalized nanoparticles with chiral liquid crystals. The calorimetric measurements also revealed substantial downshifts of the transition temperature. Theoretical arguments show that the aggregation of nanoparticles at disclination lines is responsible for the observed effects. Furthermore, it was found that at the SmA–SmC* phase transition, as a function of increasing nanoparticle concentration, the heat capacity anomalies display an extended-mean-field to mean-field–like crossover behavior, while the temperature dependence of the tilt angle remains bulk-like with no occurrence of pretransitional effects. The interaction of CdSe quantum dots with the cores of disclination lines gains further support, as bound disclination lines are expected to affect smectic–smectic phase transitions in a very limited manner.