Στην μεταπτυχιακή εργασία ειδίκευσης περιγράφεται η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νέων υβριδικών ανόργανων-οργανικών χαμηλοδιάστατων ημιαγωγών βασισμένων σε αλογονίδια του μολύβδου και διαφόρων χαλκογενιδίων μετάλλων για οπτικές και οπτικοηλεκτρονικές εφαρμογές. Για να γίνουν κατανοητές οι σχετικές έννοιες των χαμηλοδιάστατων ημιαγωγών αρχικά αναφερόμαστε στην κρυσταλλική δομή των στερεών, τη σχετική θεωρία των ενεργειακών ζωνών και ειδικότερα στους ημιαγωγούς. Με βάση αυτά αναπτύσσεται η θεωρία για τα χαμηλοδιάστατα ημιαγώγιμα συστήματα και ερμηνεύονται τα σχετικά κβαντικά φαινόμενα. Ειδικότερα, εξηγείται πως οι ιδιότητες που υπάρχουν στους τρισδιάστατους ημιαγωγούς αλλάζουν όταν το μέγεθος αυτών τροποποιηθεί και αποκτήσουν κάποια από τις τρεις διαστάσεις στην κλίμακα του νανομέτρου. Γίνεται αναφορά στους διάφορους τρόπους σύνθεσης νέων χαμηλοδιάστατων συστημάτων, στη μορφολογία τους καθώς και στις ιδιότητες και μεθόδους χαρακτηρισμού με έμφαση στις οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητές τους. Τέλος, δίνονται πρώτα αποτελέσματα διαφόρων χαμηλοδιάστατων ημιαγώγιμων συστημάτων μαζί με τη φασματοσκοπική και ηλεκτρική ανάλυση τους. Επίσης, αναλύονται οι ιδιότητες τους σε σχέση με απλά μοντέλα και συζητείται η εφαρμογή των συγκεκριμένων σε πιθανές εφαρμογές με βάση τις οπτικές ιδιότητες τους. / In this master thesis it is described the synthesis and the characterization of hybrid inorganic - organic low dimensional semiconductors based on lead halides and various metal chalcogenides for optical and optoelectronics applications. In order to become more comprehensive, the relative notions of low dimensional semiconductors, we initially report on the theory of energy bands for crystalline solids and more specifically for semiconductors. In such a context, the theory for the low dimensional semiconductor systems is presented and is interpreted in terms of the quantum theory. More specifically, we explain that properties that exist in the three-dimensional semiconductors change when these formed in such a way that one of their dimensions are in the nanometric scale. Also, report is being given in the various methods of synthesis of new low dimensional systems, in their morphology as well as in the attributes and methods of characterization with emphasis in the optical and electronic attributes. Finally, first results of new low dimensional semiconductors systems are presented along with their optical and electric characterization. Also, their attributes are analyzed concerning simple models as well as their application is discussed in possible applications with basis their optical attributes.

This thesis addresses novel nanocomposite materials by incorporating quantum dots, and other nanoentities, into polymer and sol-gel derived matrices, aiming to produce integrated photonic structures. Its objectives embrace the synthesis and the investigation of photonic materials, together with alternative fabrication methodologies enabling the effective integration of functional nanocomposite photonic structures, such as active waveguides, micro-ring structures and diffractive optical elements for sensing applications. Design, synthesis and characterization of nanocomposite materials in this context, involves QD incorporation in tailored-made polymers, synthesized using radical polymerization as well as QD embedment in titania matrices synthesized via sol-gel methods. Low cost sol-gel derived silica incorporating NiCl2 ¬ nanoentities was exploited in the proposed scheme of remote point sensing for ammonia detection. Commercially available hybrid organic/inorganic materials of the ORMOCER family are also used for structure fabrication. Further to microscopy, characterization of the materials mainly includes spectroscopic studies and refractive index measurements using reflectance interferometry. For the demonstration of complex photonic structures by using nanocomposites elaborated studies are presented here focusing on two fabrication methods: a) direct laser ablative microfabrication using ArF excimer radiation at λ=193 nm and, b) soft lithography. To achieve this, a fully automated ArF excimer laser microfabrication station was established comprising computer controlled nanopositioning and laser beam control, as well as various prototype materials synthesis and fabrication devices. QD/polymer computer generated holograms, waveguides and micro-ring structures were simulated, designed and fabricated. Specific protocols and method were established. A modified solvent-assisted soft lithography method was also used for micropatterning and fabrication of photonic structures using QD/polymer and QD/titania films in conjunction to common UV and thermally curable materials. A solvent vapor smoothing process was found to significantly enhance the quality of the structures as observed with scanning electron microscopy. QD/polymer computer generated holograms, diffractive optical elements, micro-ring structures, vertical cavity resonators and other advanced photonic structures comprising quantum dot nanocrystals and nano-entities are investigated. A new photonic sensing scheme is proposed and demonstrated here for remote, spatially-localized sensing. It comprises a low cost diffractive thin film of a sensing material remotely interrogated by use of light beams. A silica/NiCl2 system fabricated via the sol-gel methods and micropatterned using the direct laser ablative microfabrication method is demonstrated, to allow detection of as low as 1 ppm of ammonia. Finally, the merits of incorporating epitaxially grown quantum dots in highly resonant structures for signal amplification, namely vertical cavity semiconductor optical amplifier and micro-ring semiconductor optical amplifiers, are discussed. Such devices are demonstrated to lack a laser threshold if designed properly allowing for the full exploitation of the fast carrier dynamics of quantum dots by driving them at high currents, for amplification of high-bit-rate signals of up to 100 Gb/s. A rate equation theoretical model was developed which provides both performance prediction of the devices under discussion and design guidelines for threshold-less operation. This doctoral thesis served, as a whole, its main scope of providing a palette of materials and methods as well as some useful concepts for the fabrication of functional photonic structures and devices based on advanced nanocomposites. / Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετώνται νανοδομημένα υλικά με ενσωματωμένες κβαντικές ψηφίδες και άλλες νανο-οντότητες σε πολυμερή και ανόργανες μήτρες μέσω της μεθόδου sol-gel, στοχευοντας στην κατασκευή δομών ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων. Οι στόχοι της διατριβής επικεντρώνονται στην σύνθεση και μελέτη φωτονικών υλικών και στον συνδυασμό τους με εναλλακτικές μεθόδους κατασκευής φωτονικών δομών. Τα νανοσύνθετα υλικά που μελετήθηκαν παρουσιάζουν μια σειρά από φωτονικές ιδιότητες για την υλοποίηση φωτονικών δομών διαφόρων λειτουργικοτήτων όπως ενεργοί οπτικοί κυματοδηγοί, ενεργοί συντονιστές μικροδακτυλίου και περιθλαστικά οπτικά στοιχεία για φωτονικές εφαρμογές. Στα πλαίσια της σχεδίασης, σύνθεσης και χαρακτηρισμού αυτών των νανοδομημένων υλικών κβαντικές ψηφίδες ενσωματώθηκαν σε πολυμερικές μήτρες ειδικά σχεδιασμένες για τον σκοπό αυτό καθώς και σε ανόργανες μήτρες παρασκευασμένων με την μέθοδο sol-gel. Μελετήθηκαν ακόμα υλικά διοξειδίου του πυριτίου εμπλουτισμένα με νανο-οντότητες χλωριούχου νικελίου του για χρήση σε φωτονικούς αισθητήρες. Τα υλικά αυτά συνετέθησαν με μεθόδους χαμηλού κόστους και χρησιμοποιήθηκαν σε καινοτόμες διατάξεις φωτονικών αισθητήρων που περιγράφονται εδώ. Επιπλέον μελετήθηκαν υβριδικά οργανικά/ανόργανα υλικά ORMOCER για την κατασκευή μιας σειράς φωτονικών διατάξεων. Ο χαρακτηρισμός των υλικών που περιγράφονται εδώ πραγματοποιήθηκε με φασματοσκοπικές μεθόδους ενώ ο δείκτης διάθλασης τους μετρήθηκε με την τεχνική της ανακλαστικής συμβολομετρίας. Η κατασκευή και επίδειξη σύνθετων νανοδομημένων φωτονικών διατάξεων πραγματοποιήθηκε με δύο μεθόδους: α) την μέθοδο φωτο-εκρηκτικής αποδόμησης με χρήση excimer laser σε μήκος κύματος λ=193 nm και β) με την μέθοδο soft lithography. Για τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκε μια πλήρως αυτοματοποιημένη διάταξη μικροκατασκευής με χρήση ArF excimer laser στην οποία τόσο η πηγή laser όσο και η νανομετρική πλατφόρμα για την κίνηση του υπό διαμόρφωση δείγματος ελέγχονται από υπολογιστή. Η διάταξη αυτή χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή διαφόρων διατάξεων σε πολυμερικά υμένια με ενσωματωμένες κβαντικές ψηφίδες όπως υπολογιστικά σχεδιασμένων ολογραμμάτων, κυματοδηγοί και συντονιστές μικροδακτυλίου με γεωμετρικά χαρακτηριστικά που προκύπτουν από θεωρητικές προσομοιώσεις. Ακόμα αναπτύχθηκε μια παραλλαγή της μεθόδου soft lithography για την υποβοηθούμενη από χημικό διαλύτη φωτονικών δομών πολυμερικών μητρών και μητρών τιτανίας με ενσωματωμένες κβαντικές ψηφίδες σε συνδυασμό με κοινά υλικά σχεδιασμένα για την μέθοδο soft lithography και τα οποία διαμορφώνονται με έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία. Στην διατριβή αυτή παρουσιάζεται ακόμα μια καινοτόμα σχεδίαση φωτονικών αισθητήρων για την τοπική ανίχνευση διαφόρων χημικών ή φυσικών παραγόντων από απόσταση. Οι αισθητήρες αυτοί αποτελούνται από περιθλαστικές δομές κατασκευασμένες σε υμένα κατάλληλων υλικών, οι οπτικές ιδιότητες των οποίων ανιχνεύονται με τη χρήση δέσμης laser. Ένας τέτοιος περιθλαστικός αισθητήρας αμμωνίας υμενίου διοξειδίου του πυριτίου με ενσωματωμένες νανο-οντότητες χλωριούχου νικελίου παρουσιάζεται εδώ, του οποίου η περιθλαστική δομή κατασκευάστηκε με τη μέθοδο της φωτο-εκρηκτικής αποδόμησης με laser. Ο αισθητήρας αυτός παρουσιάζει εξαιρετική επίδοση και ικανότητα ανίχνευσης αμμωνίας συγκέντρωσης μόλις 1 ppm. Τέλος, συζητούνται τα πλεονεκτήματα της χρήσης κβαντικών ψηφίδων αναπτυγμένων με την επιταξιακές μεθόδους σε δομές οπτικών ενισχυτών ισχυρού συντονισμού, συγκεκριμένα σε οπτικούς ενισχυτές ημιαγωγού κάθετης κοιλότητας και οπτικούς ενισχυτές ημιαγωγού μικροδακτυλίου. Συγκεκριμένα, επιδεικνύεται με τη χρήση ενός θεωρητικού μοντέλου που αναπτύχθηκε εδώ πως με τον κατάλληλο σχεδιασμό είναι δυνατόν στις διατάξεις αυτές να αποτρέπεται πλήρως η λειτουργία laser με την απουσία ρεύματος κατωφλίου. Η ιδιαιτερότητα αυτή επιτρέπει την χρήση μεγάλων ρευμάτων και την συνεπακόλουθη εκμετάλλευση της γρήγορης δυναμικής των φορέων στις κβαντικές ψηφίδες για την αποτελεσματική ενίσχυση σημάτων υψηλών ταχυτήτων (μεχρι 100 Gb/s). Η Διαδακτορική διατριβη, υπηρετεί συνολικά τον κύριο σκοπό της προσφέροντας μια παλέττα υλικών και μεθόδων για την ανάπτυξη λειτουργικών φωτονικών δομών και διατάξεων βασισμένων σε προηγμένα νανοσύνθετα υλικά.

Η παρούσα εργασία περιλαμβάνει την μελέτη της μη γραμμικής οπτικής απόκρισης διμεταλλικών κραμάτων ευγενών μετάλλων και άλλων μεταλλικών συστημάτων νανοσωματιδίων, είτε περιβεβλημένα με πολυμερή, είτε εγκιβωτισμένα σε μικυλιακά συστήματα συμπολυμερών κατά συστάδες. Τα μέταλλα τα οποία επιλέχθηκαν για την παρασκευή των νανοσωματιδίων ήταν ο χρυσός (Au), ο άργυρος (Ag) και το παλλάδιο (Pd). Τα δύο πρώτα έχουν αποτελέσει τα τελευταία χρόνια αντικείμενο έρευνας σε μορφή κυρίως κολλοειδών διαλυμάτων ή μέσα σε άμορφες μήτρες (π.χ. υάλους) και πολυμερικές μήτρες, καθώς λόγω των εξαιρετικών μη γραμμικοτήτων τους βρίσκουν εφαρμογή σε πληθώρα εφαρμογών της φωτονικής και της οπτο-ηλεκτρονικής. Όσον αφορά τα νανοσωματίδια Pd, οι μη-γραμμικές οπτικές ιδιότητες τους έχουν μελετηθεί ελάχιστα (μόλις μερικές εργασίες στη διεθνή βιβλιογραφία), ενώ είναι η πρώτη φορά που μελετώνται εγκιβωτισμένα σε αμφι-φιλικά συμπολυμερή κατά συστάδες. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, διερευνήθηκε ο ρόλος του επιφανειακού πλασμονίου στην γραμμική και μη-γραμμική οπτική απόκριση νανοσωματιδίων Au, Ag και Pd, όταν αυτά διεγείρονται με ακτινοβολίες λέιζερ γύρω από την συχνότητα συντονισμού του πλασμονίου, καθώς αναμένεται σημαντική ενίσχυση. Στη συνέχεια αυτής της εργασίας, παρουσιάζονται οι μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες άλλων χαμηλοδιάστατων νανοδομών, όπως κβαντικών και ανθρακικών ψηφίδων. Στη περίπτωση αυτών, οι μη γραμμικοί μηχανισμοί που προκαλούν την ενίσχυση της απόκρισης τους είναι διαφορετικοί από αυτούς των μεταλλικών νανοδομών. Η δομή της εργασίας έχει ως ακολούθως: Στα δυο πρώτα κεφάλαια αναφέρονται οι βασικές έννοιες της μη γραμμικής οπτικής και φυσικές διεργασίες που σχετίζονται με αυτή, καθώς και οι πειραματικές τεχνικές Z-scan και Οπτικού Φαινομένου Kerr, που χρησιμοποιήθηκαν για τον χαρακτηρισμό των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων των νανοσυστημάτων. Τα επόμενα κεφάλαια είναι αφιερωμένα στα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από την μελέτη των μεταλλικών, ημιαγώγιμων και ανθρακικών νανοϋλικών. Συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο 3 γίνεται αναφορά στα πειραματικά αποτελέσματα των νανοσωματιδίων μεταλλικών κραμάτων, τα οποία παρασκευάσθηκαν στο Πανεπιστήμιο του Μόντρεαλ από την ερευνητική ομάδα του καθηγητή κ. Μ. Μeunier. Τα νανοσωματίδια χρυσού-αργύρου είχαν διαφορετικές περιεκτικότητες των δύο μετάλλων (δηλ. ΑuxAg(1-x)), ενώ ανάλογα με τη σύσταση τους παρουσίασαν μεταβλητές οπτικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένου και της θέση του επιφανειακού πλασμονίου. Η μελέτη των διαλυμάτων πραγματοποιήθηκε για μήκος κύματος διέγερσης στην ορατή φασματική περιοχή (δηλ. 532 nm), πολύ κοντά στο επιφανειακό πλασμόνιο του χρυσού. Η επίδραση του επιφανειακού πλασμονίου στην απόκριση των δυο μετάλλων αλλά και των διαφόρων κραμάτων που μελετήθηκαν ήταν εμφανής, προκαλώντας ενίσχυση με αύξηση της περιεκτικότητας σε χρυσό, ενώ ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσίασε η συμπεριφορά των κραμάτων υπό διέγερση ns παλμών, καθώς βρέθηκαν να έχουν θεμελιωδώς διαφορετικές ιδιότητες από αυτές του χρυσού και του αργύρου. Στο κεφάλαιο 4, παρουσιάζονται οι μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες συστημάτων πολυμερών/παλλαδίου. Μελετήθηκαν δυο ειδών συστήματα, τα υβριδικά μικυλιακά CbzEMAx-b-AEMAy/Pd και τα PVP/Pd, τα οποία παρασκευάσθηκαν στο τμήμα Μηχανολικών Μηχανολογίας και Κατασκευαστικής του Πανεπιστημίου Κύπρου υπό την επίβλεψη της Επ. καθηγήτριας κ. Κρασιά-Χριστοφόρου. Όπως αποδείχθηκε από τα αποτελέσματα της μελέτης, η απόκριση των συστημάτων δεν επηρεάζεται από το πολυμερικό περιβάλλον, ενώ καθορίζεται αποκλειστικά από το μέταλλο. Τέλος, σημαντικό ρόλο φάνηκε να παίζει το μέγεθος των σωματιδίων ή του μεταλλικού πυρήνα αντίστοιχα. Έπειτα, στο κεφάλαιο 5 μελετώνται χαμηλοδιάστατα υβριδικά συστήματα ιωδιούχου μολύβδου. Η σύνθεση των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο του Επ. καθηγητή του τμήματος Επιστήμης των Υλικών του Πανεπιστημίου της Πάτρας, κ. Κούτσελα. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε για διαλύματα μονοδιάστατων κβαντικών ψηφίδων των οκταεδρικών νανοδομών PbI6 και για αιωρήματα της διδιάστατης δομής (FpAH)2PbI4, η οποία απαρτίζεται από μονοστρωματικά φύλλα των δομικών μονάδων (PbI6)4-. Σε όλες τις πειραματικές συνθήκες, το διδιάστατο σύστημα παρουσίασε μια γιγαντιαία ενίσχυση της μη γραμμικότητας συγκριτικά με το μονοδιάστατο, φτάνοντας τις πέντε τάξεις μεγέθους. Τέλος, στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται η μη γραμμική οπτική απόκριση και ο οπτικός περιορισμός διαφόρων συστημάτων ανθρακικών ψηφίδων, φέροντας διαφορετικές οργανικές αλυσίδες στην επιφάνεια τους. Η σύνθεση των συστημάτων πραγματοποιήθηκε στο τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων από τον Επ. Καθηγητή κ. Μπουρλίνο. Οι διαφορές που εντοπίστηκαν μεταξύ των διαφόρων νανοϋλικών ήταν ουσιώδεις, υποδηλώνοντας τη δυνατότητα προσαρμογής και ελέγχου των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων, με κατάλληλη τροποποίηση της επιφάνειας των σωματιδίων. / In the present thesis, the third-order nonlinear optical (NLO) properties of metallic nanoparticles, either encapsulated in polymers or in block copolymers, as well as bimetallic nanoparticles are investigated. Among the purposes of this work is to examine metallic nanostructures based on palladium (Pd), which is one of the least studied metals regarding their nonlinear optical response. In this view, single Pd nanoparticles are compared with another class of recently synthesized Pd-based nanomaterials, i.e., Pd micellar nanohybrids. In addition, gold-silver alloyed nanoparticles are examined and compared with their monometallic counterparts, exhibiting substantial differences and potential application in optoelectronic devices and photonic applications. In all cases, the main motivation of this work is to take advantage of the surface plasmon resonance (SPR), located in the ultraviolet or visible spectral area, to enhance/tailor the NLO properties of the metallic/hybrid nanostructures. As a continuation of the low dimensional metallic structures, the NLO response of some carbon-dots and quantum-dots are investigated, aiming to examine the correlation of their optical nonlinearities with their structure and the origin of the NLO enhancement. Therefore, the structure of this thesis is as follows: Initially the basic concepts of nonlinear optics, the physical processes related with it, as well as the physical mechanisms related to the nonlinear refractive index will be presented. Moreover the equations, which describe the nonlinear optical susceptibilities (linear and nonlinear) will be derived. Then, reference will be made to the optical parameters related to the third order optical nonlinearity and to the experimental techniques which were employed for the determination of the nonlinearity, as well as to the procedure followed to derive the nonlinear optical parameters from the acquired experimental data. Moreover, in the beginning of chapter 3 the theory of SPR in metals will be explicitly presented, followed by the experimental results obtained by the Au-Ag nanoalloys. More in detail, AuxAg(1-x) nanoparticles with varying metallic content and optical properties (i.e., SPR) were excited with resonant irradiation conditions (i.e., close to the SPR maximum) both of ps and ns pulse duration. The results demonstrate a straightforward dependence of the NLO response on the gold molar fraction of the alloys, this being attributed to the different band structures of the systems, thus suggesting a mean of tailoring the NLO properties of bimetallic nanostructures. Also, it is shown that under ns laser excitation the nano-alloys exhibit fundamentally different behavior than pure Au and Ag nanoparticles. The samples were produced by fs laser ablation in the University of Montreal by the research group of Prof. Michel Meunier. In chapter 4, the NLO properties of various polymer/Pd systems will be presented. Two different type of materials were investigated: the hybrid micellar CbzeMAx-bAEMAy/Pd and PVP/Pd, which were synthesized in University of Cyprus under the supervision of Prof. Theodora Krasia-Christoforou. As shown, the polymeric environment does not affect the total NLO response, however it can be effectively used to define the size, shape and SPR properties of the nanohybrids. On the contrary, the size of Pd nanoparticles or the micellar core size was found to be determinative for the NLO behavior of the systems. Then, in chapter 5, some low-dimensional hybrid lead-iodide systems are investigated. Specifically, the PbI6 octahedral quantum dots and the two-dimensional (FpAH)2PbI4 structure, consisting of monolayers of (PbI6)4- corner sharing structural units are synthesized in University of Patras, by Prof. Ioannis Koutselas. Under all excitation conditions, the quantum wells were found to exhibit gigantic NLO response in comparison with the quantum dots, reaching even 5 orders of magnitude. Finally, in the last chapter, the NLO response and optical limiting action of a series of carbon-dots, bearing various organic chains attached on their surfaces, will be presented. The carbon-based materials were prepared in the University of Ioannina, by Prof. Athanasios Bourlinos. By comparing the various studied systems, it is shown that the surface passivation is the key to control the NLO behavior of these nanostructures. In this case, of great importance is the sp2/sp3 ratio and consequently the modification of the band structure of carbon-dots, since it can significantly affect their NLO properties.