Πολλοί από τους τομείς της επιστημονικής έρευνας, όπως χημεία, ενέργεια, βιομηχανία και ιατρική χρησιμοποιούν τη νανοτεχνολογία, με στόχο την παρασκευή υλικών, με καλύτερες και πιο εξειδικευμένες ιδιότητες σε σχέση με τα συμβατικά υλικά του μακρόκοσμου. Οι νανοσφαίρες λόγω των ποικίλων ιδιοτήτων που παρουσιάζουν, όπως οπτικές, μηχανικές, ηλεκτρικές κ.α., μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορους τομείς της καθημερινής μας ζωής με μεγαλύτερο ενδιαφέρον στον τομέα της υγείας. Η παρούσα ερευνητική εργασία πραγματοποιήθηκε με στόχο τη σύνθεση και τη μελέτη νανοσφαιρών οξειδίων του σιδήρου. Πιο συγκεκριμένα παρασκευάσθηκαν νανοσφαίρες αιματίτη (α – Fe2O3) και μαγγεμίτη (γ – Fe2O3) και μελετήθηκαν οι μαγνητικές τους ιδιότητες. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μία εισαγωγή – ιστορική αναδρομή στο χώρο της νανοτεχνολογίας και των νανοσφαιρών. Γίνεται επίσης αναφορά στους τρόπους σύνθεσης των νανοσφαιρών και αναφέρονται εν συντομία κάποιες ιδιότητες και εφαρμογές αυτών. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρονται κάποιες βασικές έννοιες οι οποίες είναι απαραίτητες για την κατανόηση των ταχνικών που θα χρησιμοποιηθούν. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι τρόποι με τους οποίους πραγματοποιείται η σύνθεση των νανοσφαιρών και περιγράφονται αναλυτικά, η μέθοδος λύματος – πηκτής (sol – gel) και η τεχνική του πολυμερισμού. Στο τρίτο κεφάλαιο αναφέρονται τα αντιδραστήρια καθώς επίσης και οι πειραματικές μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των νανοσφαιρών και τη μελέτη των ιδιοτήτων τους. Αναφέρονται επίσης τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν καθώς επίσης και οι βασικές αρχές λειτουργίας αυτών. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά η πειραματική διαδικασία που πραγματοποιήθηκε και γίνεται συζήτηση των αποτελεσμάτων. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο ανγράφονται τα συμπεράσματα και αναφέρονται μελλοντικοί στόχοι. / Nanotechnology is the study of the control of matter on an atomic and molecular scale and it’s main objective is the manufacture of new materials with better and more sophisticated properties. Nanotechnology is used in many different sciences like chemistry, physics and most of all in medicine. Nanospheres exhibit many diverse properties (electrical, optical etc) which render them the best solution for application such as drug delivery systems, Magnetic Resonance Imaging (MRI) agents, hyperthermia etc. The present work deals with the synthesis and characterization of magnetic nanospheres and more specifically in the study of magnetic properties of hematite (α – Fe2O3) and maghemite (γ – Fe2O3). The first chapter starts with a short introduction for nanospheres and nanotechnology . It reports also a quick historical review and some lines about new generation nanospheres, it’s properties and it’s applications. In the second chapter, polymerization and sol – gel techniques are described analytically. In the third chapter, reactants and experimental methods are described as well as some basic principles of the methods that were used to characterize the samples. The fourth chapter is the results and discussion session. Finally in the fifth chapter some conclusions and future targets are reported.

Η παρούσα ειδική ερευνητική εργασία συνιστά μια μελέτη των μη-γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων πέντε δειγμάτων νανοσωματιδίων οξειδίων μετάλλων. Κατ’ όνομα πρόκειται για το μονοξείδιο του Κοβαλτίου (CoO), το τετροξείδιο του Μαγγανίου (Mn3O4), το μονοξείδιο του Νικελίου (NiO), τον Αιματίτη (α-Fe2O3) και τον Μαγγεμίτη (γ-Fe2O3). Οι τρίτης τάξης οπτικές μη-γραμμικότητές τους διερευνήθηκαν με την πειραματική τεχνική Z-scan, της οποίας οι βασικές αρχές και οι πειραματικές λεπτομέρειες περιγράφονται στο δεύτερο κεφάλαιο της παρούσης. Ειδικότερα, δίδονται τεχνικές λεπτομέρειες για τις πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν, μελετώνται τα δύο κύρια φαινόμενα που αξιοποιεί η τεχνική, η μη-γραμμική διάθλαση και η μη-γραμμική απορρόφηση και γίνεται σύντομη μαθηματική περιγραφή και παράθεση της διαδικασίας ανάλυσης δεδομένων. Προηγείται των ανωτέρω μια περιεκτική θεωρητική θεμελίωση των βασικών αρχών της μη-γραμμικής οπτικής στο πρώτο κεφάλαιο. Αναπτύσσεται εκ των εξισώσεων Maxwell η μη-γραμμική κυματική εξίσωση. Περιγράφονται οι διεργασίες της γενέσεως δευτέρας αρμονικής, αθροίσματος και διαφοράς συχνοτήτων και διαδοχικά τα βαρύνουσας σημασίας φαινόμενα της αυτό-εστίασης, αυτό-απoεστίασης, κορέσιμης και ανάστροφα κορέσιμης απορρόφησης. Παρατίθεται εν συνεχεία ένας κβαντομηχανικός ορισμός της τρίτης τάξης μη-γραμμικής επιδεκτικότητος και τέλος περιγράφονται αναλυτικά οι μηχανισμοί συνεισφοράς στον μη-γραμμικό δείκτη διάθλασης, από την παραμόρφωση του ηλεκτρονικού νέφους, ως την ηλεκτροσυστολή και τα θερμικά φαινόμενα. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται θεωρητικά στοιχεία για τις ιδιότητες των νανοσωματιδίων οξειδίων μετάλλων, την επίδραση του μεγέθους στις εγγενείς ιδιότητες της ύλης και παραδείγματα των πιο ευρέως διαδεδομένων εφαρμογών τους. Εν συντομία δίδονται οι τεχνικές σύνθεσης και οι ενδελεχείς χαρακτηρισμοί που εφαρμόστηκαν με σκοπό να φωτιστούν πλευρές της κρύφιας και ασαφούς φύσης των νανοσωματιδίων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθενται λεπτομερώς οι πειραματικές μετρήσεις, από τα φάσματα απορρόφησης που ελήφθησαν για κάθε παρασκευασθείσα συγκέντρωση διεσπαρμένων νανοσωματιδίων, ως τις γραφικές παραστάσεις που αντιστοιχούν στην τεχνική Z-scan. Συγκεντρώνονται σε πίνακες όλες οι μη-γραμμικές οπτικές παράμετροι που υπολογίστηκαν και λαμβάνει χώρα αναλυτική συζήτηση για τα αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα ομαδοποιούνται, εξάγονται ενδιαφέροντα συμπεράσματα και γίνεται σύγκριση με τη βιβλιογραφία. / The present work, a master thesis, is a study of the nonlinear optical properties of five metal oxide nanoparticles, namely Cobalt monoxide (CoO), Manganese tetroxide (Mn3O4), Nickel monoxide (NiO), Hematite (α-Fe2O3) and Maghemite (γ-Fe2O3). Their third ordrer optical nonlinearities were investigated by the means of the Z-scan experimental technique. The basic principles and the experimental details of this technique are described in the second chapter of the present work. Moreover, technical details of the experimental setups used are presented, the two most important phaenomena involved in Z-scan, nonlinear absorption and nonlinear refraction are described, a brief mathematical description and the data analysis details are given. In the first chapter, a comprehensive theoretical basis of the principles of Non-linear Optics is firstly established. Initiating from Maxwell’s equations, the non-linear wave equation is developed step-by-step. The non-linear optical processes of second harmonic generation and sum/difference frequency generation are presented. Consecutively, the very important phaenomena of self-focusing, self-defocusing, saturable and reverse saturable absorption are described. In addition, a quantum-mechanic description of third order nonlinear susceptibility is briefly developed. At last, the contribution mechanisms to the nonlinear refractive index, from the deformation of the electron cloud to the electrostriction and the thermal effects are presented. In the third chapter, some theoretical information about the properties of metal oxides nanoparticles, along with the effects of their size to their behavior and their widely known applications are listed. In brief, the unique details of the synthesis and the assiduous characterization techniques, which were applied in order to illuminate the fringe nature of these nanoscale particles, are given. In the fourth chapter the experimental measurements are apposed in detail, from the UV-Vis-NIR spectra received for every one of the prepared dispersions, to the graphs built on the Z-scan experimental curves. All nonlinear optical parameters deduced, are summed into analytical tables and a lengthy discussion is taking place over all these results. Results are grouped and studied from different perspectives and a bibliographical comparison is done.