Το αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η αλληλεπίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με νανοδομημένους ημιαγωγούς. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε μια διάταξη καταγραφής φασμάτων φωτοφωταύγειας, συναρτήσει της θερμοκρασίας. Τα δείγματα που εξετάστηκαν περιέχουν νανοκρυστάλλους του πυριτίου. Ερευνήθηκαν δυο διαφορετικές προσεγγίσεις για την παρασκευή τέτοιων δειγμάτων. Η πρώτη αφορά την θερμική αποσύνθεση του SiO σε θερμοκρασίες άνω των 850 ºC και οδηγεί στην παρασκευή δειγμάτων με νανοκρυστάλλους πυριτίου σε μια μήτρα από οξείδιο του πυριτίου. Η δεύτερη είναι ο σχηματισμός πορώδους πυριτίου μέσω ανοδικής ηλεκτροδιάβρωσης, τόσο σε συνθήκες ανοδικής πόλωσης, όσο και σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος. Τα δείγματα που προήλθαν από θερμική αποσύνθεση του SiO επιδεικνύουν έντονη φωτοφωταύγεια, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, στο εγγύς υπέρυθρο και σε ενέργειες μεγαλύτερες του ενεργειακού χάσματος του πυριτίου (1.12 eV), ως αποτέλεσμα της εξιτονικής επανασύνδεσης υπό συνθήκες κβαντικού εντοπισμού. Τα φάσματα φωτοφωταύγειας και ο δομικός χαρακτηρισμός, έδωσαν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την αλληλεπίδραση και προέλευση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, της δομής και κινητικής του SiO που υπόκειται σε θερμική αποσύνθεση. Με την παρασκευή πορώδους πυριτίου, αναπτύχθηκε μια νέα μεθοδολογία για την ανάπτυξη μικροδομών πορώδους πυριτίου σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος, με απολύτως ελεγχόμενη γεωμετρία και ιδιότητες φωτοφωταύγειας. Η μεθοδολογία αυτή είναι ενδιαφέρουσα για την ανάπτυξη μιας πληθώρας μικρο-ηλεκτρομηχανικών συστημάτων βασισμένα στο πορώδες πυρίτιο, όπως οπτοηλεκτρονικές διατάξεις και αισθητήρες. / The objective of this Thesis is the study of the interaction of electromagnetic radiation with nanostructured semiconductors. For this purpose we have designed and constructed a photoluminescence setup for the recording of spectra at various temperatures. The samples that have been investigated contain nanocrystals of silicon. We investigated two different approaches for the synthesis of such samples. The first one involves the thermal decomposition of SiO at temperatures above 850 ºC and results in silicon nanocrystals embedded in silicon oxide matrix. The second is the formation of porous silicon using the anodic dissolution of silicon under external anodic bias, as well as under open circuit potential conditions. Samples prepared by thermal decomposition of SiO exhibit strong photoluminescence, at room temperature, in the near infrared and at energies higher than the band gap of bulk silicon (1.12 eV), as a result of excitonic recombination under quantum confinement conditions. The recorded spectra and the structural characterization, gave us valuable information about the interaction, the origin of the emitted radiation, the structure and the kinetics of SiO undergoing thermal decomposition. The investigations concerning the formation of porous silicon, resulted in the development of a novel technique for the formation of porous silicon microstructures under open circuit potential conditions. The microstructure geometry and photoluminescence characteristics can be tuned. This technique is interesting for the fabrication of a variety of micro-electromechanical systems, based on porous silicon, such as optoelectronic devices and sensors.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάστηκε στη μελέτη συστημάτων ακουστικής εκπομπής για απευθείας αναπαραγωγή ψηφιακού ήχου. Η ερευνητική διαδικασία βασίστηκε στον προσδιορισμό και βελτίωση των δυνατοτήτων δύο διαφορετικών υλοποιήσεων ακουστικής μετατροπής: i. Ένα υβριδικό πρωτότυπο θερμοακουστικό στοιχείο και ii. Μια συστοιχία 32 ηλεκτροδυναμικών μεγαφώνων σχεδιασμένη, ώστε να αναπαράγει ψηφιακά ηχητικά σήματα. Η θερμοακουστική μετατροπή προσφέρει μια εναλλακτική τεχνική για υλοποιήσεις ακουστικών στοιχείων. Είναι βασισμένη στο μετασχηματισμό των διακυμάνσεων της θερμικής ενέργειας σε ακουστικό κύμα που προκαλούνται από τη ροή του ηλεκτρικού σήματος ήχου σε μια συσκευή στερεάς κατάστασης που λειτουργεί χωρίς τη χρήση οποιουδήποτε κινούμενου τμήματος ή μηχανισμού. Η υλοποίηση αυτής της τεχνικής ηχητικής αναπαραγωγής, μελετάται με τη χρήση ενός πρωτότυπου μετατροπέα ο οποίος αναπτύχθηκε πάνω σε πλακέτα κρυσταλλικού πυριτίου (silicon wafer). H απόδοση της συσκευής αυτής βελτιώνεται ιδίως όσον αφορά στις μη γραμμικές παραμορφώσεις που προσθέτει ο φυσικός μηχανισμός κατά την αναπαραγωγή των ακουστών συχνοτήτων. Για τις ανάγκες της ερευνητικής μελέτης κατασκευάσθηκε εξειδικευμένο στάδιο οδήγησης, ενώ επίσης αναπτύχθηκαν εργαλεία που προσομοιώνουν την απόδοση αυτών των συσκευών. Οι ψηφιακές συστοιχίες μεγαφώνων (DLAs) σήμερα βασίζονται σε μικρούς μετατροπείς κινούμενου πηνίου για την ανακατασκευή ακουστικών σημάτων από ροές ψηφιακού ήχου. Τα σημαντικά ζητήματα απόδοσης για τα συστήματα αυτά αναλύονται από την παρούσα διατριβή, με στόχο να ερμηνευθεί η απόκριση συχνότητας και οι ρυθμοί των διακριτών (on/off) μεταβάσεων των μεγαφώνων, εξαιτίας των ψηφιακών σημάτων. Λεπτομερείς προσομοιώσεις που επιτρέπουν την πραγματοποίηση συγκρίσεων για μια πανομοιότυπη συστοιχία 32 μετατροπέων η οποία τροφοδοτείται από αναλογικά σήματα, σε παρόμοια τοποθέτηση και ενεργοποίηση των στοιχείων. Οι μελέτες αυτές παράγουν πρωτότυπα αποτελέσματα για τις απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια και την ευαισθησία της συστοιχίας, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι αυτά τα δύο συστήματα επιτυγχάνουν συγκρίσιμες επιδόσεις. / The present Phd Thesis is focused on the study of acoustic transduction systems for direct digital audio signal emission. The research process was based on the evaluation and optimization of the behavior of two different implementations: i. A novel hybrid thermoacoustic device and ii. A loudspeaker array consisting of 32 moving coil speakers designed for digital audio reproduction. Thermoacoustic transduction offers an alternative technique for transducer implementations, based on the transformation of thermal energy fluctuations into sound after the direct application of the electrical audio signal on a solid state device which operates without the use of any moving/mechanical components. Here, an implementation of this sound generation technique is studied based on a prototype developed on silicon wafer and its performance is optimised, especially with respect to non-linear distortions within the audio band. For the purposes of the research study a specialised driving circuit was constructed and also the appropriate tools were developed to simulate the performance of these devices. Digital loudspeaker arrays currently are based on small moving-coil speakers to reconstruct acoustic signals out of binary audio streams. An overview of significant performance issues for such systems is given here to explain frequency response and speaker discrete transition rates due to the digital data. Detailed simulations provided comparisons for a 32-speaker DLA with similar arrangements of speakers driven by analogue signals. These tests produce novel results for electrical power requirements and array sensitivity, concluding that these two systems achieve comparable performance.