Μελέτη νανοδομημένων υλικών για πλασμονικές και ενεργειακές εφαρμογές

• Κύριος συγγραφέας: Τσαρμποπούλου, Μαρία
• Άλλοι συγγραφείς: Tsarmpopoulou, Maria
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2023
• Θέματα: Νανοϋλικά; Πλασμόνια; Μεταλλικά νανοσωματίδια; Φάσμα ενέργειας-απορρόφησης; Συντονισμοί; Διηλεκτρικό μέσο; RCWA; Plasmonic applications; Nanoparticles

Τις τελευταίες δεκαετίες η επιστήμη της Νανοτεχνολογίας επάξια διεκδικεί εάν όχι μονοπωλεί το ενδιαφέρον της Επιστημονικής Κοινότητας έναντι των Κλασσικών Επιστημών όχι μόνο εξαιτίας των αξιοσημείωτων ιδιοτήτων που διακρίνουν τα νανοσωματίδια αλλά κυρίως λόγω της ευρύτητας του πεδίου έρευνας σε επίπεδο νανοκλίμακας. Η Διδακτορική Διατριβή «Μελέτη Νανοδομημένων Υλικών για Πλασμονικές και Ενεργειακές Εφαρμογές» πραγματεύεται σε υπολογιστικό περιβάλλον την μελέτη της συμπεριφοράς νανοσωματιδίων και δη μεταλλικών νανοσωματιδίων προκειμένου για την αποδοτικότερη αξιοποίηση των τελευταίων σε σύγχρονες εφαρμογές της μηχανικής και της ιατρικής. Σκοπό της παρούσας δεν αποτελεί η εκτεταμένη παρουσίαση και επεξήγηση του θεωρητικού υπόβαθρου που διακρίνει τα μεταλλικά νανοσωματίδια. Απεναντίας, η έρευνα που έλαβε χώρα στο πλαίσιο της εν λόγω διατριβής επιχειρεί την πρόβλεψη και την επαλήθευση της συμπεριφοράς των μεταλλικών νανοσωματιδίων σε θεωρητικό επίπεδο, μέσω της χρήσης υπολογιστικών εργαλείων. Οι πλασμονικοί συντονισμοί επί επιφάνειας μετάλλων “Surface Plasmon Resonances (SPRs) και ιδιαιτέρως οι εντοπισμένοι συντονισμοί (localized SPRs or LSPRs) με την μεταβολή κύριων μεταβλητών των νανοσωματιδίων όπως η γεωμετρία, το ύψος, η περιοδικότητα, το είδος του μετάλλου, το υλικό του διηλεκτρικού μέσου καθώς και άλλες μεταβλητές και συνθήκες αποτέλεσαν το αντικείμενο μελέτης της εν λόγω διατριβής. Με σκοπό την επαλήθευση των θεωρητικών αποτελεσμάτων και την διεξαγωγή αξιόπιστων συμπερασμάτων, μέρος της διατριβής αξιοποιήθηκε προκειμένου για την επιμέρους σύγκριση των παραγόμενων από την προσομοίωση θεωρητικών αποτελεσμάτων με τα αποτελέσματα των πειραματικών διατάξεων τα οποία αποτελούν προϊόν μελέτης άξιων Ερευνητών και Επιστημόνων των εργαστηρίων υλικών υψηλής τεχνολογίας του Τμήματος της Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Η RCWA Μεθοδος αποτέλεσε το υπολογιστικό μέσο προσομοίωσης της συμπεριφοράς των νανοσωματιδίων μεταφράζοντας κύριες συνθήκες των θερμικών κατεργασιών που καταλήγουν στην αυτό-οργάνωση των νανοσωματιδίων σε υπολογιστικές μεταβλητές. Η έρευνα επικεντρώθηκε στα ευγενή μέταλλα Άργυρο, Χρυσό, Παλλάδιο καθώς και στα πολυμερή του ακρυλικού υάλου και των πολυμερών του ισοπρενίου και βουταδιενίου. Η δομή της διατριβής διακρίνεται σε επτά (7) κεφάλαια. Τα πρώτα δύο (2) κεφάλαια είναι αμιγώς θεωρητικά στα οποία παρουσιάζεται και επεξηγείται το μοντέλο του πλάσματος καθώς και η RCWA Μέθοδος. Τα επόμενα τέσσερα (4) κεφάλαια συνοψίζουν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης αναφορικά με την συμπεριφορά των νανοσωματιδίων και την πρόκληση συντονισμών ενώ στο τέλος καθενός από τα κεφάλαια αυτά παρουσιάζονται συγκριτικά τα πειραματικά και θεωρητικά αποτελέσματα. Το έβδομο κεφάλαιο λειτουργεί ως σύνοψη όλων των ανωτέρω. Στο πρώτο κεφάλαιο εξετάζονται οι ταλαντώσεις πλάσματος, οι μαθηματικές εξισώσεις που οδηγούν στον υπολογισμό της χαρακτηριστικής συχνότητας πλάσματος, το φαινόμενο των πλασμονίων, τα είδη των πλασμονίων, τα επιφανειακά πλασμόνια, τα διαδιδόμενα και εντοπισμένα επιφανειακά πλασμόνια, η αναδρομή από την ανακάλυψη τους καθώς και οι εφαρμογές αυτών στην τελευταία 20ετία. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται εκτενής αναφορά στην RCWA Μέθοδο, η μοντελοποίηση της οποίας βρίσκει εφαρμογή σε μεταλλικές δομές με εγχάρακτο ανάγλυφο. Η εφαρμογή των αναπτυγμάτων Fourier, τα οποία αξιοποιεί η RCWA Μέθοδος επιτρέπουν την διακριτοποίηση της περιοχής μελέτης σε υποπεριοχές στις οποίες οι δείκτες διάθλασης θεωρούνται σταθεροί και ανεξάρτητοι των χωρικών μεταβλητών με αποτέλεσμα κύρια φυσικά μεγέθη όπως η απορρόφηση, η διάδοση και η ανάκλαση των προσπιπτόντων κυμάτων να παραμετροποιούνται και να επιλύονται μαθηματικά. Στα επόμενα τέσσερα (4) κεφάλαια δηλαδή από το τρίτο έως και το έκτο παρουσιάζονται τα φάσματα ενέργειας- απορρόφησης (UV-Vis absorption spectra) συναρτήσει των μεταβολών των πλασμονικών χαρακτηριστικών των νανοσωματιδίων όσο και του είδους του διηλεκτρικού. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται το φάσμα απορρόφησης νανοσωματιδίων Ag σε περιβάλλον NiO. Στο τέταρτο κεφάλαιο μελετώνται οι μεταβολές του φάσματος απορρόφησης νανοσωματιδίων Au διατηρώντας ίδιο το διηλεκτρικό μέσο. Στο πέμπτο κεφάλαιο διερευνώνται οι μεταβολές του φάσματος απορρόφησης νανοσωματιδίων κράματος AgPd σε περιβάλλον αέρα ενώ στο έκτο κεφάλαιο μελετώνται οι μεταβολές του φάσματος απορρόφησης νανοσωματιδίων Ag και Au στο περιβάλλον των προαναφερθέντων πολυμερών. Το έβδομο και τελευταίο κεφάλαιο συνοψίζει τα αποτελέσματα όλων των προηγούμενων κεφαλαίων και καταγράφει τα κύρια συμπεράσματα. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην συγκριτική αξιολόγηση μεταξύ των θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων, σύγκριση η οποία κατέδειξε ότι οι επιλεχθείσες μέθοδοι, πειραματικές τεχνικές αλλά και υπολογιστικός κώδικας, αποδείχθηκαν κατάλληλες για την επίτευξη αξιόπιστων αποτελεσμάτων καθώς και τα ίδια τα αποτελέσματα μεταξύ τους είναι σε καλή συμφωνία. Γενικότερο συμπέρασμα αποτελεί το γεγονός ότι η θεωρητική προσέγγιση της μελέτης των συντονισμών των μεταλλικών νανοσωματιδίων δεδομένης της ευθυγράμμισης με τα παραγόμενα στο εργαστήριο αποτελέσματα κρίνεται επιτυχής. Παρέχεται συνεπώς σχεδιαστική ελευθερία στην σύνθεση νέων και πρωτοποριακών υλικών η οποία εκμεταλλευόμενη τις συνδυαστικές φυσικές και χημικές ιδιότητες των μεταλλικών νανοσωματιδίων δύναται να καταλήξει στην κατασκευή καινοτόμων εφαρμογών που αποβλέπουν στην αντιμετώπιση της κλιματικής κρίσης, στον περιορισμό της ανάγκης για μεγάλους αποθηκευτικούς χώρους ενέργειας και δεδομένων, στην απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα, στην ενίσχυση της διείσδυσης των ΑΠΕ στο ενεργειακό μείγμα των χωρών καθώς και στην εξάλειψη χρόνιων ασθενειών που εξακολουθούν να μαστίζουν την Ανθρωπότητα.