Π Ρ Ο T Ε Ι Ν Ο Μ Ε Ν Ο Ε Ρ Γ Ο Α. ΤΙΤΛΟΣ Μοντελοποίηση-σχεδιασμός και ανάπτυξη ημιαγώγιμων νανοδομημένων υλικών

Transcript

1 Π Ρ Ο T Ε Ι Ν Ο Μ Ε Ν Ο Ε Ρ Γ Ο Α. ΤΙΤΛΟΣ Μοντελοποίηση-σχεδιασμός και ανάπτυξη ημιαγώγιμων νανοδομημένων υλικών Β. ΣΤΟΧΟΣ Στόχος είναι ο ακριβής υπολογισμός των οπτικών ενεργειακών χασμάτων διάφορων νανοκρυσταλλικών ημιαγώγιμων υλικών με διαφορετικά σχήματα και μεγέθη, ευρισκόμενων σε διάφορες περιβάλλουσες μήτρες καθώς επίσης και η πειραματική επαλήθευση αυτών των τιμών. Σε αυτή τη πρόταση θα προσπαθήσουμε να μοντελοποιήσουμε ημιαγώγιμα νανοκρυσταλλικά υλικά τεχνολογικού ενδιαφέροντος όπως ZnO, ZnSe, ZnS, CdS, PbS, InP, Cu 2 O εμφυτευμένα σε κατάλληλες μήτρες, με σκοπό να προσδιορίσουμε την επίδραση που έχει στις τιμές των οπτικών ενεργειακών χασμάτων τους, το μέγεθος και το σχήμα τους καθώς επίσης και η περιβάλλουσα μήτρα και τελικά να επαληθεύσουμε τα αποτελέσματά μας με πειραματικές μετρήσεις στο φασματοφωτόμετρο υπεριώδους ορατού, ημιαγώγιμων νανοκρυσταλλικών δειγμάτων διαφόρων σχημάτων, διαφόρων μεγεθών και σε διάφορες μήτρες που θα συνθέσουμε. Η γνώση των παραγόντων που επηρεάζουν το οπτικό ενεργειακό χάσμα των ημιαγώγιμων νανοκρυσταλλικών υλικών αποτελεί βασική προϋπόθεση στο σχεδιασμό τέτοιων υλικών με πολύ μεγάλες εφαρμογές στα φωτοβολταϊκά και στην οπτοηλεκτρονική-nanolasingrandom lasing. Γ. ΠΕΡΙΛΗΨΗ (Α+Β+Γ= 1 σελίδα) Σε αυτή τη πρόταση θα προσπαθήσουμε αρχικά να μοντελοποιήσουμε ημιαγώγιμα νανοκρυσταλλικά υλικά τεχνολογικού ενδιαφέροντος όπως ZnO, ZnSe, ZnS, CdS, PbS, InP, Cu 2 O εμφυτευμένα σε κατάλληλες μήτρες, με σκοπό να προσδιορίσουμε την επίδραση που έχει στις τιμές των οπτικών ενεργειακών χασμάτων τους, το μέγεθος και το σχήμα τους καθώς επίσης και η περιβάλλουσα μήτρα στην οποία βρίσκονται. Η ανάλυση θα γίνει χρησιμοποιώντας δυο υπολογιστικές τεχνικές: Η πρώτη είναι μια νέα υπολογιστική μέθοδος που στηρίζεται στο κβαντικό αδιαβατικό θεώρημα και επιλύει την εξίσωση ιδιοτιμών για οποιοδήποτε δυναμικό αλληλεπίδρασης. Η νέα αυτή υπολογιστική τεχνική που έχει αναπτυχθεί αποκλειστικά στο Πανεπιστήμιο Πατρών, χρησιμοποιείται σαν υπορουτίνα στην προσέγγιση Hartree ή Hartree Fock, η οποία επιλύει το πρόβλημα των πολλών σωμάτων, με επαναληπτική διαδικασία. Η δεύτερη υπολογιστική τεχνική βασίζεται στην μέθοδο των ψευδοδυναμικών και μπορεί να χειρίζεται χιλιάδες άτομα νανοδομών χρησιμοποιώντας παράλληλους κώδικες. Η τεχνική αυτή έχει αναπτυχθει σε συνεργασία με το Max Planck Institute for Solid State Research στην Στουτγάρδη της Γερμανίας. Κατόπιν θα προσπαθήσουμε να συνθέσουμε ημιαγώγιμα νανοκρυσταλλικά υλικά διαφόρων σχημάτων, μεγεθών ευρισκόμενα σε διάφορες μήτρες. Η σύνθεση τέτοιων υλικών με διάφορα σχήματα, όπως π.χ. σφαιρών, νημάτων, κύβων θα γίνει κυρίως με μηχανική κονιορτοποίηση, θερμική εξάχνωση αλλά και με χημικές μεθόδους. Η μορφολογία αυτών των δειγμάτων θα εξεταστεί με μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM) και μικροσκοπία σάρωσης ηλεκτρονίου (SEM). Η δομική ανάλυση θα γίνει με την χρήση περίθλασης ακτίνων Χ και η θερμική τους συμπεριφορά θα εξεταστεί μέσω διαφορικής καλοριμετρίας σάρωσης (DSC). Τέλος οι μετρήσεις του οπτικού ενεργειακού χάσματος αυτών των νανοκρυσταλλικών υλικών θα γίνουν με μετρήσεις απορρόφησης στο φασματοφωτόμετρο υπεριώδους ορατού (UV Vissible) καθώς και στο φασματοφωτόμετρο φωτοφωταύγειας. 1

2 . ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ (μέχρι 10 σελίδες) 1. Σημερινή γνώση στο θέμα Η αλματώδης ανάπτυξη της τεχνολογίας έκανε δυνατό τον περιορισμό των ηλεκτρονίων σε κβαντο-μηδενική διάσταση [1]. Στη δομή που σχηματίζεται με αυτό τον τρόπο και που ονομάζεται κβαντική τελεία ή ημιαγώγιμος νανοκρύσταλλος [2], παρατηρείται απόλυτη κβάντωση των ενεργειακών επιπέδων. Ως αποτέλεσμα αυτού του αυστηρού περιορισμού και στις τρείς χωρικές διαστάσεις οι ημιαγώγιμοι νανοκρύσταλλοι έχουν τα χαρακτηριστικά ενός ατόμου και συχνά αναφέρονται σαν τεχνητά άτομα, υπερ - άτομα ή άτομα κβαντικών τελειών. Αυτό που κάνει τις τελείες τόσο ασυνήθιστες δομές είναι το ότι έχουμε την δυνατότητα να ελέγχουμε το μέγεθος τους, τις διαστάσεις τους, τη δομή των ενεργειακών επιπέδων και τον αριθμό των ηλεκτρονίων. Λόγω του ότι οι ημιαγώγιμοι νανοκρύσταλλοι απορροφούν και εκπέμπουν φως σε πολύ στενό φάσμα βρίσκουν εφαρμογή στην κατασκευή πιο αποτελεσματικών και μεγαλύτερης ακριβείας lasers ημιαγωγών. Επίσης η αυστηρή κβάντωση των ενεργειακών επιπέδων σε συνδυασμό με άλλες παραμέτρους επιτρέπουν τη δημιουργία lasers από κβαντικές τελείες, τα οποία θα μπορούν να δουλεύουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες και με χαμηλότερο ρεύμα κατωφλίου. Επίσης είναι η δυνατή η χρησιμοποίηση συστοιχιών απο ημιαγώγιμους νανοκρύσταλλους για την παραγωγή υπολογιστών νέας γενιάς με τεράστιες αποθηκευτικές ικανότητες καθώς επίσης και για την παραγωγή νέων οπτοηλεκτρονικών διατάξεων με εφαρμογές στην υψηλής ταχύτητας οπτική επικοινωνία. Τα φαινόμενα περιορισμού 3 διαστάσεων σε ημιαγώγιμους νανοκρυσταλλίτες λαμβάνουν χώρα όταν το μέγεθος του σωματιδίου προσεγγίζει την ακτίνα Βohr του εξιτονίου για ημιαγωγό μεγάλων διαστάσεων. Στις ημέρες μας υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον τόσο για την έρευνα τέτοιων συστημάτων που παρουσιάζουν τέτοιου είδους φαινόμενα περιορισμού, όσο και για την κατανόηση των ιδιοτήτων τους. Είναι ευρέως γνωστό ότι το ενεργειακό χάσμα των ημιαγώγιμων νανοκρυσταλλιτών αυξάνει όταν μειώνεται το μέγεθος του σωματιδίου [3], όπως επίσης ότι το ενεργειακό χάσμα εξαρτάται και από το σχήμα του νανοκρυστάλλου [4]. Ωστόσο οι πειραματικά μετρούμενες τιμές για τα ενεργειακά χάσματα διαφόρων ημιαγωγών δεν βρίσκονται σε συμφωνία. Για παράδειγμα έχει μετρηθεί ενεργειακό χάσμα [5] ίσο περίπου με 2.4 ev για νανοσωματίδια PbS με διάμετρο περίπου ίση με 1 nm καλυμμένο με Ε ΜΑΑ, ενώ το ενεργειακό χάσμα για το ίδιο ημιαγωγό (της ίδιας διαμέτρου και σύστασης) αλλά μέσα σε μήτρα SiO 2 έχει μετρηθεί ίσο με 5.2 ev [6]. Παρομοίως για νανοσωματίδια CdS διαμέτρου 1 nm καλυμμένα με πολυμερές το ενεργειακό χάσμα είναι 3.53 ev [7], ενώ για νανοσωματίδια CdS διαμέτρου περίπου 1.3 nm σταθεροποιημένα σε 1- thioglycerol το ενεργειακό χάσμα είναι 4.78 ev [8]. Πρόσφατα έχει επίσης δειχθεί ότι το μήκος κύματος φωταύγειας των ημιαγώγιμων νανοκρυσταλλιτών απο InGaAs μπορεί να ρυθμιστεί εμφυτεύοντας τους ημιαγώγιμους κρυσταλλίτες σε κατάλληλες μήτρες [9]. Επομένως με βάση τα παραπάνω είναι δυνατόν να ρυθμίσουμε το ενεργειακό χάσμα ενός ημιαγωγού μεταβάλλοντας το σχήμα του, το μέγεθός του αλλά και την περιβάλλουσα μήτρα στην οποία βρίσκεται. Η ρύθμιση του ενεργειακού χάσματος ενός ημιαγωγού για δεδομένο μέγεθος σωματιδίου έχει εφαρμογές σε διάφορους τομείς της σύγχρονης τεχνολογίας. Ένα παράδειγμα είναι τα φωτοηλεκτροχημικά κελιά. Για να είναι ένας ημιαγωγός πρακτικά χρήσιμος σαν υλικό φωτοηλεκτροχημικού κελιού θα πρέπει να έχει ένα ενεργειακό χάσμα αρκετά μικρό ώστε να απορροφά ένα μεγάλο ποσοστό της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με σκοπό να παράγει ένα μεγάλο ρεύμα. Απο την άλλη πλευρά το ημιαγώγιμο υλικό πρέπει να έχει ένα αρκετά ευρύ ενεργειακό χάσμα έτσι ώστε το ρεύμα ανοικτού κυκλώματος να είναι μικρό. Αυτές οι θεωρήσεις περιορίζουν τα υλικά για 2

3 φωτοβολταϊκές εφαρμογές σε εκείνα με ενεργειακό χάσμα στη περιοχή 1 2 ev [10]. Επιπλέον, είναι γνωστό ότι η κβαντική απόδοση των φωτοηλεκτροχημικών κελιών βελτιώνεται αισθητά μειώνοντας το μέγεθος των νανοσωματιδίων και επεξεργάζοντας κατάλληλα την επιφάνειά τους [11]. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι η αποδοτικότητα των φωτοηλεκτροχημικών κελιών και των συσκευών φωταύγειας μπορεί να βελτιωθεί εμβαπτίζοντας νανοσωματίδια n τύπου σε p τύπου ημιαγώγιμο πολυμερές ή εμβαπτίζοντας p τύπου νανοσωματίδια σε n τύπου ημιαγώγιμο πολυμερές [12,13]. Επομένως οι απαραίτητες προϋποθέσεις για να είναι ένας ημιαγωγός πρακτικά χρήσιμος σαν υλικό φωτοηλεκτροχημικού κελιού είναι αφενός μεν το μέγεθος των σωματιδίων να είναι όσο το δυνατόν πιο μικρό αφετέρου δε το ενεργειακό χάσμα να κυμαίνεται μεταξύ 1 2 ev. Άλλο παράδειγμα εφαρμογής της ρύθμισης του ενεργειακού χάσματος αποτελούν τα φαινόμενα που οδηγούν στην ύπαρξη δράσης λέιζερ απο ημιαγώγιμα νανοσωματίδια [14-17]. Πιο συγκεκριμένα είναι γνωστό ότι εκ των βασικών προϋποθέσεων για την παρατήρηση δράσης λέιζερ από νανοσωματίδια αποτελεί η ύπαρξη έντονης εκπομπής φωτοφωταύγειας, ενίσχυση της οποίας οδηγεί σε εξαναγκασμένη εκπομπή και δράση λέιζερ. Ειδικότερα όσον αφορά το οξείδιο του ψευδαργύρου έχει παρατηρηθεί ότι αναπτύσσεται δράση λέιζερ κατόπιν κατάλληλης οπτικής άντλησης στην γειτονιά του ενεργειακού χάσματος του ημιαγωγού, προερχόμενη από την φωταύγεια που προκύπτει κατά την επανασύνδεση του εξιτονίου. Επομένως σημαντικό στοιχείο το οποίο πρέπει να διερευνηθεί σχετικά με την δράση λέιζερ αποτελεί η εκπομπή φωτοφωταύγειας απο τα νανοσωματίδια και η συσχέτισή της με την μορφολογία και τις διαστάσεις τω νανοκρυστάλλων. Επιπλέον είναι γνωστό ότι οι δράσεις λέιζερ ταξινομούνται σε δυο μεγάλες κατηγορίες: nano-lasing και random-lasing. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι ημιαγώγιμοι νανοκρύσταλλοι και στην δεύτερη κατηγορία ανήκουν τα ημιαγώγιμα νανουβρίδια δηλαδή σύνθετα υλικά που εμφανίζουν υψηλό βαθμό σκέδασης και αποτελούνται από ένα φορέα (μήτρα) και ενεργό μέσο υπό μορφή νανοσωματιδίων, το οπίο διεγειρόμενο κατάλληλα και εκμεταλευόμενο την πολλαπλή σκέδαση των φωνονίων στον αντλούμενο όγκο εμφανίζει δράση λέιζερ. Τέτοια συστήματα νανοδομημένων ημιαγωγών έχουν ήδη παρασκευαστεί στα εργαστήρια του Τμήματος Επιστήμης των Υλικών είτε με θερμική εξάχνωση (για εφαρμογές σε nanolasing) όσο και με χημικές μεθόδους (για εφαρμογές random-lasing) [18-21] Για την μελέτη των φαινομένων περιορισμού και ειδικότερα της γνωστής μετατόπισης του ενεργειακού χάσματος προς το μπλέ μικραίνοντας το μέγεθος του νανοσωματιδίου έχουν εφαρμοστεί διάφορες θεωρητικές μέθοδοι. Οι περισσότερες απο αυτές βασίζονται είτε στην θεωρία διαταραχών είτε στη θεωρία μεταβολών και χρησιμοποιούν την προσέγγιση της ενεργού μάζας [22]. Τα προβλήματα όμως που πηγάζουν απο τη χρήση αυτών των μεθόδων είναι το ότι η μεν θεωρία διαταραχών ισχύει μόνο στην περίπτωση πολύ μικρών νανοκρυστάλλων η δε θεωρία μεταβολών δεν επιλύει την εξίσωση Schrödinger αλλά απλά ελαχιστοποιεί την ενέργεια. Σημαντική επίσης είναι και η συνεισφορά της μεθόδου διαγωνοποίησης πίνακα, η οποία όμως δεν δίνει καλά αποτελέσματα στη περίπτωση των πολύ μικρών νανοκρυστάλλων [23]. Στα πλαίσια της προσπάθειας υπολογισμού με ακρίβεια του ενεργειακού χάσματος και των αντίστοιχων κυματοσυναρτήσεων έχει αναπτυχθεί από την ομάδα μας ένας υπολογιστικός κώδικας που στηρίζεται στο αδιαβατικό κβαντικό θεώρημα και είναι σε θέση να υπολογίζει ιδιοτιμές και κυματοσυναρτήσεις για όλα τα μεγέθη και σχήματα νανοκρυστάλλων σε οποιαδήποτε περιβάλλουσα μήτρα αφού ουσιαστικά επιλύει την εξίσωση ιδιοτιμών για οποιοδήποτε δυναμικό αλληλεπίδρασης [24-44]. Αλγόριθμοι που στηρίζονται στο κβαντικό αδιαβατικό θεώρημα για κβαντικούς υπολογισμούς έχουν ήδη αναπτυχθεί πρόσφατα και απο άλλες ερευνητικές ομάδες [45]. 3

4 Επίσης σε συνεργασία με το Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Germany, έχουν αναπτυχθεί παράλληλοι κώδικες (working in parallel) βασισμένοι στην ατομιστική θεωρία ψευδοδυναμικού [46,47]. Πρόκειται για μια πολύ ακριβής μέθοδο που μπορεί να χειρίζεται χιλιάδες άτομα σε κάποια νανοδομή. 2. Ανάπτυξη της μεθοδολογίας του προγράμματος Αρχικά όπως προαναφέρθηκε θα γίνει εκτενής έρευνα της βιβλιογραφίας για την συλλογή δεδομένων που αφορούν το οπτικό ενεργειακό χάσμα ημιαγώγιμων νανοκρυστάλλων με διάφορα σχήματα και μεγέθη και σε διάφορες περιβάλλουσες μήτρες. Κατόπιν θα γίνει ανάπτυξη του υπολογιστικού κώδικα με την βοήθεια του οποίου θα υπολογίσουμε το οπτικό ενεργειακό χάσμα αυτών των νανοκρυσταλλικών ημιαγωγών. Oι μέθοδοι που θα χρησιμοποιηθούν είναι δυο: H μέθοδος μορφοποίησης δυναμικού και η εμπειρική μέθοδος των ψευδοδυναμικών. I. Μέθοδος Μορφοποίησης Δυναμικού: H μέθοδος αυτή βασίζεται στο κβαντικό αδιαβατικό θεώρημα το οποίο ουσιαστικά αναφέρει το εξής: Αν μια τυχαία χρονική στιγμή μια κυματοσυνάρτηση ενός συστήματος είναι ιδιοσυνάρτησή του τότε θα παραμείνει ιδιοσυνάρτηση του συστήματος και οποιαδήποτε μεταγενέστερη χρονική στιγμή αν το σύστημα εξελίσσεται αδιαβατικά [48]. Επομένως για τον υπολογισμό της ενέργειας και της ιδιοσυνάρτησης του συστήματος που μελετάμε κάθε φορά, ξεκινάμε από ένα γνωστό σύστημα (με γνωστές ιδιοσυναρτήσεις και ιδιοτιμές) και εξελίσσουμε το σύστημά μας αδιαβατικά μέχρι να φτάσουμε στο ζητούμενο σύστημα. Σε κάθε χρονική στιγμή προσδιορίζουμε τις ιδιοσυναρτήσεις (οι οποίες απαιτείται να είναι κανονικοποιημένες) και τις ιδιοτιμές του συστήματος και τελικά φθάνουμε στο ζητούμενο σύστημα έχοντας τις ιδιοσυναρτήσεις του και τις ιδιοτιμές του με ακρίβεια [49] (βλ. σχ. 1). 4

5 Σχ. 1 Τυπικό παράδειγμα λειτουργίας της μεθόδου: Έστω ότι θέλουμε να υπολογίσουμε την ιδιοτιμή και την ιδιοσυνάρτηση ενός συστήματος με δυναμικό U(r) = 8 x 10-8 x 6 6 x 10-4 x (σε αδιάστατο σύστημα μονάδων). Ξεκινώντας απο το γνωστό σύστημα του αρμονικού ταλαντωτή, εξελίσσουμε το σύστημά μας αδιαβατικά και τελικά καταλήγουμε στο ζητούμενο σύστημα προσδιορίζοντας με ακρίβεια τόσο την ιδιοσυνάρτησή του όσο και την ιδιοτιμή του ( Ε = 0.166, με αναλυτική τιμή 0.166) Στη συνέχεια ο υπολογιστικός αυτός κώδικας χρησιμοποιείται σαν υπορουτίνα στην προσέγγιση Hartree ή Hartree Fock όπου προσδιορίζεται η ενέργεια της βασικής κατάστασης του δέσμιου συστήματος ηλεκτρονίου οπής (εξιτόνιο) με επαναληπτική διαδικασία [25,26,29-34,39]. Επειδή για πολύ μικρές διαμέτρους των ημιαγώγιμων νανοκρυστάλλων η αλληλεπίδραση Coulomb είναι πολύ μικρότερη σε σύγκριση με το περιοριστικό δυναμικό μπορούμε σε αυτή την περιοχή να χρησιμοποιήσουμε την προσέγγιση Hartree, όπου προσδιορίζει την τιμή του οπτικού ενεργειακού χάσματος με επιτυχία. Χρησιμοποιώντας λοιπόν τον παραπάνω υπολογιστικό κώδικα θα προσπαθήσουμε να υπολογίσουμε το οπτικό ενεργειακό χάσμα διαφόρων ημιαγώγιμων νανοκρυσταλλικών υλικών διαφόρων σχημάτων και μεγεθών σε διάφορες περιβάλλουσες μήτρες. Το είδος της πειβάλλουσας μήτρας μας καθορίζει και το ύψος του κβαντικού πηγαδιού με πεπερασμένα τοιχώματα μέσα στο οποίο βρίσκεται το ηλεκτρόνιο και η οπή λόγω κβαντικού περιορισμού. Σε διαφορετικές μήτρες θα αντιστοιχούν διαφορετικά ύψη περιοριστικού δυναμικού και φυσικά διαφορετικές τιμές του οπτικού ενεργειακού χάσματος (βλ.σχ. 2) [31]. Σχ. 2 Σύγκριση του πειραματικού οπτικού ενεργειακού χάσματος νανοκρυστάλλων απο PbS εμφυτευμένα σε μήτρα SiO 2 και E-MAA, με αυτό που υπολογίζεται θεωρητικά χρησιμοποιώντας σαν περιοριστικό δυναμικό το πεπερασμένο πηγάδι. Επίσης στο σχήμα φαίνεται και το οπτικό ενεργειακό χάσμα που υπολογίζεται χρησιμοποιώντας σαν περισοριστικό δυναμικό το πηγάδι με άπειρα τοιχώματα. ΙΙ. Εμπειρική μέθοδος Ψευδοδυναμικών Σε συνεργασία με το Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Germany, έχουν αναπτυχθεί παράλληλοι κώδικες (working in parallel) βασισμένοι στην ατομιστική θεωρία ψευδοδυναμικού [46]. Πρόκειται για μια πολύ ακριβής μέθοδο που μπορεί να χειρίζεται χιλιάδες άτομα σε κάποια νανοδομή. Ένα διάγραμμα λειτουργίας αυτής της μεθόδου περιγράφεται στο παρακάτω σχήμα [46] 5

6 Σχ. 3 Διάγραμμα ροής της ατομιστικής μεθόδου των ψευδοδυναμικών Με την μέθοδο αυτή υπολογίζουμε με ακρίβεια τις ενέργειες και τις κυματοσυναρτήσεις και κατόπιν με τον υπολογισμό των ολοκληρωμάτων Coulomb και των ολοκληρωμάτων ανταλλαγής μελετούμε διάφορες οπτικές ιδιότητες (απορρόφηση, φωτοφωταύγεια κτλ). 6

7 Oscillator Strength (arb. u.) (0,1) (b) (0,2) (0,5) e 2,3 1 e 0 h 0 h 40 (a) Absorption for 3.1 nm ZnO QD (1,3) (1,4) (3,0) (3,11) Transition Energy (ev) Σχ. 4 Φάσμα απορρόφησης νανοκρυστάλλων ZnO με διάμετρο 3.1 nm όπως υπολογίστηκε απο την εμεπειρική μέθοδο ψευδοδυναμικών. Με μαύρο χρώμα παριστάνονται οι μεταβάσεις που είναι πολωμένες.κατά τον άξονα c του κρυστάλλου ενώ με κόκκινο χρώμα παριστάνονται οι μεταβάσεις που είναι πολωμένες.κάθετα στον άξονα c του κρυστάλλου [47]. Επομένως στα πλαίσια αυτού του προγράμματος εφαρμόζοντας τις παραπάνω τεχνικές θα προσδιορίσουμε με ακρίβεια την εξάρτηση του ενεργειακού χάσματος νανοδομών ZnO τόσο από το μέγεθος και το σχήμα τους όσο και από την μήτρα μέσα στην οποία βρίσκονται οι νανοδομές. Επίσης θα προβλέψουμε τόσο το φάσμα απορρόφησης όσο και το φάσμα φωτοφωταύγειας υπολογίζοντας με μεγάλη ακρίβεια την υπερλεπτή δομή του εξιτονίου που συνήθως προκαλεί την εμφάνιση φασματικών γραμμών που αντιστοιχούν σε φωτεινά και σκοτεινά εξιτόνια (bright and dark excitons) [47]. Oι παράλληλοι υπολογισμοί θα γίνουν τόσο στο Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Germany όσο και στο Τμήμα Επιστήμης των Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών όπου έχει εγκατασταθεί και λειτουργεί σύστημα 16 πυρήνων μεγάλης υπολογιστικής ισχύος για παράλληλη επεξεργασία. Όσον αφορά την σύνθεση ημιαγώγιμων νανοκρυσταλλικών υλικών με επιθυμητά γεωμετρικά σχήματα και μεγέθη σε διάφορες μήτρες, οι κυριότερες μέθοδοι που θα χρησιμοποιηθούν είναι: Ι. Μηχανική κραματοποίηση Υπάρχει μεγάλη εμπειρία της ερευνητικής ομάδας στη σύνθεση νανοκρυσταλλικών υλικών με τη μέθοδο της μηχανικής κραματοποίησης [50-55]. Με τη μέθοδο αυτή ως γνωστό μπορούμε να μειώσουμε τις διαστάσεις ενός υλικού φθάνοντας σε διάμετρο της τάξης του 1 nm. Φυσικά το μεγάλο μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι οι προσμίξεις που μπορεί να προκύψουν από τα τοιχώματα του δοχείου και τους ένσφαιρους τριβείς. Προσεκτική επιλογή των σφαιρών και των δοχείων αλλά και κάνοντας όλη την διαδικασία καθαρισμού σε συνθήκες αδρανούς αερίου μέσα σε ειδικό δοχείο(glove box) μπορούμε να ελαχιστοποιήσουμε το κίνδυνο για εισαγωγή των προσμίξεων. Το σχήμα των ημιαγώγιμων υλικών που θα προκύψουν έχουν συνήθως τη μορφή σφαιρών και μπορούν να βρίσκονται σε διάφορες μήτρες, όπως π.χ. Si σε GaAs, CdS σε γυαλί κ.τ.λ. ΙΙ Θερμική εξάχνωση 7

8 Με τη βοήθεια αυτής της μεθόδου μπορούμε να συνθέσουμε ημιαγώγιμα νανοκρυσταλλικά υλικά με τη μορφή νημάτων, όπως π. χ. νήματα από ΖnO [19, 56-59]. Σε φούρνο υψηλής θερμοκρασίας εξαχνώνουμε το ημιαγώγιμο υλικό το οποίο επικάθεται σε ειδικά υποστρώματα τα οποία έχουν τοποθετηθεί σε διαφορετικά σημεία κατά μήκος του φούρνου, στα οποία αντιστοιχούν συγκεκριμένες θερμοκρασίες. Η μέθοδος αυτή που δεν είναι καθόλου δαπανηρή δίνει καλής ποιότητας νανοκρυσταλλικά ημιαγώγιμα νήματα. Σχ. 5 Νανοδομές οξειδίου του ψευδαργύρου πάνω σε νανοσωλήνες άνθρακα που έχουν παρασκευαστεί με την μέθοδο της θερμικής εξάχνωσης [19]. ΙΙΙ Χημικές μέθοδοι Οι χημικές μέθοδοι τις οποίες θα χρησιμοποιήσουμε στα πλαίσια αυτού του προγράμματος, σε συνεργασία με ερευνητική ομάδα του Τμήματος Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών που εξιδικεύεται στη χρήση τέτοιων μεθόδων, είναι η μέθοδος sol gel (διαλύματος πηκτώματος) με διασπορά κρυσταλλικών πυρήνων σε μήτρα κεραμικών πρόδρομων ενώσεων καθώς και η χημική αναγωγική μέθοδος. Όσον αφορά την πρώτη μέθοδο αποτελεί ως γνωστό μια πολύ αποτελεσματική μέθοδο για την σύνθεση νανουλικών με σημαντικό πλεονέκτημα σε σύγκριση με τις άλλες μεθόδους που εμπλέκουν υψηλές θερμοκρασίες την χαμηλή θερμοκρασία της μεθόδου, ενώ με την δεύτερη μέθοδο μπορούμε να συνθέσουμε διάφορα σχήματα ημιαγώγιμων νανουλικών όπως νανοκύβους, νανοράβδους και νανονήματα [18,20,21,60-63]. Και οι δυο μέθοδοι δεν είναι δαπανηρές και μπορούν να πραγματοποιηθούν στα Εργαστήρια Χημείας του Τμήματος Επιστήμης των Υλικών. 8

9 Σχ. 6 Nανοσωματίδια ZnO που έχουν παρασκευαστεί με την αναγωγική μέθοδο [18]. Επίσης θα γίνει εκτενής δομικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων που θα παρασκευαστούν με τις παραπάνω μεθόδους. Οι τεχνικές που θα χρησιμοποιηθούν είναι η περίθλαση ακτίνων Χ, μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM), μικροσκοπία σάρωσης ηλεκτρονίου (SEM) και μικροσκοπία διερχόμενου ηλεκτρονίου (TEM). Τέλος για τον προσδιορισμό του οπτικού ενεργειακού χάσματος αυτών των νανοκρυσταλλικών υλικών θα γίνουν με μετρήσεις απορρόφησης στο φασματοφωτόμετρο υπεριώδους ορατού (UV Vissible) και φωτοφωταύγειας (βλ.σχ. 7,8). Σχ. 7 Φάσμα φωτοφωταύγειας νανοδομών οξειδίου του ψευδαργύρου πάνω σε νανοσωλήνες άνθρακα [19]. Σχ. 8 Eικόνα ΤΕΜ νανοσωματιδίων ZnO που έχουν παρασκευαστεί με την αναγωγική μέθοδο [18]. 9

10 3. Σκοπιμότητα, σημασία και συμβολή του προγράμματος Οι σημερινές απαιτήσεις για κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων με υψηλή απόδοση, για μετάδοση πληροφορίας με υψηλή ταχύτητα, για αποθήκευση δεδομένων αλλά και για τη κατασκευή οπτοηλεκτρονικών διατάξεων για εκπομπή φωτός στο υπεριώδες έχουν κάνει επιτακτική την ανάγκη για την έρευνα κατάλληλων υλικών. Η γνώση των μηχανισμών που καθορίζουν το οπτικό ενεργειακό χάσμα των νανοκρυσταλλικών ημιαγώγιμων υλικών αποτελεί ισχυρό εργαλείο στο σχεδιασμό υλικών με επιθυμητές ιδιότητες για εφαρμογές σε τέτοιου είδους τεχνολογίες αιχμής, όπως είναι φωτοβολταϊκά, τα LEDs, οι οπτικές ίνες, οι κβαντικοί υπολογιστές, τα ημιαγώγιμα lasers κ.τ.λ. Το πρόγραμμα αυτό έχει ως βασικό του αντικείμενο την μοντελοποίηση ημιαγώγιμων νανοκρυσταλλικών υλικών και την μελέτη της επίδρασης του μεγέθους, του σχήματος και της περιβάλλουσας μήτρας στο οπτικό ενεργειακό χάσμα τους αλλά και τη σύνθεση και το χαρακτηρισμό τέτοιων υλικών. Τόσο το θεωρητικό κομμάτι όσο και το πειραματικό θα πραγματοποιηθεί εκμεταλλευμένοι τον υπάρχοντα εξοπλισμό του Τμήματος Επιστήμης των Υλικών, το οποίο περιλαμβάνει υψηλής ταχύτητας υπολογιστικό κέντρο, AFM, DSC, UV Vissible φασματοφωτόμετρο, χημικό εργαστήριο κ.τ.λ. Φυσικά θα υπάρχει και η δυνατότητα μελέτης των δειγμάτων σε συνεργαζόμενα εργαστήρια, όπου θα μελετηθούν η μορφολογία, η δομή και οι θερμικές ιδιότητες. Πιστεύουμε ότι το πρόγραμμα αυτό θα συμβάλλει στην πρόβλεψη κατάλληλων συνδυασμών υλικών με επιθυμητές ιδιότητες ανοίγοντας νέους ορίζοντες στην Επιστήμη των Υλικών αλλά και της Φυσικής Συμπυκνωμένης Ύλης. 4. Βιβλιογραφία 1. M. A. Reed et.al, J. Vacuum Sci. Technol. B4, 358 (1986) 2. l. Jacak et.al, Quantum Dots, Springer, Berlin (1998) 3. L.E. Brus, J. Chem. Phys. 80, 4403 (1984) 4. Z. Wang, et.al, Solid State Comm. 130, 585 (2004) 5. Y. Wang, et.al, J. Chem Phys. 87, 7315 (1987) 6. R. Thielsch, et.al, Nanostruct. Mat. 10, 131 (1998) 7. Y. Wang, et.al, Phys. Rev. B42, 7253 (1990) 8. T. Vossmeyer, et.al, J. Phys. Chem. 98, 7665 (1994) 9. A. Passaseo, et.al, Appl. Phys. Lett. 78, 1382 (2001) 10. H. R. Bube, Photoelectronic properties of semiconductors, Cambridge University Press, N.Y J. Moser, et.al, Helv. Chim. Acta 65, 1436 (1982) 12. G. Yu, et.al, Science 270, 1789 (1995) 13. V.L. Colvin et.al, Nature 370, 354 (1994) 14. D:C: Lock, Mater. Scien. Eng. B80, 383 (2001). 15. Özgür et. Al., J. Appl. Phys. 98, (2005). 16. C. Klingshirn, Chem. Phys. Chem. 8, 782 (2007). 10

11 17. A. Stassinopoulos et. Al. J. Opt. 12, (2010). 18. S. Baskoutas et. al, Thin Solid Films 515, 8461 (2007). 19. A. Chrissanthopoulos et.al, Thin Solid Films 515, 8524 (2007) 8528 (cited in Top 25 articles of the journal, December 2007). 20. N. Bouropoulos et.al., Physica Status Solidi A 205, 2033 (2008). 21. N. Bouropoulos et. al., Materials Letters 62, 3533 (2008). 22. U. Woggon, Optical Properties of Semiconductor Quantum Dots, Springer Verlag, Berlin Hiedelberg Y. Z. Hu, et.al, Phys. Rev. B42, 1713 (1990) 24. S. Baskoutas et.al., J. Comp. Theor. Nanosc. 1, 315 (2004). 25. S. Baskoutas, Chem. Phys. Lett. 404, 107 (2005). 26. S. Baskoutas et.al., Microel. Engin. 81,461 (2005). 27. A.F. Terzis et.al., J. Physics: Conf. Series 10, 77 (2005). 28. P. Poulopoulos et.al., J. Physics: Conf. Series 10, 259 (2005). 29. S. Baskoutas, Phys. Lett. A341, 303 (2005). 30. S. Baskoutas, et.al., J. Appl. Phys. 98, (2005). (*Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, August 29 (2005)). 31. S. Baskoutas et.al., J. Appl. Phys. 99, (2006). 32. S. Baskoutas et.al., Chem. Phys. Lett.. 417, 461 (2006). 33. S. Baskoutas et.al., J. Comp. Theor. Nanosc 3, 269 (2006). 34. V. Kapaklis et.al., J. Nanosc. Nanotech. 6, 2037 (2006) (*cover image in Journal of Nanoscience and Nanotechnology). 35. S. Baskoutas et.al., Physical Review B74, (2006). 36. S. Baskoutas et.al.,, Phys. Stat. Sol. C4, 292 (2007). 37. S. Baskoutas et.al., J. Phys. Cond. Mat. 19, (9pp) (2007). 38. S. Baskoutas et.al, J. Comp. Theor. Nanosc. 5, 88 (2008). 39. S. Baskoutas et.al., Mater. Science and Engin. B-Solid State Materials For Advanced Technology 147, 280 (2008). 40. S. Baskoutas et.al., Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures 40, 1367 (2008). 41. I. Karabulut I. et. al., J. App. Phys. 103, (2008). 42. I. Karabulut I. et. Al., J. Comp. Theor. Nanosc. 6, 153 (2009). 43. S. Baskoutas et. al., Europ. Phys. J. B 237 (2009). 44. S. Baskoutas et. al., J. Comp. Theor. Nanosc 7, 492 (2010). 45. E. Farhi, et.al, Science 292, 472 (2001) 46. A. Franceschetti et.al., Nano Lett (2006). 47. S. Baskoutas et.al., accepted for publication in J. Phys. Chem. C (2010). 48. A. Messiah, Quantum Mechanics, Vol. II, North Holland, Wiley M. Rieth, M., et.al, Int. J. Mod. Phys. B16, 4081 (2002) 50. C. Politis, et.al, Chinese Physics 10, 27 (2001). 51. M. Rieth, Chinese Physics 10, 132 (2001). 52. S. Baskoutas et.al, Int. J. Mod. Phys. B (2002). 53. S. Baskoutas et.al, Int. J. Mod. Phys.B (2003). 11

12 54. V. Kapaklis et.al., Journal of Optoelect. and Advan. Materials (2003). 55. P. Poulopoulos et.al, Int. J. Mod. Phys. B17, 6019 (2003). 56. Ζ. Lin Wang, Μaterialstoday, June Z. W. Pan et.al., Science 291, 1947 (2001) 58. Y.C. Kong, et.al., Appl. Phys. Lett. 78, 407 (2001) 59. Q. X. Zhao, et.al., Appl. Phys. Lett. 83, 165 (2003) 60. P. Taneja, et.al., Scripta Mater. 44, 1915 (2001) 61. E. G. Ponyatovskii, et.al., Phys. Solid State, 852 (2002) 62. W. Z. Wang, et.al., Adv. Mater. 14, 67 (2002) 63. Z. Wang, et.al, Solid State Comm. 130, 585 (2004) Ε. ΧΡΟΝΟ ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ Σε αυτό το κεφάλαιο θα εξετασθούν με όλη την απαραίτητη λεπτομέρεια οι φάσεις του έργου και θα δοθεί η εκάστοτε υπάρχουσα βιβλιογραφία. Συνοπτικά το προτεινόμενο έργο θα εκτελεστεί σε 4 φάσεις, όπως φαίνεται παρακάτω: Φάσεις (μήνες) Φάση Α Φάση Β ==== Φάση Γ ==== Φάση ==== Εκθεση Προόδο υ * * * Πίνακας 1: Διαχωρισμός του προτεινόμενου έργου σε φάσεις. Φάση Α (12 μήνες) περιλαμβάνει μελέτη της βιβλιογραφίας για την συλλογή πειραματικών δεδομένων που αφορούν το οπτικό ενεργειακό χάσμα ημιαγώγιμων νανοκρυσταλλικών υλικών σε διάφορες περιβάλλουσες μήτρες, με διαφορετικά σχήματα και μεγέθη καθώς επίσης και την ανάπτυξη υπολογιστικού κώδικα για την μελέτη και την επαλήθευση των πειραματικών τιμών των οπτικών ενεργειακών χασμάτων. Φάση Β (18 μήνες) περιλαμβάνει υπολογισμό του ενεργειακού χάσματος νέων υλικών με διάφορα σχήματα (νήματα, υμένια, σφαίρες, κύβους), με διάφορα μεγέθη και σε διάφορες περιβάλλουσες μήτρες, με σκοπό τη πρόβλεψη και τον σχεδιασμό νέων υλικών με επιθυμητές ιδιότητες. Στη φάση αυτή θα γίνει επίσης προετοιμασία και λειτουργία των διατάξεων για την παρασκευή των δειγμάτων και το χαρακτηρισμό τους με τις διάφορες τεχνικές. 12

13 Φάση Γ (18 μήνες) Φάση Δ (18 μήνες) περιλαμβάνει την σύνθεση μέσω μηχανικής κραματοποίησης, θερμικής εξάχνωσης και χημικών μεθόδων νέων νανοκρυσταλλικών ημιαγώγιμων υλικών με τις επιθυμητές ιδιότητες που έχουν προβλεφθεί στη φάση Β, αλλά και τον χαρακτηρισμό τους με περίθλαση ακτίνων Χ, AFM, SEM, DSC, UV-Vissible, Photoluminescence. περιλαμβάνει την αποτίμηση των αποτελεσμάτων, τη συγγραφή ερευνητικών εργασιών, διδακτορικών ή/και διπλωματικών εργασιών και διερεύνηση εμπορικής αξιοποίησης των παραγόμενων αποτελεσμάτων. ΣΤ. ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΣΗ ΠΡΟΫΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ Ο προτεινόμενος προϋπολογισμός έχει σαν στόχους την πληρωμή μεταπτυχιακών φοιτητών, την αγορά αναλωσίμων άμεσης προτεραιότητας για την σύνθεση των νανοκρυσταλλικών ημιαγώγιμων υλικών και τη συμμετοχή ερευνητών σε συνέδρια (1 συμμετοχή σε διεθνές συνέδριο και 3-4 σε ελληνικά). Τονίζεται ότι η συμμετοχή του επιστημονικού υπευθύνου και του άλλου συνεγαζόμενου μέλους ΔΕΠ, όπως φυσικά και του φοιτητή σε διπλωματική εργασία, στό έργο θα είναι υπό το καθεστώς του Αμίσθου. Π Ρ Ο Υ Π Ο Λ Ο Γ Ι Σ Μ Ο Σ Α Π Α Ν Ω Ν 1. ΥΠΟΤΡΟΦΙΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟΙ ΦΟΙΤΗΤΕΣ (82 %) ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΜΗΝΕΣ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΗΣ ΜΕΣΗ ΜΗΝΙΑΙΑ ΑΜΟΙΒΗ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΑΠΑΝΗ (Ευρώ) Μπασκούτας Σωτήριος 36 Αμισθος 0 Μπουρόπουλος Νικόλαος 36 Αμισθος 0 Γκοργκόλης Γεώργιος Καραγιάννης Δημήτριος 18 Αμισθος 0 Σύνολο ΑΝΑΛΩΣΙΜΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΟΣΟ (Ευρώ) Υλικά για σύνθεση 2000 Φιάλες αερίου Αργού ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΕΙΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΟΣΟ (Ευρώ) Διεθνές Συνέδριο 3000 Σύνολο 3000 ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΑΠΑΝΗ ΕΡΓΟΥ Ζ. ΣΥΝΘΕΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΟΜΑ ΑΣ ΚΑΙ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΗ ΚΑΘΕ ΜΕΛΟΥΣ (Επισυνάπτονται πλήρη βιογραφικά) 13

14 Υπεύθυνος έργου: Ερευνητές: Eπίκουρος Καθηγητής Σωτήριος Μπασκούτας (Τμήμα Επιστήμης των Υλικών) Eπιβλέπει και καθοδηγεί. Συμμετέχει στην μοντελοποίηση και θεωρητική μελέτη των νανοκρυσταλλικών ημιαγώγιμων υλικών, στη σύνθεσή τους με μηχανική κονιορτοποίηση, και θερμική εξάχνωση καθώς επίσης και στο χαρακτηρισμό τους με περίθλαση ακτίνων Χ, DSC και φασματοσκοπία UV Vissible και PL. Σύγκριση των αποτελεσμάτων με τη διεθνή βιβλιογραφία. Ερμηνεία θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων. Προτάσεις για δημοσιεύσεις, καινοτομίες και εφαρμογές. Επαφές με βιομηχανία μέσω του γραφείου διαμεσολάβησης του Παν/μιου Πατρών. Επίκουρος Καθηγητής Νικόλαος Μπουρόπουλος (Τμήμα Επιστήμης των Υλικών) Συμμετέχει στη σύνθεση νανοκρυσταλλικών ημιαγώγιμων νανοκρυσταλλικών υλικών με χημικές μεθόδους καθώς επίσης και στο χαρακτηρισμό τους με SEM, DSC και φασματοσκοπία UV Vissible και PL. Παρουσίαση αποτελεσμάτων σε τοπικά και διεθνή συνέδρια. Μεταπτυχ. φοιτητής Γεώργιος Γκοργκόλης (Τμήμα Επιστήμης των Υλικών) Συμμετέχει ενεργά στη σύνθεση νανοκρυσταλλικών ημιαγώγιμων υλικών με θερμική εξάχνωση και στο χαρακτηρισμό τους με περίθλαση ακτίνων Χ, SEM και φασματοσκοπία UV Vissible και PL. Προπτυχ. φοιτητής Δημήτρης Καραγιάννης (Τμήμα Επιστήμης των Υλικών) Στα πλαίσια διπλωματικής εργασίας με θέμα Σύνθεση, χαρακτηρισμός και μελέτη ιδιοτήτων νανοδομών οξειδίου του ψευδαργύρου συμμετέχει στη σύνθεση νανοκρυσταλλικών ημιαγώγιμων υλικών με θερμική εξάχνωση και στο χαρακτηρισμό τους με περίθλαση ακτίνων Χ, SEM και φασματοσκοπία UV Vissible και PL. Η. ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΤΕΛΕΥΤΑΙΑΣ ΤΡΙΕΤΙΑΣ Ο Επιστημονικός Υπεύθυνος του έργου Επικουρος Καθηγητής Σ. Μπασκούτας υπήρξε: ( ) Επιστημονικός Υπεύθυνος του προγράμματος συνεργασίας ΕΛΛΑΔΑ ΟΥΓΓΑΡΙΑ (ΓΓΕΤ), με τίτλο «Τεχνολογία παρασκευής, χαρακτηρισμός και μελέτη ιδιοτήτων συμπαγών άμορφων και νανοφασικών μεταλλικών κραμάτων» ( ) Επιστημονικός Υπεύθυνος ερευνητικού προγράμματος ΚΑΡΑΘΕΟΔΩΡΗ με τίτλο «Σχεδιασμός και ανάπτυξη νανοκρυσταλλικών ημιαγώγιμων υλικών για φωτοβολταϊκές και οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές» 14

15 (2006-σήμερα) Eπιστημονικός υπεύθυνος του προγράμματος ΠΡΑΚΤΙΚΗ ΆΣΚΗΣΗ ΦΟΙΤΗΤΩΝ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ (ΕΠΕΑΕΚ Γ Φάση), Τμήμα Επιστήμης των Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών ( ) Συμμετοχή στο πρόγραμμα ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ II με τίτλο «Ελεγχόμενη Δυναμική Νανοδομών και Εφαρμογές στους Κβαντικούς Υπολογιστές», Τμήμα Επιστήμης των Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών ( ) Συμμετοχή στο πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ με τίτλο «Οπτική Διαφάνεια και Εφαρμογές της σε Συστήματα Ημιαγώγιμων Κβαντικών Πηγαδιών και Κβαντικών Τελειών» Τμήμα Επιστήμης των Υλικών Πανεπιστήμιου Πατρών και Τ.Ε.Ι. Πατρών. ( ) Συμμετοχή στο πρόγραμμα ΠΕΝΕΔ 2003 με τίτλο «Αυτοσυγκροτούμενα δίκτυα μαγνητικών νανοσωματιδίων για εφαρμογές μονίμων μαγνητών, αισθητήρων και μέσων μαγνητικής εγγραφής», Τμήμα Επιστήμης των Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών ( ) Συμμετοχή στο πρόγραμμα ΙΚΥDΑ με τίτλο «Μελέτη της Θερμικής, Μηχανικής και Διηλεκτρικής απόκρισης σύνθετων συστημάτων ελαστομερικής (latex) μήτρας ενισχυμένης με ανόργανα νανοσωματίδια», Τμήμα Επιστήμης των Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών 15

16 Βιογραφικό Επιστημονικού Υπευθύνου Προσωπικά στοιχεία Επώνυμο Όνομα Θέση στο Ίδρυμα Τμήμα Μπασκούτας Σωτήριος Επίκουρος Καθηγητής Επιστήμης των Υλικών Τηλέφωνο επικοινωνίας Έτος Ίδρυμα Τίτλος (πτυχίο, διδακτορικό) 1989 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Φυσικής Πτυχίο Φυσικής 1993 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Φυσικής ιδακτορικό ίπλωμα Κύρια ερευνητική δραστηριότητα Μοντελοποίηση-μελέτη οπτικών ιδιοτήτων και ανάπτυξη με φυσικές μεθόδους ημιαγώγιμων νανοδομημένων υλικών Επιστημονικές εργασίες τα τελευταία 7 χρόνια (σε διεθνή περιοδικά με κριτές) 16

17 1. Jannussis, A., Brodimas, G., Baskoutas, S., Leodaris, A. (2003): Non Hermitian harmonic oscillator with discrete complex or real spectrum for non unitary squeeze operators, Journal of Physics A: Math. Gen.: A36, Baskoutas, S., Terzis, A. F., Politis, C. (2003): Stability of an Exciton bound to an Ionized Acceptor in Quantum Dots, International Journal of Modern Physics B17, Baskoutas, S., Lemis-Petropoulos, P., Kapaklis, V., Koveos, Y. (2003): Νanostructured and Amorphous Zr based Alloys prepared by Mechanical Alloying and Arc Melting, International Journal of Modern Physics B17, Kapaklis, V., Baskoutas, S., Politis, C. (2003): Glass Forming Ability of Bulk and Mechanically Alloyed Zr55Cu19Ni8Al8Si5Ti5 Amorphous Alloys, Journal of Optoelectronic and Advanced Materials Poulopoulos, P., Baskoutas, S., Kapaklis, V., Politis, C. (2003): Effects of Transition-Metal Element Addition on the Stability of the Supersaturated Ag-Cu Solid Solution by Mechanical Alloying, International Journal of Modern Physics B17, Baskoutas, S., Terzis, A.F., Voutsinas, E. (2004): Binding Energy of Donor States in a Quantum Dot with Parabolic Confinement, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 1, Baskoutas, S. (2005): Excitons and Charged excitons in InAs nanorods, Chemical Physics Letters 404, Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2005): Binding Energy Calculation of Excitonic Trions in Spherical Quantum Dots with the Quantum Adiabatic Theorem, Microelectronic Engineering 81, Terzis, A.F., Baskoutas, S. (2005): Binding energy of donor states in a GaAs quantum dot: Effect of electric and magnetic field, Journal of Physics: Conference Series 10, Poulopoulos, P., Baskoutas, S., Karoutsos, V., Angelakeris, M., Flevaris, N. K. (2005): Growth and optical absorption of thin ZnSe films, Journal of Physics: Conference Series 10, Baskoutas, S. (2005): Novel Formulation of the Hartree-Fock approximation: Effective Band Gap Calculation of InAs Nanorods, Physics Letters A341, Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2005)*: Biexciton Luminescence in InAs nanorods, Journal of Applied Physics 98, (*Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, August 29 (2005)). 13. Voutsinas, E., Fountoulakis, A., Terzis, A.F., Boviatsis, J., Baskoutas, S., Paspalakis, E. (2006): Coherent Phenomena in a Semiconductor Quantum Well System: Effects of Double Dark States, Proceedings of SPIE Volume: 6321, Nanophotonic Materials III, Editor(s): Zeno Gaburro, Stefano Cabrini, 63210P. 17

18 14. Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2006): Size Dependent Band Gap of Colloidal Quantum Dots, Journal of Applied Physics 99, Baskoutas, S., Poulopoulos, P., Karoutsos, V., Angelakeris, M., Flevaris, N.K. (2006): Strong quantum confinement effects in thin zinc selenide films, Chemical Physics Letters. 417, Baskoutas, S., Terzis, A.F., Schommers, W. (2006): Size-Dependent Exciton Energy of Narrow Band Gap Colloidal Quantum Dots in the Finite Depth Square-Well Effective Mass Approximation, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 3, Kapaklis, V., Baskoutas, S., Schommers, W. (2006)*: Quantum Confinement and Effective Band Gap in Si nanocrystals, Journal of Nanoscience and Nanotechnology 6, (*cover image in Journal of Nanoscience and Nanotechnology). 18. Baskoutas, S., Paspalakis, E., Terzis, A.F. (2006): Effects of excitons in nonlinear optical rectification in semi-parabolic quantum dots, Physical Review B74, Baskoutas, S., Paspalakis, E., Terzis A.F. (2007): Excitonic effects in nonlinear optical rectification in small semi-parabolic quantum dots, Physica Status Solidi C4,

19 20. Baskoutas, S., Giabouranis, P., Yannopoulos, S.N., Dracopoulos, V., Toth, L., Chrissanthopoulos, A., Bouropoulos, N. (2007): Preparation of ZnO nanoparticles by thermal decomposition of zinc alginate, Thin Solid Films 515, Chrissanthopoulos, A., Baskoutas, S., Bouropoulos, N., Dracopoulos, V., Tassis, D., Yannopoulos, S.N. (2007): ZnO nanostructures grown on carbon nanotubes by thermal evaporation, Thin Solid Films 515, (cited in Top 25 articles of the journal, December 2007). 22..Baskoutas, S., Paspalakis, E., Terzis, A.F. (2007): Εlectronic structure and non linear optical rectification in a quantum dot: Effects of impurity and external electric field, Journal of Physics: Condensed Matter 19, (9pp). 23. Poulopoulos, P., Baskoutas, S., Kiss, L. F., Bujdosó, L., Kemény, T., Wilhelm, F., Rogalev, F., Kapaklis, V., Politis, C., Angelakeris, M., Saksl, K. (2008): Magnetic moments of Fe and Y in the FeBY glass forming system, Journal of Non-Crystalline Solids 354, Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2008): Biexciton Luminescence of PbS and PbSe Colloidal Quantum Dots embedded in E-MAA and Phosphate glasses, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 5, Paspalakis, E., Simserides C., Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2008) Electromagnetically induced adiabatic polulation transfer between two quantum well subbands, Physica E: Low- Dimensional Systems and Nanostructures 40, Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2008): Size dependent exciton energy of various technologically important colloidal quantum dots Materials Science and Engineering B-Solid State Materials For Advanced Technology 147,

20 27. Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2008): Binding Energy of Hydrogenic Impurity States in an Inverse Parabolic Quantum Well under Electric Field, Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures 40, Kiss, L.F., Kemény, T., Baskoutas, S., Poulopoulos, P., Kapaklis, V., Politis, C. (2008): Heterogeneous magnetism in dilute Fe containing bulk metallic glasses and nanocrystals, Journal of Physics: Condensed Matter 20, Karabulut I., Baskoutas S., (2008): Linear and Nonlinear Optical Absorption Coefficients and Refractive Index Changes in Spherical Quantum Dots: Effects of Impurities, Electric Field, Size and Optical Intensity, Journal οf Applied Physics 103, Bouropoulos, N., Psarras, G.C., Moustakas, N., Chrissanthopoulos, A., Baskoutas, S. (2008): Optical and Dielectric Properties of ZnO/PVA Nanocomposites, Physica Status Solidi A- Applications and Materials Science 205, Bouropoulos N., Tsiaoussis I., Poulopoulos P., Roditis P, and Baskoutas S., (2008) ZnO controllable sized quantum dots produced by polyol method: An experimental and theoretical study, Materials Letters 62, Karabulut I., Baskoutas S., (2009): Second and third harmonic generation susceptibilities of spherical quantum dots: Effects of impurities, electric field and size, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 6, Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2009): Binding energy of hydrogenic impurity states in an inverse parabolic quantum well under static external fields European Physical Journal B69, Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2010): Binding Energy of Hydrogenic Impurity States in an Inverse Parabolic Quantum Well under Parallel Electric Field and Magnetic Field, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 7, Baskoutas, S., Bester G., (2010): Conventional Optics from Unconventional Electronics in ZnO colloidal quantum dots, accepted for publication in Journal of Physical Chemistry C. Επιστημονικές εργασίες στο αντικείμενο της πρότασης τα τελευταία 10 χρόνια (σε διεθνή περιοδικά με κριτές, συμπεριλαμβανομένων σχετικών επίσης διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, βιβλίων, βραβείων, κ.ά.) 20

21 1. Rieth, M., Schommers, W., Baskoutas, S. (2000): Thermal stability and specific material properties of Nanosystems, Modern Physics Letters B14, Baskoutas, S., Politis, C., Rieth, M., Schommers, W. (2001): Dissipative dynamics of a parabolic confined particle in the presence of magnetic field, Physica A292, Rieth, M., Schommers, W., Baskoutas, S., Politis, C., Jannussis, A. (2001): On the Thermal Stability and Melting Temperature of Nano systems, Chinese Physics 10, S137 - S Politis, C., Spiliotis, A. D., Kapaklis, V., Baskoutas, S. (2001): Nanostructured Multicomponent Materials by Mechanical Alloying, Chinese Physics 10, S27 - S Rieth, M., Schommers, W., Baskoutas, S., Politis, C. (2001): Spontaneous Transformations of Nanoclusters, Chinese Physics 10, S132 - S Athanasiou, N. S., Politis, C., Spirlet J.C., Baskoutas S., Kapaklis V. (2002): The significance of valence electron concentration on the formation mechanism of some ternary aluminum based quasicrystals, Int. J. Mod. Phys. B16, Baskoutas, S., Kapaklis V., Politis, C. (2002): Bulk amorphous Zr 57 Cu 20 Al 10 Ni 8 Ti 5 and Zr 55 Cu 19 Al 8 Ni 8 Ti 5 Si 5 alloys prepared by arc melting, International Journal of Modern Physics B16, Rieth, M., Schommers, W., Baskoutas, S. (2002): Exact Numerical Solution of Schrödinger s equation for a particle in an interaction potential of general shape, International Journal of Modern Physics B16, Baskoutas S., Rieth, M., Terzis, A. F., Kapaklis V., Politis, C. (2002): Novel Numerical Method for the solution of the Schrödinger s equation: Exciton Energy of CdS quantum dots, International Journal of Modern Physics B16, Baskoutas, S., Schommers, W., Terzis, A. F., Rieth, M., Kapaklis, V., Politis, C. (2003): Stability of an Exciton bound to an Ionized Donor in Quantum Dots, Physics Letters A308, Baskoutas, S., Terzis, A. F., Politis, C. (2003): Stability of an Exciton bound to an Ionized Acceptor in Quantum Dots, International Journal of Modern Physics B17,

22 12. Baskoutas, S., Lemis-Petropoulos, P., Kapaklis, V., Koveos, Y. (2003): Νanostructured and Amorphous Zr based Alloys prepared by Mechanical Alloying and Arc Melting, International Journal of Modern Physics B17, Kapaklis, V., Baskoutas, S., Politis, C. (2003): Glass Forming Ability of Bulk and Mechanically Alloyed Zr55Cu19Ni8Al8Si5Ti5 Amorphous Alloys, Journal of Optoelectronic and Advanced Materials Poulopoulos, P., Baskoutas, S., Kapaklis, V., Politis, C. (2003): Effects of Transition-Metal Element Addition on the Stability of the Supersaturated Ag-Cu Solid Solution by Mechanical Alloying, International Journal of Modern Physics B17, Baskoutas, S., Terzis, A.F., Voutsinas, E. (2004): Binding Energy of Donor States in a Quantum Dot with Parabolic Confinement, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 1, Baskoutas S., Terzis A.F: Stability of an Exciton bound to an Ionized Donor and/or Acceptor in Quantum Dots, Trends in Quantum Dots Research, ed. P. A. Ling, Nova Science Publishers, ISBN , pp (2005). 17. Terzis A.F, Baskoutas S, Calculation of Impurity states in Quantum Dots with Potential Morphing Method, Trends in Quantum Dots Research, ed. P.A. Ling, Nova Science Publishers, ISBN , pp (2005). 18. Baskoutas, S. (2005): Excitons and Charged excitons in InAs nanorods, Chemical Physics Letters 404, Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2005): Binding Energy Calculation of Excitonic Trions in Spherical Quantum Dots with the Quantum Adiabatic Theorem, Microelectronic Engineering 81, Terzis, A.F., Baskoutas, S. (2005): Binding energy of donor states in a GaAs quantum dot: Effect of electric and magnetic field, Journal of Physics: Conference Series 10, Poulopoulos, P., Baskoutas, S., Karoutsos, V., Angelakeris, M., Flevaris, N. K. (2005): Growth and optical absorption of thin ZnSe films, Journal of Physics: Conference Series 10, Baskoutas, S. (2005): Novel Formulation of the Hartree-Fock approximation: Effective Band Gap Calculation of InAs Nanorods, Physics Letters A341, Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2005)*: Biexciton Luminescence in InAs nanorods, Journal of Applied Physics 98, (*Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, August 29 (2005)). 22

23 24. Voutsinas, E., Fountoulakis, A., Terzis, A.F., Boviatsis, J., Baskoutas, S., Paspalakis, E. (2006): Coherent Phenomena in a Semiconductor Quantum Well System: Effects of Double Dark States, Proceedings of SPIE Volume: 6321, Nanophotonic Materials III, Editor(s): Zeno Gaburro, Stefano Cabrini, 63210P. 25. Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2006): Size Dependent Band Gap of Colloidal Quantum Dots, Journal of Applied Physics 99, Baskoutas, S., Poulopoulos, P., Karoutsos, V., Angelakeris, M., Flevaris, N.K. (2006): Strong quantum confinement effects in thin zinc selenide films, Chemical Physics Letters. 417, Baskoutas, S., Terzis, A.F., Schommers, W. (2006): Size-Dependent Exciton Energy of Narrow Band Gap Colloidal Quantum Dots in the Finite Depth Square-Well Effective Mass Approximation, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 3, Kapaklis, V., Baskoutas, S., Schommers, W. (2006)*: Quantum Confinement and Effective Band Gap in Si nanocrystals, Journal of Nanoscience and Nanotechnology 6, (*cover image in Journal of Nanoscience and Nanotechnology). 29. Baskoutas, S., Paspalakis, E., Terzis, A.F. (2006): Effects of excitons in nonlinear optical rectification in semi-parabolic quantum dots, Physical Review B74, Baskoutas, S., Paspalakis, E., Terzis A.F. (2007): Excitonic effects in nonlinear optical rectification in small semi-parabolic quantum dots, Physica Status Solidi C4, Baskoutas, S., Giabouranis, P., Yannopoulos, S.N., Dracopoulos, V., Toth, L., Chrissanthopoulos, A., Bouropoulos, N. (2007): Preparation of ZnO nanoparticles by thermal decomposition of zinc alginate, Thin Solid Films 515,

24 32. Chrissanthopoulos, A., Baskoutas, S., Bouropoulos, N., Dracopoulos, V., Tassis, D., Yannopoulos, S.N. (2007): ZnO nanostructures grown on carbon nanotubes by thermal evaporation, Thin Solid Films 515, (cited in Top 25 articles of the journal, December 2007). 33..Baskoutas, S., Paspalakis, E., Terzis, A.F. (2007): Εlectronic structure and non linear optical rectification in a quantum dot: Effects of impurity and external electric field, Journal of Physics: Condensed Matter 19, (9pp). 34. Paspalakis E., Baskoutas S., Terzis A.F., Proceedings of SPIE Volume: 6582, Control of intersubband population inversion in double semiconductor quantum wells interacting with pulsed electromagnetic fields, Non Linear Optics and their Applications (2007). 35. Poulopoulos, P., Baskoutas, S., Kiss, L. F., Bujdosó, L., Kemény, T., Wilhelm, F., Rogalev, F., Kapaklis, V., Politis, C., Angelakeris, M., Saksl, K. (2008): Magnetic moments of Fe and Y in the FeBY glass forming system, Journal of Non-Crystalline Solids 354, Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2008): Biexciton Luminescence of PbS and PbSe Colloidal Quantum Dots embedded in E-MAA and Phosphate glasses, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 5, Paspalakis, E., Simserides C., Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2008) Electromagnetically induced adiabatic polulation transfer between two quantum well subbands, Physica E: Low- Dimensional Systems and Nanostructures 40, Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2008): Size dependent exciton energy of various technologically important colloidal quantum dots Materials Science and Engineering B-Solid State Materials For Advanced Technology 147, Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2008): Binding Energy of Hydrogenic Impurity States in an Inverse Parabolic Quantum Well under Electric Field, Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures 40, Kiss, L.F., Kemény, T., Baskoutas, S., Poulopoulos, P., Kapaklis, V., Politis, C. (2008): Heterogeneous magnetism in dilute Fe containing bulk metallic glasses and nanocrystals, Journal of Physics: Condensed Matter 20,

25 41. Karabulut I., Baskoutas S., (2008): Linear and Nonlinear Optical Absorption Coefficients and Refractive Index Changes in Spherical Quantum Dots: Effects of Impurities, Electric Field, Size and Optical Intensity, Journal οf Applied Physics 103, Bouropoulos, N., Psarras, G.C., Moustakas, N., Chrissanthopoulos, A., Baskoutas, S. (2008): Optical and Dielectric Properties of ZnO/PVA Nanocomposites, Physica Status Solidi A- Applications and Materials Science 205, Bouropoulos N., Tsiaoussis I., Poulopoulos P., Roditis P, and Baskoutas S., (2008) ZnO controllable sized quantum dots produced by polyol method: An experimental and theoretical study, Materials Letters 62, Karabulut I., Baskoutas S., (2009): Second and third harmonic generation susceptibilities of spherical quantum dots: Effects of impurities, electric field and size, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 6, Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2009): Binding energy of hydrogenic impurity states in an inverse parabolic quantum well under static external fields European Physical Journal B 69, Kyriazis F, S.N. Yannopoulos S.N., Chrissanthopoulos A., Baskoutas S., Bouropoulos N., ZnO Nanostructures Grown By Thermal Evaporation And Thermal Decomposition Methods, in press NATO-ASI series "Nanostructured Materials for Advanced Technological Applications" (2009). 47. Baskoutas, S., Terzis, A.F. (2010): Binding Energy of Hydrogenic Impurity States in an Inverse Parabolic Quantum Well under Parallel Electric Field and Magnetic Field, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 7, Baskoutas, S., Bester G., (2010): Conventional Optics from Unconventional Electronics in ZnO colloidal quantum dots, accepted for publication in Journal of Physical Chemistry C. Αριθμός ετεροαναφορών και σημαντικές διεθνείς συνεργασίες 500 Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Germany Institute for Microstructural Sciences National Research Council of Canada (NRC) Ottawa, Ontario, Canada Συνολικός αριθμός δημοσιεύσεων σε περιοδικά 71 25