Αναλυτικό Υπόμνημα Δημοσιεύσεων

Transcript

1 Ιωάννα Σακελλάρη Αναλυτικό Υπόμνημα Δημοσιεύσεων A. Επιστημονικά περιοδικά A.1. T. P. Bernat, J. H. Campbell, N. Petta, I. Sakellari, S. Koo, J.-H. Yoo, and C. Grigoropoulos, «Fabrication of Micron-Scale Cylindrical Tubes by Two-Photon Polymerization» Κοίλοι κυλινδρικοί σωλήνες που αναπτύσονται απευθείας από επίπεδα υποστρώματα γυαλιού, καθώς και από σφαιρικά πολυμερικά υποστρώματα κατασκευασμένα με την τεχνική εκκένωσης αίγλης, κατασκευάστηκαν με την τεχνική του διφωτονικού πολυμερισμού. Οι διάμετροι των σωλήνων ήταν περίπου 10μm σε εξωτερική διάμετρο και 4 με 5μm σε εσωτερική διάμετρο, ενώ τα μήκη τους ήταν τόσο μακριά όσο 450μm. Δύο φωτοευαίσθητα υλικά εξετάστηκαν δίνοντας σωλήνες με διαφορετικές ελαστικές ιδιότητες. Η μία ρητίνη ήταν ένα οργανικό-ανόργανο υβριδικό κολλοειδές πήγμα πυριτίου-ζιρκονίου, το δε δεύτερο ήταν το Ormocomp, ένα εμπορικά διαθέσιμο υλικό. Η ισχύς της σύνδεσης των σωλήνων κολλοειδούς πήγματος ζιρκονίου πάνω στα υποστρώματα τους μετρήθηκε να είναι περίπου 100 MPa. A.2. J.-H. Yoo, J. B. In, C. Zheng, I. Sakellari, R. N. Raman, M. J. Matthews, S. Elhadj, and C. P. Grigoropoulos, «Directed dewetting of amorphous silicon film by a donutshaped laser pulse» Προτείνεται η ακτινοβόληση ενός λεπτού υμενίου με διαμορφωμένη δέσμη λέιζερ για την επίτευξη μιας τοπικά επιλεκτικής ελεγχόμενης αποξήρανσης του λεπτού υμενίου σε δομές τάξεως νανοκλίμακας. Ως απόδειξη του συγκεκριμένου ισχυρισμού, αποδεικνύουμε την απευθείας αποξήρανση γράφοντας με λέιζερ πάνω σε ένα λεπτό υμένιο από άμορφο πυριτίο τοποθετημένο πάνω σε γυάλινο υπόστρωμα χρησιμοποιώντας μια δέσμη λέιζερ διαμορφωμένη σε σχήμα ντόνατ. Κατά την ακτινοβόληση με ένα ενιαίο παλμό λέιζερ, η μεμβράνη πυριτίου λιώνει και αποξηραίνεται στην επιφάνεια του υποστρώματος. Η ακτινοβόληση με τη δέσμη ντόνατ προκαλεί ένα μη-συμβατικό προφίλ θερμοκρασίας κατά μήκος του λεπτού υμενίου, που οδηγεί σε επαγόμενη μεταφορά του λιωμένου πυριτίου στο κέντρο της δέσμης λόγω των τριχοειδών δυνάμεων. Κατά την στερεοποίηση, το υπέρλεπτο υμένιο άμορφου πυριτίου μετασχηματίζεται σε μια κρυσταλλική νανοδομή πυριτίου με αυξημένο ύψος. Αυτή η μορφολογική αλλαγή επιτρέπει την περαιτέρω μείωση των διαστάσεων της νανοδομής καθώς και την αφαίρεση του περιβάλλοντος υλικού του υμενίου με ισοτροπική εγχάραξη του πυριτίου. Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η αποξήρανση λεπτών υμενίων με χρήση λέιζερ μπορεί να είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για την κλιμακούμενη κατασκευή νανοδομημένων μοτίβων. A.3. I. Sakellari, E. Kabouraki, D. Gray, V. Purlys, C. Fotakis, A. Pikulin, N. Bityurin, M. Vamvakaki, and M. Farsari, «Diffusion-Assisted High-Resolution Direct Femtosecond Laser Writing» Παρουσιάζουμε μια νέα μέθοδο για την αύξηση/βελτίωση της ακρίβειας στην απευθείας γραφή με femtosecond λέιζερ με βάση τον πολυφωτονικό πολυμερισμό, η οποία στηρίζεται στη διάχυση μορίων απόσβεσης (quenchers). Η μέθοδος αυτή βασίζεται στο συνδυασμό ενός ευκίνητου μορίου απόσβεσης μαζί με αργή ταχύτητα 1

2 σάρωσης της δέσμης λέιζερ επιτρέποντας τη διάχυση του μορίου απόσβεσης στην περιοχή σάρωσης και την εξάντληση των πολυφωτονικά παραγόμενων ελεύθερων ριζών. Το υλικό που χρησιμοποιούμε είναι ένα οργανικό-ανόργανο υβριδικό υλικό, ενώ το μόριο απόσβεσης είναι ένα φωτοπολυμεριζόμενο αμινο-μονομερές, το οποίο δεσμεύεται επί του σκελετού του πολυμερούς κατά την κατασκευή των δομών. Χρησιμοποιήσαμε αυτή τη μέθοδο για την κατασκευή woodpile δομών με περίοδο 400nm σε κάθε ενδο-στρώση. Τα αποτελέσματα αυτά είναι συγκρίσιμα με εκείνα που παράγονται με την τεχνική της απευθείας γραφής με λέιζερ με βάση τη μικροσκοπία εξαναγκασμένης εκπομπής-εξάντλησης, μία μέθοδος που θεωρείται σήμερα ως η πιο προηγμένη στην κατασκευή τρισδιάστατων δομών. Χαρακτηρίζουμε οπτικά τις woodpiles δομές και δείχνουμε ότι εμφανίζουν καλώς οργανωμένα διαγράμματα περίθλασης καθώς και οπτικά χάσματα που φτάνουν σχεδόν μέχρι τα υπέρυθρα μήκη κύματος. Τέλος, αναπτύσουμε ένα μοντέλο σχετικά με τη διάχυση του μορίου απόσβεσης και δείχνουμε ότι η αναστολή των ελεύθερων ριζών είναι υπεύθυνη για την αύξηση της ακρίβειας στην απευθείας γραφή με λέιζερ. A.4. N. Vasilantonakis, K. Terzaki, I. Sakellari, V. Purlys, D. Gray, C. M. Soukoulis, M. Vamvakaki, M. Kafesaki, and Maria Farsari, «Three-Dimensional Metallic Photonic Crystals with Optical Bandgaps» Τρισδιάστατοι μεταλλικοί φωτονικοί κρύσταλλοι με οπτικά χάσματα κατασκευάζονται με χρήση της τεχνικής απευθείας γραφής με λέιζερ με βάση τον διφωτονικό πολυμερισμό. Χρησιμοποιώντας ένα οργανικό-ανόργανο υβριδικό υλικό που φέρει σημεία/ομάδες πρόσδεσης μετάλλων κατασκευάζουμε πρώτα τη διηλεκτρική μήτρα τρισδιάστατων woodpile δομών με περίοδο 600nm σε κάθε ενδο-στρώση, τις οποίες στη συνέχεια επικαλύπτουμε με ασήμι χρησιμοποιώντας επιλεκτική μη ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση. Οι προκύπτουσες φωτονικές νανοδομές έχουν μια λεία μεταλλική επιφάνεια και εμφανίζουν καλώς καθορισμένα διαγράμματα περίθλασης, υποδεικνύοντας καλή ποιότητα κατασκευής και εσωτερική περιοδικότητα. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η τεχνική απευθείας γραφής με λέιζερ σε συνδυασμό με την επιλεκτική μη ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση μπορούν να συνδυαστούν για την κατασκευή τρισδιάστατων μεταλλικών φωτονικών νανοδομών. A.5. G. Bickauskaite, M. Manousidaki, K. Terzaki, E. Kambouraki, I. Sakellari, N. Vasilantonakis, D. Gray, C. M. Soukoulis, C. Fotakis, M. Vamvakaki, M. Kafesaki, M. Farsari, A. Pikulin, and N. Bityurin, «3D Photonic Nanostructures via Diffusion- Assisted Direct fs Laser Writing» Παρουσιάζουμε την έρευνά μας σχετικά με την κατασκευή πλήρως τρισδιάστατων μεταλλικών νανοδομών με χρήση της τεχνικής απευθείας γραφής με λέιζερ με υποβοηθούμενη διάχυση, μια τεχνική που χρησιμοποιεί τη διάχυση μορίων απόσβεσης για την κατασκευή δομών με ακρίβεια πέρα από το όριο περίθλασης. Έχουμε κατασκευάσει διηλεκτρικές τρισδιάστατες νανοδομές με την τεχνική του πολυφωτονικού πολυμερισμού χρησιμοποιώντας ένα οργανικό-ανόργανο υβριδικό υλικό που φέρει σημεία/ομάδες πρόσδεσης μετάλλων και τις οποίες επικαλύψαμε με ασήμι χρησιμοποιώντας επιλεκτική μη ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση. Έχουμε χρησιμοποιήσει αυτή τη μέθοδο για να κατασκευάσουμε σπείρες και woodpiles δομές με περίοδο 600nm σε κάθε ενδο-στρώση. Οι προκύπτουσες φωτονικές νανοδομές έχουν μια λεία μεταλλική επιφάνεια και εμφανίζουν καλώς καθορισμένα διαγράμματα περίθλασης, υποδεικνύοντας καλή ποιότητα κατασκευής και εσωτερική 2

3 περιοδικότητα. Επιπλέον, έχουμε κατασκευάσει διηλεκτρικές woodpile δομές διακοσμημένες με νανοσωματίδια χρυσού. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η τεχνική απευθείας γραφής με λέιζερ με υποβοηθούμενη διάχυση και η επιλεκτική μη ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση μπορούν να συνδυαστούν για να αποτελέσουν μία βιώσιμη λύση για την κατασκευή τρισδιάστατων διηλεκτρικών και μεταλλικών φωτονικών νανοδομών. A.6. M. Malinauskas, A. Gaidukeviciute, V. Purlys, A. Zukauskas, I. Sakellari, E. Kabouraki, A. Candiani, D. Gray, S. Pissadakis, R. Gadonas, A. Piskarskas, C. Fotakis, M. Vamvakaki, and M. Farsari, «Direct laser writing of microoptical structures using a Ge-containing hybrid material» Παρουσιάζουμε τις έρευνές μας σχετικά με την απευθείας γραφή με λέιζερ ενός νέου υβριδικού κολλοειδούς-πήγματος (sol-gel) φωτοευαίσθητου υλικού που περιέχει γερμάνιο για οπτικές εφαρμογές σε μικροκλίμακα. Χρησιμοποιούμε αυτό το υλικό για την κατασκευή φωτονικών μικρο-δομών, όπως ασφαιρικούς φακούς και πρίσματα: αυτά τα οπτικά στοιχεία είναι καλά διαμορφωμένα και παρέχουν καλή οπτική απόδοση. Το υλικό επιδεικνύει καλή διαφάνεια και δόμηση και, επιπλέον, επιτυγχάνεται η κατασκευή τρισδιάστατων δομών με ακρίβεια κάτω των 100nm. Αποδεικνύουμε την καταλληλότητα της μεθόδου της απευθείας γραφής με λέιζερ για την ταχεία παραγωγή προσαρμοσμένου σχήματος μικρο-οπτικών στοιχείων. Εφόσον γυαλιά από γερμάνιο χρησιμοποιούνται ευρέως στις οπτικές ίνες, ο συνδυασμός της τεχνικής απευθείας γραφής με λέιζερ με αυτό το ειδικά σχεδιασμένο λειτουργικό υλικό ανοίγει ένα καινούριο δρόμο στην κατασκευή δομών με σκοπό τον έλεγχο της διάδοσης του φωτός. A.7. I. Sakellari, A. Gaidukeviciute, A. Giakoumaki, D. Gray, C. Fotakis, M. Farsari, M. Vamvakaki, C. Reinhardt, A. Ovsianikov, and B. N. Chichkov, «Two-photon polymerization of titanium-containing sol-gel composites for three-dimensional structure fabrication» Σε αυτήν τη δουλειά, έχουμε συνθέσει και χαρακτηρίσει ένα νέο υβριδικό υλικό, το οποίο περιέχει τιτάνιο και με το οποίο είναι δυνατόν να κατασκευαστούν τρισδιάστατες δομές χρησιμοποιώντας την τεχνική του διφωτονικού πολυμερισμού. Ερευνούμε την επίδραση που έχει στην δυνατότητα κατασκευής δομών η αύξηση της συγκέντρωσης του ισοπροποξειδίου του τιτανίου και του μεθακρυλικού οξέος σε αυτό το φωτοευαίσθητο σύνθετο υλικό. Δείχνουμε ότι ενώ είναι δυνατή η δημιουργία διάφανων λεπτών υμενίων με μοριακή αναλογία σε περιεκτικότητα ισοπροποξειδίου του τιτανίου έως και 90%, τρισδιάστατες δομές μπορούν να κατασκευαστούν μόνο όταν η μοριακή αναλογία σε περιεκτικότητα ισοπροποξειδίου του τιτανίου είναι λιγότερο από 50%. Μετράμε τον δείκτη διάθλασης των λεπτών υμενίων με διαφορετικές συγκεντρώσεις ισοπροποξειδίου του τιτανίου:μεθακρυλικού οξέως και δείχνουμε ότι ενώ ο δείκτης διάθλασης αυξάνεται γραμμικά με τη συγκένρωση του ισοπροποξειδίου του τιτανίου, η αύξηση της περιεκτικότητας σε μεθακρυλικό οξύ δεν επηρεάζει τον δείκτη διάθλασης του υλικού. A.8. M. Farsari, I. Sakellari, D. Gray, M. Vamvakaki, C. Fotakis, A. Ovsianikov, and B. N. Chichkov, «Three-dimensional direct writing of novel sol-gel composites for photonics applications» Ο διφωτονικός πολυμερισμός φωτοευαίσθητων υλικών έχει αναδεικνυθεί ως μία πολλά υποσχόμενη τεχνική για την κατασκευή φωτονικών κρυστάλλων και συσκευών. 3

4 Σε αυτήν τη δουλειά, παρουσιάζουμε τις έρευνές μας πάνω στην κατασκευή με χρήση της τεχνικής του διφωτονικού πολυμερισμού μιας νέας ομάδας φωτοευαίσθητων κολλοειδούς-πήγματος (sol-gel) υλικών που παρουσιάζουν πάρα πολύ μικρή συρρίκνωση. Πιο συγκεκριμένα, επικεντρωνόμαστε σε δύο σύνθετα υλικά; το πρώτο περιέχει ένα αλκοξείδιο του ζιρκονίου, το δεύτερο ένα μη γραμμικό μόριο. Οι τρισδιάστατες φωτονικές δομές που κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας αυτά τα υλικά επιδεικνύουν υψηλή ακρίβεια κατασκευής και σαφή φωτονικά χάσματα στην περιοχή του κοντινού υπερύθρου. A.9. M. Malinauskas, A. Zukauskas, V. Purlys, K. Belazaras, A. Momot, D. Paipulas, R. Gadonas, A. Piskarskas, H. Gilbergs, A. Gaidukeviciute, I. Sakellari, M. Farsari, and S. Juodkazis, «Femtosecond laser polymerization of hybrid/integrated microoptical elements and their characterization» Ο πολυφωτονικός πολυμερισμός με femtosecond δέσμη λέιζερ ενός κολλοειδούςπήγματος φωτοπολυμερούς ζιρκονίου-σιλικόνης χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή μιας σειράς από μικρο-οπτικά στοιχεία με ενιαίες και σύνθετες οπτικές ιδιότητες: κυρτοί και Fresnel φακοί, gratings, συμπαγείς εμβυθιζόμενοι φακοί πάνω σε γυαλάκι μικροσκοπίου καθώς και στην άκρη μιας οπτικής ίνας. Οι μικρο-οπτικοί φακοί παρήχθησαν ως πολυμερικά καπάκια με διαφορετικές ακτίνες από 10 έως 90μm. Η αντιστοίχηση των δεικτών διάθλασης μεταξύ του πολυμερούς και του υποστρώματος αξιοποιήθηκε για τη δημιουργία δομών, οι οποίες λειτουργούσαν σαν ενιαίοι φακοί. Χρησιμοποιώντας αυτήν την αρχή, κατασκευάζονται συμπαγείς εμβυθιζόμενοι φακοί και αποδεικνύεται η απόδοση τους. Η μεγέθυνση των σύνθετων συμπαγών εμβυθιζόμενων φακών αντιστοιχούσε στις υπολογιζόμενες τιμές. Η επιφανειακή τραχύτητα των φακών ήταν λιγότερη των 30nm, που είναι αποδεκτή για οπτικές εφαρμογές στην περιοχή του ορατού. Επιπλέον, αποδεικνύεται η ενσωμάτωση των μικρο-οπτικών στοιχείων πάνω στην άκρη της οπτικής ίνας. Προκειμένου να αυξηθεί η αποδοτικότητα του τρισδάστατου πολυμερισμού με λέιζερ, οι φακοί σχηματίστηκαν με σάρωση μόνο του εξωτερικού περιβλήματος, ενώ το εσωτερικό πολυμερίστηκε με έκθεση σε υπεριώδες φως. A.10. M. Farsari, A. Ovsianikov, M. Vamvakaki, I. Sakellari, D. Gray, B. N. Chichkov, and C. Fotakis, «Fabrication of three-dimensional photonic crystal structures containing an active nonlinear optical chromophore» Η απευθείας γραφή με δέσμη λέιζερ με διφωτονικό πολυμερισμό φωτοευαίσθητων υλικών έχει αναδειχθεί ως μία πολλά υποσχόμενη τεχνική για την ταχεία και ευέλικτη κατασκευή φωτονικών κρυστάλλων. Σε αυτή την εργασία, ένα φωτοευαίσθητο κολλοειδές-πήγμα σιλικόνης που περιέχει τη μη γραμμική οπτική χρωμοφόρα Disperse Red 1 συντίθεται και η τεχνική του διφωτονικού πολυμερισμού χρησιμοποιείται για την κατασκευή τρισδιάστατων φωτονικών κρυστάλλων με χάσματα στην περιοχή του κοντινού υπερύθρου. Το σύνθετο υλικό παρουσιάζει ελάχιστη συρρίκνωση κατά τον φωτοπολυμερισμό ελαχιστοποιώντας την ανάγκη για αντιστάθμιση της συρρίκνωσης ή την κατασκευή υποστηρικτικών δομών. A.11. A. Ovsianikov, J. Viertl, B. Chichkov, M. Oubaha, B. MacCraith, I. Sakellari, A. Giakoumaki, D. Gray, M. Vamvakaki, M. Farsari, and C. Fotakis, «Ultra-Low Shrinkage Hybrid Photosensitive Material for Two-Photon Polymerization Microfabrication» 4

5 Παρουσιάζονται οι έρευνες μας σχετικά με τη δόμηση με χρήση της τεχνικής του διφωτονικού πολυμερισμού ενός φωτοευαίσθητου υλικού ζιρκονίου-σιλικόνης που δεν παρουσιάζει συρρίκνωση. Αυτό το υβριδικό υλικό μπορεί να φωτο-δομηθεί ακόμη ακι όταν περιέχει έως και 30mol% ισοπροποξειδίου του ζιρκονίου (ZPO); μεταβάλλοντας την περιεκτικότητα σε ανόργανο υλικό, είναι δυνατό να τροποποιηθεί και να μεταβληθεί κατά παραγγελία ο δείκτης διάθλασης του. Η προσθήκη ZPO αυξάνει σημαντικά την φωτοευαισθησία του προκύπτοντος πολυμερούς. Οι κατασκευασμένοι τρισδιάστατοι φωτονικοί κρύσταλλοι επιδεικνύουν υψηλή ακρίβεια και σαφή φωτονικά χάσματα στη περιοχή του κοντινού υπερύθρου. Σε αντίθεση με την κοινή πρακτική, καμία επιπρόσθετη προσπάθεια δεν χρειάζεται για αντιστάθμιση της συρρίκνωσης ή για την βελτίωση της δομικής σταθερότητας των κατασκευασμένων φωτονικών κρυστάλλων; αυτό σε συνδυασμό με τη δυνατότητα προσαρμογής των οτπικών, μηχανικών και χημικών ιδιοτήτων του υλικού κατά παραγγελία, το καταστεί κατάλληλο για μια σειρά από εφαρμογές για κατασκευή με βάση τον διφωτονικό πολυμερισμό. A.12. A. Ovsianikov, A. Gaidukeviciute, B. N. Chichkov, M. Oubaha, B. D. MacCraith, I. Sakellari, A. Giakoumaki, D. Gray, M. Vamvakaki, M. Farsari, and C. Fotakis, «Two-Photon Polymerization of Hybrid Sol-Gel Materials for Photonics Applications» Ο διφωτονικός πολυμερισμός φωτοευαίσθητων υλικών έχει αναδειχθεί ως μία πολλά υποσχόμενη τεχνική για κατασκευή φωτονικών κρυστάλλων. Παρουσιάζουμε τις έρευνες μας πάνω στη φωτο-δόμηση με βάση το διφωτονικό πολυμερισμό μιας νέας ομάδας φωτοευαίσθητων κολλοειδούς-πήγματος (sol-gel) σύνθετων υλικών, τα οποία παρουσιάζουν πάρα πολύ μικρή συρρίκνωση. Συγκεκριμένα επικεντρώνουμε σε δύο σύνθετα υλικά, το πρώτο περιέχει ένα αλκοξείδιο του ζιρκονίου, το δεύτερο ένα μη γραμμικό μόριο. Οι τρισδιάστατες φωτονικές δομές που κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας αυτά τα υλικά επιδεικνύουν υψηλή ακρίβεια κατασκευής και σαφή φωτονικά χάσματα στην περιοχή του κοντινού υπερύθρου B. Πρακτικά συνεδρίων B.1. I. Sakellari, X. Yin, M. Nesterov, K. Terzaki, A. Xomalis, M. Farsari, and H. Giessen, «3D chiral plasmonic metamaterials fabricated by direct laser writing: The twisted omega particle», (Metamaterials 2016, the 10 th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, 2016) Στην παρούσα εργασία, η πλασμονική έκδοση ενός τρισδιάστατου χειρόμορφου μεταατόμου, το οποίο αποτελείται από μία δομή βρόχου-σύρματος (loop-wire), ή αλλιώς γνωστή και ως συνεστραμμένο ωμέγα (twisted omega) σωματίδιο, μελετάται πειραματικά και θεωρητικά. Το μεταλλικό σύρμα πεπερασμένου μήκους υποστηρίζει ένα ηλεκτρικό δίπολο, ενώ ο βρόχος συμπεριφέρεται ως ένας συντονιστής διακεκομμένου δακτυλίου (split ring resonator), ο οποίος υποστηρίζει ένα μαγνητικό δίπολο οδηγώντας στον διαχωρισμό του δεξιόστροφα και του αριστερόστροφα κυκλικά πολωμένου φωτός. Χρησιμοποιείται η τρισδιάστατη απευθείας γραφή με λέιζερ σε συνδυασμό με επακόλουθη επιλεκτική επιμετάλλωση με ασήμι για την κατασκευή τέτοιων τρισδιάστατων χειρόμορφων μετα-ατόμων με χαρακτηριστικά μεγέθη μικρότερα του ορίου περίθλασης. 5

6 B.2. I. Sakellari, X. Yin, M. Nesterov, K. Terzaki, A. Xomalis, and M. Farsari, «3D chiral plasmonic metamaterials fabricated by direct laser writing: The twisted omega particle», (META'16, the 7 th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, 2016) Στην παρούσα εργασία, συνδυάζουμε την τεχνική απευθείας γραφής με λέιζερ μαζί με επακόλουθη επιλεκτική επιμετάλλωση για να μελετήσουμε πειραματικά και θεωρητικά την πλασμονική έκδοση ενός τρισδιάστατου χειρόμορφου μετα-ατόμου, το οποίο αποτελείται από μία δομή βρόχου-σύρματος (loop-wire), ή αλλιώς γνωστή και ως συνεστραμμένο ωμέγα (twisted omega) σωματίδιο. Το μεταλλικό σύρμα πεπερασμένου μήκους συμπεριφέρεται ως μία μικρή ηλεκτρικά διπολική κεραία, ενώ ο βρόχος συμπεριφέρεται ως ένας συντονιστής διακεκομμένου δακτυλίου (split ring resonator), οποίος υποστηρίζει ένα μαγνητικό δίπολο οδηγώντας στον διαχωρισμό του δεξιόστροφα και του αριστερόστροφα κυκλικά πολωμένου φωτός. B.3. I. Sakellari, E. Kabouraki, D. Gray, M. Vamvakaki, and M. Farsari, «Quantum dot 3D based photonic devices», (Advanced Architectures in Photonics, 2016) Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζουμε τα πιο πρόσφατα αποτελέσματά μας σχετικά με την κατασκευή υψηλής ακρίβειας τρισδιάστατων φωτονικών κρυστάλλων, οι οποίοι περιέχουν ένα οργανικό-ανόργανο υλικό ζιρκονίου-σιλικόνης (Sr-Zr) καθώς και κβαντικές τελείες σουλφιδίου του καδμίου (CdS QDs), και οι οποίοι εμφανίζουν μη γραμμικότητα τρίτης τάξης καθώς και φωτονικά χάσματα στη περιοχή του ορατού. Το υλικό που χρησιμοποιείται σε αυτήν την εργασία είναι ένα φωτο-δομήσιμο οργανικόανόργανο υβριδικό υλικό σιλικόνης-ζιρκονίου, το οποίο συνθέσαμε χρησιμοποιώντας την τεχνική κολλοειδούς-πήγματος (sol-gel), όπου ενσωματώσαμε μόρια απόσβεσης (quenchers) επιτρέποντας την κατασκευή δομών με χαρακτηριστικά μεγέθη κάτω του ορίου περίθλασης, όπως επίσης και πρόδρομα μόρια κβαντικών τελειών δίνοντάς μας τη δυνατότητα για επί τόπου σύνθεση κβαντικών τελειών σουλφιδίου του καδμίου. Η ενσωμάτωση κβαντικών τελειών στην πολυμερική μήτρα έχει ως αποτέλεσμα ένα νέο υλικό (Cd-Zr-Si), το οποίο εμφανίζει υψηλό μη γραμμικό δείκτη διάθλασης, όπως αυτός μετρήθηκε μέσω της τεχνικής Z-scan. Χρησιμοποιώντας την τεχνική απευθείας γραφής με λέιζερ και της επί τόπου σύνθεσης κβαντικών τελειών σουλφιδίου του καδμίου, κατασκευάσαμε με επιτυχία τρισδιάστατες woodpile φωτονικές δομές με μεταβλητή περιοδιότητα σε κάθε ενδο-στρώση από 600nm έως 500nm, οι οποίες εμφανίζουν σαφή φωτονικά χάσματα στην περιοχή μηκών κύματος από 1000nm έως και 450nm, όπως αυτά μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία υπερύθρου. B.4. I. Sakellari, X. Yin, M. Nesterov, A. Radke, K. Terzaki, A. Xomalis, M. Farsari, and H. Giessen, «3D chiral plasmonic metamaterials made by direct laser writing», (Deutsche Physikalische Gesellschaft Spring Meeting, Regensburg, 2016) Στην παρούσα εργασία, συνδυάζουμε την τεχνική απευθείας γραφής με λέιζερ μαζί με επακόλουθη επιλεκτική επιμετάλλωση για να μελετήσουμε πειραματικά και θεωρητικά την πλασμονική έκδοση ενός τρισδιάστατου χειρόμορφου μετα-ατόμου, το οποίο αποτελείται από μία δομή βρόχου-σύρματος (loop-wire), ή αλλιώς γνωστή και ως συνεστραμμένο ωμέγα (twisted omega) σωματίδιο. Στην περίπτωση αυτή, το μεταλλικό σύρμα πεπερασμένου μήκους υποστηρίζει ένα ηλεκτρικό δίπολο, ενώ ο βρόχος συμπεριφέρεται ως ένας συντονιστής διακεκομμένου δακτυλίου (split ring resonator), οποίος υποστηρίζει ένα μαγνητικό δίπολο οδηγώντας στον διαχωρισμό του δεξιόστροφα και του αριστερόστροφα κυκλικά πολωμένου φωτός. Χρησιμοποιούμε 6

7 φασματοσκοπία υπερύθρου για τον χαρακτηρισμό των δομών αυτών, οι οποίες παρουσιάζουν έντονη CD απόκριση στην περιοχή του υπερύθρου σε συμφωνία με τους θεωρητικούς υπολογισμούς. B.5. I. Sakellari, J.-H. Yoo, D. Gray, M. Vamvakaki, N. Bityurin, A. Pikulin, C. Grigoropoulos, and Maria Farsari, «Multiple scribing via diffusion-assisted direct laser writing», (Deutsche Physikalische Gesellschaft Spring Meeting, Dresden, 2014) Στην παρούσα εργασία αναφερόμαστε στα πιο πρόσφατα αποτελέσματά μας σχετικά με την βελτίωση της ακρίβειας της απευθείας γραφής με λέιζερ εκμεταλλευόμενοι την διάχυση ενός μορίου απόσβεσης στην περιοχή σάρωσης. Χρησιμοποιώντας μία μέθοδο πολλαπλής χάραξης, εκμεταλλευόμαστε την συνεπαγόμενη εξάντληση των πολυφωτονικά παραγόμενων ελεύθερων ριζών στις ενδιάμεσες σαρώσεις επιτρέποντας την κατασκευή υψηλής ακρίβειας δομών. Το υλικό που χρησιμοποιούμε είναι ένα νέο οργανικό-ανόργανο υβριδικό υλικό το οποίο περιέχει ζιρκόνιο, ενώ το μόριο απόσβεσης (quencher) που χρησιμοποιείται μπορεί να φωτοπολυμεριστεί επίσης, και γίνεται μέρος του σκελετού του πολυμερούς κατά την διάρκεια της κατασκευής. Τρισδιάστατες woodpile δομές με χαρακτηριστικά μεγέθη 70nm σε πλευρική ακρίβεια και περίοδο 300nm κατασκευάζονται με επιτυχία. Ο οπτικός χαρακτηρισμός αυτών των δομών δείχνει ξεκάθαρα ότι παρουσιάζουν χάσματα στην περιοχή του ορατού, ενώ τα καλώς καθορισμένα διαγράμματα περίθλασης που αποκτήθηκαν υποδεικνύουν υψηλής ποιότητας δομές. B.6. M. Farsari, I. Sakellari, N. Vasilantonakis, K. Terzaki, D. Gray, C. M. Soukoulis, M. Vamvakaki, and M. Kafesaki, «3D Metallic Photonic Crystals With Optical Bandgaps», (International Quantum Electronics Conference ISBN: , 2013) Παρουσιάζουμε την έρευνά μας σχετικά με την κατασκευή τρισδιάστατων μεταλλικών νανοδομών χρησιμοποιώντας την τεχνική απευθείας γραφής με λέιζερ με τη συμβολή μορίων απόσβεσης, μία τεχνική που χρησιμοποιεί μόρια απόσβεσης για την κατασκευή τρισδιάστατων δομών με ακρίβεια κάτω του ορίου περίθλασης. Η κατασκευή των δομών γίνεται με την κατασκευή πρώτα της διηλεκτρικής μήτρας μέσα σε ένα συμπαγές πολυμερικό πλέγμα που περιέχει σημεία πρόσδεσης μετάλλων, και κατά δεύτερον με την επιλεκτική επικάλυψη αυτών με ασήμι χρησιμοποιώντας μη ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση. Χρησιμοποιήσαμε αυτή τη μέθοδο για την κατασκευή τρισδιάστατων σπειρών και woodpile δομών με περίοδο 600nm σε κάθε ενδοστρώση. Οι προκύπτουσες φωτονικές δομές παρουσιάζουν καλώς καθορισμένα διαγράμματα περίθλασης υποδεικνύοντας καλή ποότητα κατασκευής και εσωτερική περιοδικότητα. Οι μετρήσεις διαπερατότητας των woodpile δομών και οι αντίστοιχες προσομοιώσεις δείχνουν τη δημιουργία ενός φωτονικού χάσματος στην περιοχή του ορατού κοντά στα 700nm. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η απευθείας γραφή με λέιζερ με τη συμβολή μορίων απόσβεσης και η επιλεκτική μη ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση μπορούν να συνδυαστούν και να αποτελέσουν ένα εύκολο τρόπο για την κατασκευή τρισδιάστατων διηλεκτρικών και μεταλλικών φωτονικών ναοδομών. B.7. I. Sakellari, E. Kabouraki, D. Gray, C. Fotakis, A. Pikulin, N. Bityurin, M. Vamvakaki, and M. Farsari, «High resolution 3D woodpile structures by Direct fs Laser Writing», (NanoScience & Engineering, SPIE Optics and Photonics, 2012) 7

8 Ένα νέο οργανικό-ανόργανο υβριδικό υλικό παρουσιάζεται, το οποίο περιέχει μόρια απόσβεσης (quenchers) για τη βελτίωση της ακρίβειας της τεχνικής άμεσης γραφής με λέιζερ με βάση το διφωτονικό πολυμερισμό. Εκμεταλλευόμενοι τη διάχυση του μορίου απόσβεσης για τον περιορισμό της διάχυσης των ελεύθερων ριζών στην περιοχή σάρωσης επιτυγχάνουμε ακρίβεια γραφής κάτω των 100nm. Τρισδιάστατες woodpile δομές με περίοδο 400nm κατασκευάζονται με επιτυχία. Χαρακτηρίζουμε οπτικά αυτές τις woodpile δομές και δείχνουμε ότι παρουσιάζουν καλώς καθορισμένα διαγράμματα περίθλασης και χάσματα κοντά στην περιοχή του κοντινού υπερύθρου. B.8. N. Bityurin, A. Pikulin, I. Sakellari, E. Kabouraki, D. Gray, V. Purlys, C. Fotakis, M. Vamvaraki, M. Farsari, «Spatial resolution in multiphoton laser polymerization» (8 th International Conference on Photo-Excited Processes and Applications, ICPEPA-8, 2012) Ο πολυφωτονικός πολυμερισμός με απευθείας γραφή με λέιζερ είναι μία δυναμική τεχνική για την κατασκευή τρισδιάστατων δομών. Στην παρούσα εργασία, η απότομη και οριακή ανταπόκριση κοντά στο κατώφλι ενεργειών κατά την έκθεση σε λέιζερ παρέχει τη δυνατότητα κατασκευής νανοδομών με χαρακτηριστικά μεγέθη κάτω του ορίου περίθλασης. Η μετάβαση διήθησης είναι ένα πιθανός φυσικός μηχανισμός που επιτρέπει αυτόν τον μη γραμμικό χωρικό περιορισμό στην περίπτωση του πολυμερισμού με λέιζερ. Ερευνούμε το ρόλο της διάχυσης μορίων απόσβεσης, τα οποία συμμετέχουν στον πολυμερισμό με λέιζερ. Αναλύουμε θεωρητικά τους περιορισμούς που επιβάλλονται από τη διάχυση μικρών ενεργών ριζών που δημιουργούνται κατά της διαδικασία εκκίνησης, για το σχηματισμό δύο ξεχωριστών χαρακτηριστικών μεγεθών σε νανοκλίμακα όπως voxels, ράβδοι και πλάκες. Αναπτύσουμε μια θεωρητική προσέγγιση λαμβάνοντας διαδοχικά υπόψη τη διάχυση ελεύθερων ριζών με αυξανόμενο μήκος. Η προσέγγιση αυτή μας επιτρέπει να υπολογίσουμε μια χαρακτηριστική χωρική κλίμακα, η οποία καθορίζει τη χωρική ανάλυση για το συγκεκριμένο σύστημα πολυμερισμού. B.9. I. Sakellari, E. Kabouraki, K. Terzaki, D. Gray, C. Fotakis, A. Pikulin, N. Bityurin, M. Vamvakaki, and M. Farsari, «Direct fs Laser Writing: Principles and Applications» (POEM-2012, International Photonics and Optoelectronics Meetings, Wuhan, China, 2012) Παρουσιάζουμε μία νέα μέθοδο για βελτίωση της ακρίβειας στην τεχνική απευθείας γραφής με λέιζερ με βάση το διφωτονικό πολυμερισμό βασιζόμενη στη χρήση μορίων απόσβεσης. Χρησιμοποιούμε αυτή τη μέθοδο για να δημιουργήσουμε διηλεκτρικές και μεταλλικές φωτονικές δομές καθώς και δομές που περιέχουν κβαντικές τελείες. Τέλος, συζητάμε την δυνατότητα που παρέχει η τεχνική απευθείας γραφής με λέιζερ σε προηγμένες εφαρμογές στη φωτονική, στα μεταϋλικά και στη βιοιατρική. B.10. I. Sakellari, E. Kabouraki, V. Purlys, A. Gaidukeviciute, D.Gray, C. Fotakis, M. Vamvakaki, and M. Farsari, «Direct Laser Writing of Gain and Metallic Nanostructures» (CLEO/EUROPEEQEC, Conference on Lasers and Electro-Optics, European Quantum Electronics Conference, doi: /cleoe , 2011) Παρουσιάζουμε τις έρευνές μας πάνω στην κατασκευή τρισδιάστατων νανοδομών με την τεχνική απευθείας γραφής με λέιζερ χρησιμοποιώντας οργανικά-ανόργανα υβριδικά υλικά, τα οποία (i) μπορούν αν φωτοδομηθούν με ακρίβεια κάτω των 100nm, (ii) περιέχουν κβαντικές τελείες, και (iii) μπορουν να επικαλυφθούν επιλεκτικά με 8

9 μέταλλο. Ο συνδυασμός της απευθείας γραφής με λέιζερ με ειδικά σχεδιασμένα υλικά που φέρουν συγκεκριμένες ιδιότητες μπορεί να οδηγήσει σε προηγμένες εφαρμογές στη φωτονική, στα μεταϋλικά και στη βιοιατρική. B.11. M. Malinauskas, A. Zukauskas, V. Purlys, E. Kabouraki, A. Gaidukeviciute, I. Sakellari, S. Pissadakis, R. Gadonas, M. Vamvakaki, and M. Farsari, «Direct Laser Writing of micro-optical structures using germanium-containing hybrid photopolymers» (CLEO/EUROPEEQEC, Conference on Lasers and Electro-Optics, European Quantum Electronics Conference, 2011) Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζουμε τα αποτελέσματά μας σχετικά με τη δυνατότητα φωτο-δόμησης ενός φωτοευαίσθητου υλικού που περιέχει γερμάνιο με χρήση της τεχνικής απευθείας γραφής με λέιζερ. Δείχνουμε ότι είναι δυνατόν να φτιάξουμε ένα οπτικά διαφανές και τρισδιάστατα φωτοδομήσιμο υλικό με περιεκτικότητα σε γερμάνιο έως και 40% w/w. Παρουσιάζουμε τα αποτελέσματά μας στην κατασκευή μικρο-οπτικών στοιχείων χρησιμοποιώντας αυτό το υλικό, όπως πρίσματα και μικρο-φακοί. Η δυνατότητα ενσωμάτωσης των μικρο-οπτικών στοιχείων στην άκρη μιας οπτικής ίνας αποδεικνύεται, επίσης. Η απόδοση των μικρο-οπτικών στοιχείων όπως μετρήθηκε από τα πειραματικά αποτελεσμάτα είναι σε συμφωνία με τους θεωρητικούς υπολογισμούς. B.12. I. Sakellari, A. Gaidukeviciute A. Giakoumaki, D. Gray, C. Fotakis, M. Vamvakaki, M. Farsari, C. Reinhardt, A. Ovsianikov, and B.N. Chichkov, «Direct laser writing of photonic nanostructures» (SPIE The International Society for Optical Engineering, vol. 7392, 2009) Στην παρούσα εργασία, προετοιμάζουμε και χαρακτηρίζουμε οπτικά καινοτόμα υβριδικά υλικά, τα οποία περιέχουν τιτάνιο και τα οποία μπορούν να φωτοδομηθούν τρισδιάστατα με χρήση του διφωτονικού πολυμερισμού. Ερευνούμε την επίδραση πάνω στη φωτο-δόμηση της αύξησης της περιεκτικότητας σε ισοπροποξείδιο του τιτανίου και σε μεθακρυλικό οξύ σε αυτό το φωτοευαίσθητο υλικό. Δείχνουμε ότι ενώ είναι δυνατή η δημιουργία διάφανων λεπτών υμενίων με μοριακή αναλογία σε περιεκτικότητα ισοπροποξειδίου του τιτανίου έως και 90%, τρισδιάστατες δομές μπορούν να κατασκευαστούν μόνο όταν η μοριακή αναλογία σε περιεκτικότητα ισοπροποξειδίου του τιτανίου είναι λιγότερο από 50%. Μετράμε τον δείκτη διάθλασης των λεπτών υμενίων με διαφορετικές συγκεντρώσεις ισοπροποξειδίου του τιτανίου:μεθακρυλικού οξέως στο σύνθετο υλικό. Δείχνουμε ότι ο δείκτης διάθλασης αυξάνεται γραμμικά με τη συγκένρωση του ισοπροποξειδίου του τιτανίου, ενώ η αύξηση της περιεκτικότητας σε μεθακρυλικό οξύ δεν επηρεάζει τον δείκτη διάθλασης του υλικού. C. Διδακτορική Διατριβή Ιωάννα Σακελλάρη, «Φωτονικοί κρύσταλλοι με μεταβλητό χάσμα», Επιβλέποντες: Καθηγητής Κώστας Φωτάκης, Δρ. Μαρία Φαρσάρη, Δρ. David Gray Ο σκοπός της παρούσης διδακτορικής διατριβής συνίσταται στην κατασκευή και στο χαρακτηρισμό τρισδιάστατων γραμμικών και μη γραμμικών φωτονικών κρυστάλλων, οι οποίες αποτελούν δομές με περιοδική μεταβολή του δείκτη διάθλασης στο χώρο επηρεάζοντας τη διέλευση του φωτός μέσα από αυτές. Συγκεκριμένα, επικεντρώνουμε στην κατασκευή υψηλής ποιότητας τρισδιάστατων φωτονικών δομών και στον σχεδιασμό μη 9

10 γραμμικά αποκρινόμενων υλικών για τη δυναμική μεταβολή των φωτονικών ιδιοτήτων. Τα υπό μελέτη συστήματα είναι woodpile φωτονικοί κρύσταλλοι, τους οποίους κατασκευάζουμε με χρήση της τεχνικής του διφωτονικού πολυμερισμού. Για τον σκοπό αυτό, η σύνθεση καινοτόμων γραμμικών και μη γραμμικών υλικών που πληρούν τις προϋποθέσεις για την εφαρμογή της τεχνικής του διφωτονικού πολυμερισμού, με κατάλληλες οπτικές και μηχανικές ιδιότητες απαραίτητες για την κατασκευή υψηλής ακρίβειας τρισδιάστατων φωτονικών δομών αποτελεί το σημείο εκκίνησης της μελέτης μας. Ακολούθως, η μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των νέων υλικών σε συνδυασμό με τη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των φωτονικών δομών που κατασκευάζουμε μας οδηγεί στον πλήρη χαρακτηρισμό αυτών των τρισδιάστατων φωτονικών συστημάτων. 10