Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Φυσικός Βιογραφικό Σημείωμα & Αναλυτικό Υπόμνημα Εργασιών σε Διεθνή Περιοδικά με Κριτές
Χρήστος Γαρουφαλής Π Τ Η : Γιοχάνεσμπουργκ, Ν. Αφρική 2 Μαϊου 1972 Δ : Ελευθερίου Βενιζέλου 1, Ακταίο Αχαϊας, 26504 Ο Κ : Άγαμος Τ : +30 6932767944 email: garoufal@upatras.gr garoufal@gmail.com Σ 1991 Certificate of Proficiency in English άδεια διδασκαλίας Δ5/5627/8-7-1992 1996 Πτυχίο Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών. (βαθμός πτυχίου 7.32) 1998 Μεταπτυχιακό Δίπλωμα Ειδίκευσης (Άριστα - 9.0), Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών Τίτλος Ειδικής Ερευνητικής Εργασίας: Θεωρητική μελέτη της μεταβολής του ενεργειακού χάσματος στο άμορφο υδρογονωμένο ανθρακοπυρίτιο. 2003 Διδακτορικό Δίπλωμα (Άριστα), Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών Δ Τίτλος Διδακτορικής Διατριβής: Θεωρητική μελέτη των ηλεκτρονικών και οπτικών ιδιοτήτων κβαντικών τελειών πυριτίου. Ερευνητικό Πεδίο: Επιστήμη Υλικών - Υπολογιστική Φυσική Κβαντική Χημεία Υποτροφία από το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών (ΙΚΥ) για το δεύτερο έτος σπουδών του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Ε Σ 2003-2008 Μεταδιδακτορικός ερευνητής στον Τομέα Θεωρητικής και Μαθηματικής Φυσικής Αστρονομίας και Αστροφυσικής του Τμήματος Φυσικής Πανεπιστημίου Πατρών. 2009-2011 Λέκτορας (Π.Δ. 407/80) στο Τμήμα Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 1
2010-2013 Επιστημονικός/Εργαστηριακός συνεργάτης με πλήρη προσόντα στο Τμήμα Τεχνολογίας Περιβάλλοντος και Οικολογίας του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων και στο Τμήμα Προστασίας και συντήρησης Πολιτισμικής Κληρονομιάς του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων. 2013-2014 Πανεπιστημιακός Υπότροφος στο Τμήμα Τεχνολόγων Περιβάλλοντος του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων. 2013-2014 Μεταδιδακτορικός Ερευνητής στο ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ. 2016 Λέκτορας (Π.Δ. 407/80) στο Τμήμα Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών. 2015-2017 Ακαδημαϊκός Υπότροφος - Εργαστηριακός συνεργάτη στο Τμήμα Τεχνολόγων Περιβάλλοντος του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων Ε Ε Θεωρητική μελέτη των δομικών, ηλεκτρονικών και οπτικών Ιδιοτήτων Ατομικών Συσσωματωμάτων Ημιαγωγών με προχωρημένες μεθόδους Κβαντικής Χημείας (Υπολογισμοί ab initio). Πορώδες πυρίτιο, νανοκρύσταλλοι πυριτίου, συσσωματώματα ημιαγωγών, φουλερένια και παράγωγα φουλερενίων. Μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες μορίων και συσσωματωμάτων με ημιεμπειρικές και ab initio τεχνικές. Εφαρμογή θεωρητικών μεθόδων από πρώτες αρχές στην μελέτη προβλημάτων κατάλυσης (π.χ προσρόφηση συμπλόκων κοβαλτίου στην επιφάνεια του T io 2 δομή anatase) Θεωρητική μελέτη νανοδομών (nanorods, nanowires) ZnO/ZnS με υπολογισμούς στα πλαίσια της Empirical Pseudopotential Method (EPM) Θεωρητική μελέτη ηλεκτρονικών και οπτικών ιδιοτήτων νανοδομών ημιαγωγών στα πλαίσια της effective mass approximation (EMA). Εφαρμογή θεωρητικών μεθόδων (είτε ημιεμπειρικών είτε από πρώτες αρχές) για την μελέτη των ιδιοτήτων ρεαλιστικών συστημάτων από τον χώρο της Χημείας, της Επιστήμης Υλικών, της Μικροηλεκτρονικής, της φωτονικής και των Laser. Συγκεκριμένα, η γνώση και η εμπειρία στην εκτέλεση υπολογισμών με ένα σημαντικό αριθμό υπολογιστικών τεχνικών και προγραμμάτων παρέχει το τεχνικό υπόβαθρο για την θεωρητική μελέτη μεγάλου εύρους ιδιοτήτων από διαφορετικά επιστημονικά πεδία. Η συνεργασία με πειραματικές ομάδες και οι προκλήσεις σχετικά με την μοντελοποίηση ρεαλιστικών συστημάτων (ακόμα και σε πεδία όπου δεν υπάρχει πρότερη εμπειρία) αποτελούν σημαντικό κίνητρο και παρέχει τις ιδανικές συνθήκες για την εξέλιξη τόσο των τεχνικών γνώσεων γύρω από το κύριο γνωστικό αντικείμενο, όσο και την διεύρυνση και επέκταση του γενικότερου επιστημονικού υποβάθρου. Στα πλαίσια αυτά, τα επιστημονικά μου ενδιαφέροντα περιλαμβάνουν όλο το φάσμα των ιδιοτήτων και προβλημάτων που είναι δυνατόν να προσεγγιστούν είτε με ημιεμπειρικούς, είτε με ab initio υπολογισμούς. Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 2
Ε Π Ερευνητική υποτροφία στα πλαίσια του προγράμματος «Πρόγραμμα βασικής έρευνας Κ. ΚΑΡΑΘΕΟΔΩΡΗΣ; Θεωρητική μελέτη συστημάτων ημιαγωγών χαμηλής διάστασης. Συσσωματώματα ημιαγωγών και πορώδες πυρίτιο» που χρηματοδοτήθηκε από την επιτροπή ερευνών του Πανεπιστημίου Πατρών για το χρονικό διάστημα από 01-10-1998 έως 31-07-2001 Κύριος ερευνητής στο πρόγραμμα ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ Ι με τίτλο «Σχεδιασμός υλικών προηγμένης τεχνολογίας (νανοτεχνολογία και κατάλυση)» που χρηματοδοτείται από το ΥΠΕΠΘ/ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ/Γ Κ.Π.Σ. για το χρονικό διάστημα από 01-04-2004 έως 31-07-2007 Πρόγραμμα Thales, Feasibility studies on novel nanostructures of ZnO and their applications in nanophotonics and energy conversion: Experimental and theoretical approach, cofinanced by the European Union (European Social Fund- ESF) and Greek national funds through the Operational Program Education and Lifelong Learning of the National Strategic Reference Framework (NSRF)- Research Funding Program. Πρόγραμμα ΑΡΙΣΤΕΙΑ ΙΙ, Ετεροδομές που βασίζονται στα κράματα Heusler και παρουσιάζουν κάθετη μαγνητική ανισοτροπία σε εφαρμογες, κωδικός προγράμματος: 4453, ΑΚΡΩΝΥΜΙΟ: HMPSPIN. Συγχρηματοδοτησηι από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο-ΕΚΤ) και από Εθνικούς Πόρους. Ε Δ 41 Εργασίες σε Διεθνή Περιοδικά με Κριτές (2 σε κρίση). 18 Εργασίες/παρουσιάσεις σε Διεθνή Συνέδρια με Κριτές. 9 Εργασίες/παρουσιάσεις σε Εθνικά Συνέδρια. Α > 600 Πάνω από 600 αναφορές στις Εργασίες Διεθνών Περιοδικών και συνεδρίων. Κ Ε Δ Π Σημαντικό αριθμό κρίσεων στα Περιοδικά: Physical Chemistry Chemical Physics (Royal Society of Chemistry). Journal of Applied Physics (American Institute of Physics). Journal of Material Chemistry (Royal Society of Chemistry). Applied Physics Letters (American Institute of Physics). Dalton transactions (Royal Society of Chemistry). Journal of Advanced Physics (American Scientifc Publishers) Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 3
Ε Δ Διδασκαλία του μαθήματος «Πληροφορική Ι», στο Τμήμα Επιστήμης υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών (χειμερινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτου 2009-2010 και 2010-2011) Διδασκαλία του μαθήματος «Εργαστήριο Φυσικής ΙΙ» στο Τμήμα Επιστήμης υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών (εαρινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2009-2010, 2010-2011 και 2011-2012 ) Διδασκαλία του μαθήματος «Εργαστήριο Φυσικής Ι» στο Τμήμα Επιστήμης υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών (χειμερινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2010-2011) Αυτοδύναμη διδασκαλία του μαθήματος «Φυσικής Ι» στο Τμήμα Τεχνολογίας Περιβάλλοντος και Οικολογίας του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (χειμερινό και εαρινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2010-2011) Αυτοδύναμη διδασκαλία του μαθήματος «Φυσικής ΙΙ» και «Εργαστήριο Φυσικής ΙΙ» στο Τμήμα Τεχνολογίας Περιβάλλοντος και Οικολογίας του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (χειμερινό και εαρινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2010-2011) Αυτοδύναμη διδασκαλία του μαθήματος «Γενικές Αρχές Φυσικής» στο Τμήμα Προστασίας και συντήρησης Πολιτισμικής Κκληρονομιάς του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (χειμερινό και εαρινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2010-2011). Αυτοδύναμη διδασκαλία του μαθήματος «Μαθηματικα Ι» στο Τμήμα Τεχνολογίας Περιβάλλοντος και Οικολογίας του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (χειμερινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2011-2012). Αυτοδύναμη διδασκαλία του μαθήματος «Ηλεκτρική Ισχύς - ΠΜΣ» στο Τμήμα Τεχνολογίας Περιβάλλοντος και Οικολογίας του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (χειμερινό και εαρινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2011-2012). Αυτοδύναμη διδασκαλία του μαθήματος «Εργαστήριο Φυσικής ΙΙ» στο Τμήμα Τεχνολόγων Περιβάλλοντος ου ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (χειμερινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2012-2013, 2013-2014 & εαρινό του 2015-2016) Αυτοδύναμη διδασκαλία του μαθήματος «Ηλεκτρική Ισχύς - ΠΜΣ» και «Εργαστήριο Ηλεκτρικής Ισχύος» στο Τμήμα Τεχνολόγων Περιβάλλοντος του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (εαρινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2012-2013, 2013-2014 και χειμερινό 2015-2015 & 2016-2017). Αυτοδύναμη διδασκαλία του μαθήματος «Μαθηματικα ΙΙ & Στατιστική» στο Τμήμα Τεχνολογίας Περιβάλλοντος και Οικολογίας του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (Εαρινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2011-2012). Αυτοδύναμη διδασκαλία του μαθήματος «Τεχνολογία & Επιστήμη των Υλίκών» και «Εργαστήριο Τεχνολογίας & Επιστήμης των Υλίκών» στο Τμήμα Προστασίας & συντήρησης Πολιτισμικής Κκληρονομιάς του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (χειμερινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2011-2012). Αυτοδύναμη διδασκαλία του μαθήματος «Τεχνολογία & Επιστήμη των Υλίκών» και «Εργαστήριο Τεχνολογίας & Επιστήμης των Υλίκών» στο Τμήμα Προστασίας & συντήρησης Πολιτισμικής Κληρονομιάς του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (χειμερινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2012-2013). Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 4
Διδασκαλία του μαθήματος «Εργαστήριο Προγραμματισμού Η/Υ» στο Τμήμα Τεχνολογίας Περιβάλλοντος και Οικολογίας του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (εαρινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2011-2012). Διδασκαλία του μαθήματος «Προγραμματισμός Η/Υ» & «Εργαστήριο Προγραμματισμού Η/Υ» στο Τμήμα Τεχνολόγων Περιβάλλοντος του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (εαρινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2013-2014). Διδασκαλία του μαθήματος «Εργαστήριο Προγραμματισμού Η/Υ» στο Τμήμα Τεχνολογίας Περιβάλλοντος και Οικολογίας του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (εαρινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2012-2013). Αυτοδύναμη διδασκαλία του μαθήματος «Τεχνολογία & Επιστήμη των Υλίκών» και «Εργαστήριο Τεχνολογίας & Επιστήμης των Υλίκών» στο Τμήμα Τεχνολόγων Περιβάλλοντος του ΑΤΕΙ Ιονίων Νήσων (χειμερινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2013-2014 & 2016-2017). Αυτοδύναμη διδασκαλία του μαθήματος «Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Ι - Ηλιακά, Αιολικά συστήματα (εργαστήριο)» (χειμερινό εξάμηνο ακαδημαϊκού έτους 2016-2017). Επικουρικό διδακτικό έργο στα εργαστήρια προγραμματισμού (Fortran) του τμήματος Φυσικής. (1999, 2000). Επικουρικό διδακτικό έργο στα εργαστήρια μηχανικής του τμήματος Φυσικής. (1998, 1999,2000,2001). Επικουρικό διδακτικό έργο στα εργαστήρια Οπτικής του τμήματος Φυσικής (1999,2000). Εκπαιδευτικά σεμινάρια κβαντικής Χημείας και υπολογιστικής Φυσικής για προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές. Εκπαίδευση προπτυχιακών και μεταπτυχιακών φοιτητών στις μεθόδους της κβαντικής Χημείας και υπολογιστικής Φυσικής και καθοδήγησή τους στην χρησιμοποίηση υπολογιστικών εργαλείων και προγραμμάτων. Ε Γ Τ Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές: Διαχείριση υπολογιστικών συστημάτων (administrator) Λειτουργικά συστήματα: win95/98/2000/xp/win7/win10, Unix, Linux (εμπειρία στην κατασκευή και διαχείριση Beowulf linux cluster με σκοπό την εκτέλεση παράλληλων υπολογισμών) Προγραμματισμός Ηλεκτρονικών Υπολογιστών (Fortran, Scilab, Basic, Pascal, Python, Bash, autoit). Υπολογιστικά πακέτα προγραμμάτων: Άριστη γνώση των πακέτων προγραμμάτων TURBOMOLE (υπολογισμοί κβαντικής Χημείας, Hartree-Fock, Θεωρία του συναρτησιακού της ηλεκτρονικής πυκνότητας DFT, CI, Coupled Cluster, MR-MP2 κ.α.), GAUSSIAN 94/98/03/09 (υπολογισμοί κβαντικής Χημείας, μέθοδοι υψηλού συσχετισμού, εξαρτώμενη από τον χρόνο θεωρία του συναρτησιακού της ηλεκτρονικής πυκνότητας TDDFT κ.α.), Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 5
GAMESS/FIREFLY για υπολογισμούς κβαντικής Χημείας με μεθόδους υψηλού συσχετισμού, ORCA, PSI4, DALTON. Καλή γνώση του πακέτου προγραμμάτων NWChem για υπολογισμούς κβαντικής χημείας και στερεάς κατάστασης (real space και k-space με χρήση pseudopotentials και periodic boundary condition, ab initio molecular dynamics) Καλή γνώση των προγραμμάτων ΑΒΙΝΙΤ, PWSCF, VASP, octopus, SIESTA και CASTEP για υπολογισμούς δομικών, ηλεκτρονικών και οπτικών ιδιοτήτων σε στερεά επιφάνειες και μόρια (DFT με χρήση pseudopotentials και periodic boundary condition, ab initio molecular dynamics) Καλή γνώση του προγράμματος CRYSTAL για υπολογισμούς δομικών, ηλεκτρονικών και οπτικών ιδιοτήτων σε στερεά επιφάνειες και μόρια σε πραγματικό χώρο. Άριστη γνώση των προγραμμάτων MOPAC, MOPAC2016 (ημιεμπειρικές μέθοδοι κβαντικής χημείας). Καλή γνώση των προγραμμάτων visualization GaussView, MOLDEN, Accelrys DS Visualizer, ChemCraft, goopenmol, MOLEKEL, XCrysDen, MacMolPlot, RASMOL, Chem3D, JMol, GabEdit, Vesta, OpenDX, viewmol, Povray κ.α. για την δημιουργία τρισδιάστατων γραφικών για την απεικόνιση μορίων και κρυστάλλων, μοριακών τροχιακών, πυκνότητες φορτίων, ισοεπιφανειών της ηλεκτρονικής πυκνότητας, κανονικών τρόπων ταλαντώσεις κ.α. ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΩΝ ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΩΝ A. ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ ΣΕ ΔΙΕΘΝΗ ΠΕΡΙΟΔΙΚΑ ΜΕ ΚΡΙΤΕΣ 1. C. S. Garoufalis, A. D. Zdetsis and S. Grimme High Level Ab Initio Calculations of the Optical Gap of Small Silicon Quantum dots Phys. Rev. Lett. 87, 276402-1 (2001) 2. Garoufalis, C.S., Zdetsis, A.D. Real space optical gap calculations in oxygenated Si nanocrystals, (2005) Journal of Physics: Conf. Series, 10 1, Pages 69-72 3. Garoufalis, C.S., Skaperda, M.S., Zdetsis, A.D. The optical gap of small Ge nanocrystals, (2005) Journal of Physics: Conf. Series, 10 1, Pages 97-100. 4. Zdetsis, A.D., Garoufalis, C.S., Skaperda, M.S., Koukaras, E.N. Variation and adjustment of the optical gap of small Si nanocrystals by partial substitution of Si with Ge, (2005) Journal of Physics: Conference Series, 10 1, Pages 101-104. 5. A. D. Zdetsis, C. S. Garoufalis and Stefan Grimme, Real Space Ab Initio Calcula-tions of Excitation Energies in Small Silicon Quantum Dots, NATO Advanced Research Workshop on Quantum Dots: Fundamentals, Applications, and Frontiers Crete 2003, (invited paper) B. A. Joyce et al. (eds.), 317-332, Kluwer- Springer (2005). 6. C. S. Garoufalis and A. D. Zdetsis High accuracy calculations of the optical gap and absorption spectrum of oxygen contaminated Si nanocrystals Phys. Chem. Chem Phys. 8 (7), pp. 808-813 (2006) 7. E. N. Koukaras, C. S. Garoufalis and A. D. Zdetsis Structure and properties of the Ni@Si 12 cluster from all-electron ab initio calculations, Phys. Rev. B, 73, 235417 (2006) Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 6
8. Α. D. Zdetsis, E. N. Koukaras and C. S. Garoufalis, Structural Properties and Magic Structures in Hydrogenated Finite and Infinite Silicon Nanowires, App. Phys. Lett. 91, 203112, (2007) 9. D. Xenides and C. S. Garoufalis, Electric polarizabilities of C x Si 4 x (0 x 4) clusters. A conventional and Time-Dependent Density Functional study, J. Comp. Methods in Science and Engineering, 7 (2007) 287 296. 10. G. D. Panagiotou, T. Petsi, J. Stavropoulos, K. Bourikas, C. S. Garoufalis, C. Kordulis, A. Lycourghiotis, Towards the local structure of the Co(II), Ni(II), Cr(VI) and W(VI) ionic species formed upon impregnation on titania, Stud. Surf. Sci. Catal. 162, 809 (2007) 11. E. N. Koukaras, A. D. Zdetsis and C. S. Garoufalis, High-stability Finite-Length Silicon Nanowires: A Real Space Theoretical Study, AIP Conf. Proc. 963, 375 (2007) 12. G. D. Panagiotou, T. Petsi, K. Bourikas, C. S. Garoufalis, A. Tsevis, N. Spanos, C. Kordulis, and A. Lycourghiotis, Mapping the surface (hydr) oxo groups of titanium oxide and its interface with an aqueous solution: the state of the art and a new approach, Adv Colloid Interface Sci., 142(1-2):20-42 (2008) 13. A. D. Zdetsis, E. N. Koukaras and C. S. Garoufalis, Novel effects in finite-length silicon nanowires, Physica Status Solidi (a), Volume 205 Issue 11, Pages 2625-2629 (2008) 14. T. Petsi, G. D. Panagiotou, C. S. Garoufalis, C. Kordulis, P. Stathi, Y. Deligiannakis, A. Lycourghiotis and K. Bourikas, Interfacial Impregnation Chemistry in the Synthesis of Cobalt supported Titania Catalysts, Chemistry A European Journal, Volume 15 Issue 47, Pages 13090-13104 (2009). 15. E. N. Koukaras, C. S. Garoufalis and A. D. Zdetsis, Elastic properties of ultrathin hydrogenated silicon nanowires based on all electron mixed ab initio and semiempirical calculations, AIP Conf. Proc. 1148, 376 (2009) 16. K. Bourikas, G Stayropoulos C. S. Garoufalis, T. Petsi C. Kordulis, and A.Lycourghiotis, Interfacial Impregnation Chemistry in the Synthesis of Nickel Catalysts Supported on Titania, Chemistry A European Journal, 17, 1201-1213, (2011) 17. C. S. Garoufalis, Optical gap and excitation energies of small Ge nanocrystals, J. Math. Chem. (2009) 46:934 941. 18. D. Zdetsis, C. S. Garoufalis and E. N. Koukaras Mixed silicon germanium nanocrystals: a detailed study of Si x Ge 47 x : H, J. Math. Chem. (2009) 46:942 951. 19. A. D. Zdetsis, E. N. Koukaras and C. S. Garoufalis, A parallel study of Ni@Si 12 and Cu@Si 12 nanoclusters J Math Chem (2009) 46:971 980. 20. C. S. Garoufalis and A. D. Zdetsis Optical properties of ultra small Si nanoparticles: potential role of surface reconstruction and oxygen contamination J. Math. Chem. (2009) 46:952 961. 21. George D. Panagiotou, Theano Petsi, John Stavropoulos, Christos S. Garoufalis, Kyriakos Bourikas, Christos Kordulis, Alexis Lycourghiotis, Elucidation of the surface configuration of the Co(II) and Ni(II) aqua complexes and of the Cr(VI), Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 7
Mo(VI) and W(VI) monomer and polymer oxo-species deposited on the titania surface during impregnation., Stud. Surf. Sci. Catal., 175, 117-125 (2010) 22. C S Garoufalis, Oxygen terminated Goldberg-type Si quantum dots as candidates for stable Si fullerene-like cages J. Comp. Th. Nanoscience Vol. 8, 2279 2284, 2011 23. P. Poulopoulos, S. Baskoutas, S.D. Pappas, C.S. Garoufalis, S.A. Droulias, A. Zamani and V. Kapaklis, Intense quantum confinement effects in Cu 2 O thin films J. Phys. Chem. C 115 (30), pp 14839 14843 (2011) 24. S. Baskoutas, C.S. Garoufalis, A.Terzis, Linear and non linear absorption coefficients and refraction index changes in a single and double inverse parabolic quantum well, Eur. Phys. J. B 84, 241 247 (2011) 25. Zaiping Zeng, Christos S. Garoufalis, and Sotirios Baskoutas, Combination effects of tilted electric and magnetic fields on donor binding energy in a GaAs/AlGaAs cylindrical quantum dot, J. Phys. D 45, 235102 (2012). 26. Zaiping Zeng, C. S. Garoufalis, S. Baskoutas and A. F. Terzis Stark Effect of Donor Binding Energy in a Self-assembled GaAs/AlGaAs Quantum Dot Subjected to a Tilted Electric Field, Phys. Lett. A 376 (42-43), pp. 2712-2716 (2012). 27. Zaiping Zeng, Christos S. Garoufalis, Sotirios Baskoutas and Andreas F. Terzis, Tuning the Donor Binding Energy in Semiconductor Nanostructures by a Tilted Magnetic Field, J. App. Phys 112, 064326 (2012). 28. Yashar Azizian-Kalandaragh, Ali Khodayari, Zaiping Zeng, Christos S. Garoufalis, Sotirios Baskoutas, Lionel Cervera Gontard, Strong quantum confinement effects in SnS nanocrystals produced by ultrasound-assisted method, J. Nanoparticle Research, 15:1388 (2013). 29. Sotirios Baskoutas, Zaiping Zeng, Christos S. Garoufalis and Gabriel Bester, Tuning of the Optical Emission Polarization of ZnO Nanorods by an applied Hydrostatic Pressure, J. Phys. Chem C, 116 (50), pp. 26592-26597 (2012). 30. Z. Zeng, E. Paspalakis, C. S. Garoufalis, A. F. Terzis and S. Baskoutas Optical Susceptibilities in Singly Charged ZnO Colloidal Quantum Dots Embedded in Different Dielectric Matrices, J. App. Phys. 113, 054303 (2013). 31. Zaiping Zeng, Christos S. Garoufalis, Sotirios Baskoutas and Gabriel Bester, Electronic and optical properties of ZnO quantum dots under hydrostatic pressure, Phys. Rev. B 87, 125302 (2013). 32. Zaiping Zeng, Christos S. Garoufalis, Andreas F. Terzis, and Sotirios Baskoutas, Linear and nonlinear optical properties of ZnO/ZnS and ZnS/ZnO core shell quantum dots: effects of shell thickness, impurity and dielectric environment, J. Appl. Phys. 114, 023510 (2013). 33. Zaiping Zeng, George Gorgolis, Christos S. Garoufalis, and Sotirios Baskoutas, Competition Effects of Electric and Magnetic Fields on Impurity Binding Energy in a Disc-Shaped Quantum Dot in the Presence of Pressure and Temperature, Science of Advanced Materials 6 (3), 586-591 (2014). 34. Zeng, Z., Garoufalis, C., Baskoutas, S. New Insights in the Excitonic Emission of ZnS Colloidal Quantum Dots, The Journal of Physical Chemistry C 118, 10502 (2014). Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 8
35. Zaiping Zeng, Christos S. Garoufalis, Sotirios Baskoutas, Linear and nonlinear optical susceptibilities in a laterally coupled quantum-dot-quantum-ring system, Physics Letters A 378, 2713 (2014). 36. Zaiping Zeng, Alexia Petoni, Christos S. Garoufalis, Sotirios Baskoutas, Gabriel Bester, Near-band-edge exciton polarization change in ZnO nanowires,phys. Chem. Chem. Phys., 17 (2), 1197 1203 (2015). 37. Zaiping Zeng, Christos S. Garoufalis, Sotirios Baskoutas and Gabriel Bester, Excitonic optical properties of wurtzite ZnS quantum dots under pressure, J. Chem. Phys. 142, 114305 (2015). 38. C. S. Garoufalis, I. Galanakis, Multilayer heterostructures of magnetic Heusler and binary compounds from first principles Journal of Magnetism and Magnetic Materials 401 (2016) 138 143. 39. Zaiping Zeng, C. S. Garoufalis and S. Baskoutas, Nonlinear optical absorption in colloidal CdS quantum dots: The role of dielectric environment, Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics 11 (5), 615-619 (2016). 40. Garoufalis, Christos; Poulopoulos, Panagiotis; Bouropoulos, Nikolaos; Barnasas, Alexandros; Baskoutas, Sotirios, Growth and optical properties of F e 2 O 3 thin films: A study of quantum confinement effects by experiment and theory, submitted to The Journal of Physical Chemistry C 41. Sotirios Baskoutas, Zaiping Zeng, Garoufalis, Christos, and Gabriel Bester, Morphology control of exciton fine structure in polar and nonpolar zinc sulfide nanorods under preparation Β. ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ/ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΕΙΣ ΣΕ ΔΙΕΘΝΗ ΣΥΝΕΔΡΙΑ 1. C.S. Garoufalis and Aristides D. Zdetsis Ab initio calculation of the optical gap in small silicon nanoparticles, in Microelectronics Microsystems and Nanotechnology, p.81-84, ed. A. G. Nassiopoulou and X. Zianni, World Scientific (2000) 2. C.S. Garoufalis, Aristides D. Zdetsis and J. P. Xanthakis, Ground state electronic structure of small silicon quantum dots in Microelectronics Microsystems and Nanotechnology,, p.85-88, ed. A. G. Nassiopoulou and X. Zianni, World Scientific (2000) 3. A. D. Zdetsis and C. S. Garoufalis Optical gap and excitation energies of small Ge nanocrystals, in Lecture Series on Computer and Computational Sciences, pp.1469-1472, ed. T. Simos and G. Maroulis, 2005 4. A.D. Zdetsis, C.S. Garoufalis and E.N. Koukaras Optical and electronic properties of mixed SiGe:H nanocrystals in Lecture Series on Computer and Computational Sciences, pp.1488-1491, ed. T. Simos and G. Maroulis, 2005 5. E. N. Koukaras, C. S. Garoufalis and A.D. Zdetsis Structural and Electronic Properties of the Ni@Si 12 Nanocluster in Lecture Series on Computer and Computational Sciences, pp.1492-1495, ed. T. Simos and G. Maroulis, 2005 6. C. S. Garoufalis and A. D. Zdetsis Optical Properties of Oxygen Contaminated Si Nanocrystals in Lecture Series on Computer and Computational Sciences, pp.1484-1487, ed. T. Simos and G. Maroulis, 2005 Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 9
7. A. Zdetsis, C.S. Garoufalis, Optical Gap and Excitation Spectrum of Si and Ge Nanocrystals in Porous Silicon: The Role of Surface Oxygen and Hydrogen, presented in EUROMAT 2005 8. Aristides. D. Zdetsis and C.S. Garoufalis, Real space ab initio calculations for the optical properties of silicon and germanium nanocrystals presented in PsiK 2005 9. A. D. Zdetsis, E. N. Koukaras and C. S. Garoufalis A comparative DFT and MPn study of isoelectronic [Co@Si 12 ] 1, [Ni@Si 12 ] and [Cu@Si 12 ] +1 clusters, in Lecture Series on Computer and Computational Sciences, vol 7B, pp.1178-1181 2006 10. E. N. Koukaras, C. S. Garoufalis and A. D. Zdetsis Ab initio study of electronic and structural properties of the Ni@Si 10 cluster, in Lecture Series on Computer and Computational Sciences, vol 7B, pp.1182-1185 2006 11. C. S. Garoufalis A TDDFT analysis of the polarizabilities of small Si n (n=3-6) clusters through their excitation energies and oscillator strengths, in Lecture Series on Computer and Computational Sciences, vol 7B, pp.1170-1173 2006 12. E. N. Koukaras, C. S. Garoufalis and A. D. Zdetsis, Ab initio study of optical and electronic properties of silicon and germanium Nanowires, in Lecture Series on Computer and Computational Sciences, vol 7B, pp.1174-1177 2006 13. A. D. Zdetsis, E. N. Koukaras and C. S. Garoufalis, New effects in finitelength silicon nanowires, Third International Conference Micro & Nano 2007 on Microelectronics, Microsystems & Nanotechnology 14. George D. Panagiotou, Theano Petsi, John Stavropoulos, Christos S. Garoufalis, Kyriakos Bourikas, Christos Kordulis, Alexis Lycourghiotis, Elucidation of the surface configuration of the Co(II) and Ni(II) aqua complexes and of the Cr(VI), Mo(VI) and W(VI) monomer and polymer oxo-species deposited on the titania surface during impregnation., 9th International Symposium, Scientific Bases for the Preparation of Heterogeneous Catalysts, July 11-15 2010, Louvain-la-Neuve, Belgium. 15. Sotirios Baskoutas, Zaiping Zeng, Christos S. Garoufalis and Gabriel Bester, Tuning the Optical Polarization of ZnO Nanorods by an applied Hydrostatic Pressure, International Workshop on ZnO and related Materials, 11-14 September 2012, Nice, France, (invited talk). 16. S. Baskoutas, Z. Zeng, C. S. Garoufalis, G Bester Tuning the optical emission polarization of ZnO Nanorods by an applied hydrostatic pressure, ISSTC 2014 International Semiconductor Science & Technology Conference Instanbul 2014. 17. S. Baskoutas, Z. Zeng, C. S. Garoufalis, Atomistic pseudopotential calculations of ZnS quantum dots, NanoEnergy, International Conference on Nanotechnology, Nanomaterials & Thin Films for Energy Applications 19-21 February 2014 University College London, UK 18. C. S. Garoufalis, I. Galanakis, Multilayer heterostructures of magnetic Heusler and binary compounds from first principles, 12th International Conference on Nanosciences & Nanotechnologies,NN15, Thessaloniki, Greece, July 2015. Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 10
Γ. ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΕΙΣ ΣΕ ΕΘΝΙΚΑ ΣΥΝΕΔΡΙΑ 1. Χ. Γαρουφαλής, Α. Ζδέτσης Δομική και Ηλεκτρονική Μελέτη Άμορφου Πυριτίου Με Την Μέθοδο Των Συσσωματωμάτων. Πρακτικά XII Πανελλήνιου Συνεδρίου Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Κρήτη 1996. 2. Χ. Σ. Γαρουφαλής και Α.. Ζδέτσης Μελέτη της μεταβολής του ενεργειακού χάσματος στο Si 1 x C x : H Πρακτικά ΧΙV Πανελλήνιου Συνεδρίου Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Ιωάννινα 523,(1998) 3. Χ. Σ. Γαρουφαλής και Α.. Ζδέτσης «Θεωρητική μελέτη τετραεδρικών συσσωματωμάτων Si n H m Πρακτικά ΧΙV Πανελλήνιου Συνεδρίου Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Πάτρα (1999) 4. Χ. Γαρουφαλής και Α.. Ζδέτσης «Θεωρητικοί υπολογισμοί οπτικού χάσματος σε νανοκρυστάλλους πυριτίου» Πρακτικά ΧVΙΙ Πανελλήνιου Συνεδρίου Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Ξάνθη (2001) 5. Χ. Γαρουφαλής, Α.. Ζδέτσης και Γ. Ξανθάκης «Ηλεκτρονική δομή κβαντικών κηλίδων πυριτίου» Πρακτικά ΧVΙΙ Πανελλήνιου Συνεδρίου Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Ξάνθη (2001) 6. Χ. Σ. Γαρουφαλής και Α.. Ζδέτσης Yψηλου επιπεδου υπολογισμοι οπτικου χασματος απο πρωτες αρχες «υδρογονουχων» και «οξυγονουχων» κβαντικων κηλιδων πυριτιου Πανελλήνιο Συνέδριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Ιωάννινα 2004 7. Μ. Σκαπέρδα, Χ. Σ. Γαρουφαλής, Μ. Κουκάρας και Α.. Ζδέτσης Θεω-ρητικοι υπολογισμοι οπτικου χασματος σε κβαντικες «κηλιδες» γερμανιου και γερμανιουπυριτιου Πανελλήνιο Συνέδριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Ιωάννινα 2004 8. Χ. Γαρουφαλής, Α.. Ζδέτσης Real space ab initio calculations of excitation energies in small silicon quantum dots Πανελλήνιο Συνέδριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Ιωάννινα 2004 9. Ι. Σταυρόπουλος, Χ. Σ. Γαρουφαλής, Χ. Κορδούλης, Θ. Πέτση, K. Μπουρίκας, Α. Λυκουργιώτης Μοριακά ελεγχόμενη σύνθεση καταλυτών νικελίου στηριγμένων σε τιτάνια: ξεκινώντας από το στάδιο του εμποτισμού, 11ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Κατάλυσης, Αθήνα 22-23 Οκτωβρίου 2010. Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 11
Α Α Δ Έ Βιβλιογραφική βάση δεδομένων scopus h-index 13 Πλήθος αναφορών: 593 (Ημερομηνία δεδομένων 16/11/16) Βιβλιογραφική βάση δεδομένων google scholar h-index 14 Πλήθος αναφορών: 744 (Ημερομηνία δεδομένων 16/11/16) Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 12
Α Υ Ε Δ Διδακτορική Διατριβή: Θεωρητική μελέτη των ηλεκτρονικών και οπτικών ιδιοτήτων κβαντικών κηλίδων πυριτίου. Το πυρίτιο αποτελεί το κυρίαρχο υλικό της ηλεκτρονικής, και για τον λόγο αυτό έχει μελετηθεί με επιτυχία όσο κανένα άλλο. Παρόλα αυτά, μέχρι πρόσφατα η ανάπτυξη οπτοηλεκτρονικών εφαρμογών, βασιζόταν σε υλικά τα οποία, περισσότερο ή λιγότερο παρουσιάζουν ασυμβατότητα με την υπάρχουσα τεχνολογία πυριτίου. Η επιλογή αυτή οφείλόταν κυρίως στο γεγονός ότι το πυρίτιο ως ημιαγωγός έμμεσου χάσματος είναι ακατάλληλο για οπτικές εφαρμογές. Με άλλα λόγια, έχει πολύ μικρή απόδοση όσον αφορά την εκπομπή φωτός. Η κατάσταση άλλαξε άρδην όταν το 1990 ο Canham ( L. T. Canham, Appl. Phys. Lett. 57 (1990) 1946) παρατήρησε σημαντική εκπομπή φωτός από το πορώδες πυρίτιο, όταν αυτό φωτιζόταν από υπεριώδη ακτινοβολία. Η παρατήρηση αυτή σε συνδυασμό με το γεγονός ότι το υλικό μπορεί να παρασκευαστεί πολύ εύκολα με μία διαδικασία ηλεκτροχημικής απόξυσης (electrochemical etching) υποκίνησε μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον. Η συμπεριφορά αυτή αποδόθηκε σε κβαντικά φαινόμενα λόγω των διαστάσεων των διαφορετικών νανοδομών πυριτίου που δημιουργούνται μέσα στο υλικό, κατά την ηλεκτροχημική του επεξεργασία. Συγκεκριμένα, υπάρχουν μεγάλες εσωτερικές επιφάνειες οι οποίες συνήθως είτε καλύπτονται με άτομα διαφορετικού τύπου όπως για παράδειγμα υδρογόνο και οξυγόνο, είτε καλύπτονται από στρώματα οξειδίων. Από την πρώτη στιγμή που παρατηρήθηκε το φαινόμενο της φωτοφωταύγειας προτάθηκαν διάφορα μοντέλα για την ερμηνεία των αιτιών που οδηγούν στο φαινόμενο. Ένα πλήθος πειραματικών δεδομένων και θεωρητικών υπολογισμών οδήγησε σε αντικρουόμενες απόψεις ως προς το ποιος είναι ο βασικός παράγοντας που καθορίζει τις οπτικές ιδιότητες του υλικού. Αρχικά το φαινόμενο αποδόθηκε αποκλειστικά στον κβαντικό περιορισμό των διάφορων δομών του πυριτίου, ο οποίος και έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του ενεργειακού χάσματος. Παρά το γεγονός ότι πρόκειται για μία ελκυστική ερμηνεία η οποία με κομψό τρόπο εξηγεί την μεγάλη διαφορά μεταξύ των οπτικών ιδιοτήτων του πορώδους και του κρυσταλλικού υλικού, υπήρξαν πειραματικά δεδομένα τα οποία συνέκλιναν περισσότερο προς την ύπαρξη διάφορων μορίων στην επιφάνεια του υλικού τα οποία και ήταν υπεύθυνα για την εκπομπή στο ορατό. Ως σημαντικοί παράγοντες επίσης θεωρήθηκαν από πολλούς ερευνητές και οι ύπαρξη διάφορων ειδών ατελειών καθώς επίσης και φαινόμενα στις διεπιφάνειες μεταξύ των νανοκρυστάλλων του πυριτίου και των διάφορων οξειδίων του πυριτίου τα οποία δημιουργούνται κατά την διάρκεια της θερμικής επεξεργασίας του υλικού. Θα μπορούσαμε γενικά να πούμε ότι από την μία πλευρά ήταν η άποψη ότι η φωτοφωταύγεια οφείλεται αποκλειστικά και μόνο στον κβαντικό περιορισμό χωρίς να επηρεάζεται από το είδος των ατόμων που τερματίζουν τους νανοκρυστάλλους και από την άλλη πλευρά είναι η άποψη ότι ο τερματισμός των νανοκρυστάλλων καθώς επίσης και Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 13
η ύπαρξη ατελειών είναι ο βασικός παράγοντας που καθορίζει τις ιδιότητες του υλικού. Ακόμα όμως και στην δεύτερη περίπτωση, ο κβαντικός περιορισμός (μέσω της διεύρυνσης του ενεργειακού χάσματος) διευκολύνει την δημιουργία και σταθερότητα επιφανειακών ή εντοπισμένων καταστάσεων οι οποίες τελικά και συνεισφέρουν στην φωτοφωταύγεια. Ένα από τα ερωτήματα που είχαν τεθεί γύρω από την ικανότητα του πορώδους πυριτίου και κατ επέκταση των νανοκρυστάλλων πυριτίου, να εκπέμπουν στο ορατό, αφορά το κρίσιμο μέγεθος αυτών των νανοδομών που είναι υπεύθυνες για την φωτοφωταύγεια. Εάν το φαινόμενο οφείλεται αποκλειστικά στον κβαντικό περιορισμό, τότε οι διαστάσεις των νανοσωματιδίων είναι ο βασικός παράγοντας που καθορίζει την ικανότητα του υλικού για PL. Αυτό γίνεται εύκολα κατανοητό αν αναλογιστούμε ότι όσο μικρότερες είναι οι διαστάσεις του νανοσωματιδίου τόσο εντονότερος είναι ο κβαντικός περιορισμός. Είναι δηλαδή απαραίτητο να υπάρχει μία συσχέτιση μεταξύ των διαστάσεων των νανοκρυστάλλων και του ενεργειακού ή οπτικού τους χάσματος. Η διαδικασία αυτή έχει γίνει τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά (μέσω υπολογισμών σε διάφορα επίπεδα προσέγγισης). Η σύγκριση θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων είναι δυνατόν να υποδείξει τα πραγματικά αίτια του φαινομένου. Στην προκειμένη περίπτωση όμως, η ύπαρξη πειραματικών αβεβαιοτήτων και μειονεκτημάτων των διάφορων προσεγγιστικών υπολογιστικών μεθόδων, αλλά και λόγω της ενδογενούς δυσκολίας του προβλήματος προέκυψαν αντικρουόμενα αποτελέσματα. Έτσι υπήρχαν πειραματικά και θεωρητικά αποτελέσματα τα οποία στήριζαν τόσο την υπόθεση του κβαντικού περιορισμού όσο και τις υποθέσεις για τον ρόλο του τερματισμού των νανοκρυστάλλων και των ατελειών. Στην διδακτορική αυτή διατριβή μελετήθηκαν εκτενώς οι ηλεκτρονικές και οπτικές ιδιότητες των κβαντικών τελειών πυριτίου, καθώς επίσης και η εξάρτησής τους τόσο από το μέγεθός τους και το είδος του επιφανειακού τους τερματισμού. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε μία ποικιλία θεωρητικών μεθόδων αυξανόμενης πολυπλοκότητας και ακρίβειας καταδεικνύοντας κατά αυτόν τον τρόπο ότι η αρχική συμφωνία μεταξύ υπολογισμών και πειραμάτων οφειλόταν τόσο στην ανεπάρκεια των υπολογιστικών τεχνικών όσο και στην παράβλεψη σημαντικών πειραματικών παραμέτρων. Παρέχοντας αποτελέσματα υψηλής ακρίβειας καταφέραμε να δείξουμε ότι για τις πολύ μικρές κβαντικές τελείες πυριτίου, ο κβαντικός περιορισμός δεν αρκεί για να ερμηνεύσει τα όλα τα πειραματικά δεδομένα. Αυτό αποτέλεσε το κίνητρο για την περαιτέρω μελέτη του ρόλου του επιφανειακού τερματισμού των νανοκρυστάλλων. Έτσι, χρησιμοποιώντας τεχνικές υψηλής ακρίβεια έγινε δυνατόν να αναδειχθεί ο σημαντικός ρόλος της επιφανειακής οξείδωσης των τελειών και να γεφυρωθούν οι υπάρχουσες αντιφάσεις μεταξύ θεωρητικών-πειραματικών, θεωρητικών-θεωρητικών και πειραματικών-πειραματικών αποτελεσμάτων. Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 14
ΕΡΓΑΣΙΑ Α1: C. S. Garoufalis, A. D. Zdetsis and S. Grimme High Level Ab Initio Calculations of the Optical Gap of Small Silicon Quantum dots Phys. Rev. Lett. 87, 276402-1 (2001) Ο ακριβής υπολογισμός της εξάρτησης του οπτικού χάσματος των νανοκρυστάλλων πυριτίου συναρτήσει του μεγέθους τους, αποτελεί απαραίτητη προυπόθεση για την κατανόηση των ηλεκτρονικών και οπτικών τους ιδιοτήτων. Για τον σκοπό αυτό, στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν υπολογιστικές τεχνικές υψηλής ακρίβειας και αξιοπιστίας έτσι ώστε η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων να μας επιτρέπει, με ασφάλεια, να αναζητήσουμε τα αίτια για τις υπάρχουσες αντιφάσεις τόσο μεταξύ πειραματικών και 8εωρητικών αποτελεσμάτων, όσο και μεταξύ των ίδιων των πειραματικών αποτελεσμάτων. Οι υπολογισμοί μας έγιναν στα πλαίσια της χρονοεξαρτημένης θεωρία του συναρτησιακού της ηλεκτρονικής πυκνότητας (time-dependent density functional theory) χρησιμοποιώντας το υβριδικό συναρτησιακό των Becke και Lee, Yang και Parr (B3LYP). Η ακρίβεια της συγκεκριμένης μεθοδολογίας ελέγχθηκε συγκρίνοντας τα αποτελέσματά της με υπολογισμούς βασισμένους στην θεωρία διαταραχών δευτέρας τάξεως με πολλαπλές διαμορφώσεις (multireference second-order perturbation theory(mr-mp2)). Το πιθανό σφάλμα στον υπολογισμό του οπτικού χάσματος, εκτιμάται ότι είναι σημαντικά μικρότερο από 0.3 ev. Όλοι οι υπολογισμοί έγιναν σε πραγματικό χώρο, ενώ η διάμετρος της μεγαλύτερης κβαντικής τελείας που μελετήθηκε ήταν 25Å. Τα αποτελέσματά μας υποστηρίζουν την υπόθεση του κβαντικού περιορισμού και παρουσιάζουν εξαιρετική συμφωνία με πρόσφατες πειραματικές μετρήσεις σε νανοκρυστάλλους πυριτίου για τους οποίους έχει ληφθεί ειδική μέριμνα ώστε αποκλεισθεί η παρουσία οξυγόνου στις επιφάνειές τους. Η διάμετρος του μικρότερου νανοκρύσταλλου που μπορεί, μέσω του φαινομένου της φωτοφωταύγειας, να εκπέμψει στο ορατό εκτιμάται ότι είναι τα 22Å. Με αυτό το αποτέλεσμα, γίνεται φανερό ότι για τις περιπτώσεις όπου παρατηρείται φωτοφωταύγεια στο ορατό από νανοκρυστάλους μικρότερης διαμέτρου, θα πρέπει να ερευνηθεί η ύπαρξη και άλλων παραγόντων, οι οποίοι παίζουν σημαντικό ρόλο στις οπτικές ιδιότητες του υλικού. Μία πιθανή ερμηνεία είναι δυνατόν να αναζητηθεί στις δομές που δημιουργούνται στην επιφάνεια των νανοκρυστάλλων μέσω της οξείδωσης με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο. ΕΡΓΑΣΙΑ Α2: Garoufalis, C.S., Zdetsis, A.D. Real space optical gap calculations in oxygenated Si nanocrystals, (2005) Journal of Physics: Conf. Series, 10 1, Pages 69-72 Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν οι ηλεκτρονικές και οπτικές ιδιότητες οξυγονωμένων νανοκρυστάλλων πυριτίου. Συγκεκριμένα, το ενδιαφέρον μας εστιάστηκε στην επίδραση των επιφανειακών διπλών δεσμών πυριτίου - οξυγόνου (Si=O) στο ενεργειακό χάσμα και κατ επέκταση το οπτικό χάσμα των νανοκρυστάλλων. Οι υπο- Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 15
λογισμοί μας έγιναν στα πλαίσια της θεωρίας του συναρτησιακού της ηλεκτρονικής πυκνότητας (DFT) χρησιμοποιώντας το υβριδικό συναρτησιακό των Becke και Lee, Yang και Parr (B3LYP). Η διάμετρος των οξυγονωμένων νανοκρυστάλλων κυμαίνεται από 2Å έως 20Å. Τα αποτελέσματά μας βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με πειραματικές μετρήσεις σε οξυγονωμένους νανοκρυστάλους, επιβεβαιώνοντας προηγούμενα συμπεράσματα [Phys. Rev Lett. 87 276402 (2001)] σχετικά με τον ρόλο που παίζει το οξυγόνο στις οπτικές ιδιότητες των κβαντικών τελειών πυριτίου. Συγκεκριμένα, Βρέθηκε, ότι η παρουσία επιφανειακών δεσμών Si=O έχει ως αποτέλεσμα την σημαντική μείωση του οπτικού χάσματος. Με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατόν ακόμα και νανοσωμάτια με διάμετρο μικρότερη των 22Å, να εκπέμψουν στην ορατή περιοχή του φάσματος. ΕΡΓΑΣΙΑ Α3: Garoufalis, C.S., Skaperda, M.S., Zdetsis, A.D. The optical gap of small Ge nanocrystals, (2005) Journal of Physics: Conf. Series, 10 1, Pages 97-100. Στην παρούσα εργασία επεκτείνουμε την μελέτη μας γύρω από τις οπτικές ιδιότητες των κβαντικών τελειών ημιαγωγών και για την περίπτωση του γερμανίου. Η επέκταση του ενδιαφέροντος από το πυρίτιο στο γερμάνιο μπορεί να θεωρηθεί ως αναμενόμενη, μιας και τα δύο υλικά ανήκουν στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα και παρουσιάζουν σημαντικές ομοιότητες. Επιπλέον, το Ge παρουσιάζει μικρότερο ενεργειακό χάσμα από το Si καθιστώντας έτσι πιθανή την εκπομπή φωτός στο ορατό για δομές μικρότερες από τις αντίστοιχες του πυριτίου. Η διάμετρος των νανοκρυστάλλων που μελετήθηκαν κυμαίνεται από 2Å έως 20Å, ενώ η επιφάνειά τους συμπληρώνεται με άτομα υδρογόνου. Οι υπολογισμοί μας έγιναν στα πλαίσια της χρονοεξαρτημένης θεωρία του συναρτησιακού της ηλεκτρονικής πυκνότητας (time-dependent density functional theory) χρησιμοποιώντας το υβριδικό συναρτησιακό των Becke και Lee, Yang και Parr (B3LYP). Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η εξάρτηση του οπτικού χάσματος από την διάμετρο του νανοσωματίου (λόγω του κβαντικού περιορισμού) παρουσιάζει σημαντικές ομοιότητες με την αντίστοιχη των κβαντικών τελειών του πυριτίου. Η διάμετρος του μικρότερου νανοκρυστάλλου Ge με δυνατότητα εκπομπής στο ορατό υπολογίστηκε ότι είναι περίπου 19Å (η αντίστοιχη τιμή για το Si είναι 22Å). Τα αποτελέσματά μας παρουσιάζουν καλή συμφωνία με πρόσφατες πειραματικές μετρήσεις [Phys. Rev. B 64 035417 (2001)] ΕΡΓΑΣΙΑ Α4: Zdetsis, A.D., Garoufalis, C.S., Skaperda, M.S., Koukaras, E.N. Variation and adjustment of the optical gap of small Si nanocrystals by partial substitution of Si with Ge, (2005) Journal of Physics: Conference Series, 10 1, Pages 101-104. Έχοντας ήδη μελετήσει τις οπτικές ιδιότητες των νανοκρυστάλλων πυριτίου και γερμανίου, επεκτείνουμε την μελέτη μας για την Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 16
περίπτωση μεικτών νανοκρυστάλλων της μορφής Si x Ge y : H, εστιάζοντας κυρίως το ενδιαφέρον μας στην δυνατότητα ρύθμισης του οπτικού χάσματος μεταβάλλοντας την σχετική συγκέντρωση των ατόμων Si και Ge. Για τον λόγο αυτό, κατασκευάστηκαν μοντέλα μεικτών νανοκρυσταλλων στα οποία τα άτομα του Ge είτε βρίσκονται στον πυρήνα του νανοσωματίου (Ge core), είτε στην επιφάνειά του (Si core). Η επιλογή αυτή, μας επιτρέπει να εκμεταλλευτούμε πλήρως την τετραεδρική (T d ) συμμετρία των συστημάτων μειώνοντας σημαντικά την απαιτούμενη υπολογιστική ισχύ. Όλοι οι υπολογισμοί έγιναν στα πλαίσια της χρονοεξαρτημένης θεωρία του συναρτησιακού της ηλεκτρονικής πυκνότητας (timedependent density functional theory) χρησιμοποιώντας το υβριδικό συναρτησιακό των Becke και Lee, Yang και Parr (B3LYP). Όσον αφορά στις δομικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων, παρατηρήθηκε ότι η υδρογόνωση της επιφάνειας των νανοκρυστάλλων έχει σαν αποτέλεσμα να ευνοούνται ενεργειακά οι δομές εκείνες στις οποίες τα άτομα του πυριτίου βρίσκονται στην επιφάνεια του συστήματος (Ge core). Αυτό αποδίδεται στην μεγαλύτερη σταθερότητα των δεσμών Si-H σε σχέση με τους αντίστοιχους δεσμούς Ge-H. Το οπτικό χάσμα των συστημάτων εξαρτάται άμεσα από το είδος της δομής (Ge core ή Si core) με αποτέλεσμα για κάθε διαφορετική συγκέντρωση ατόμων Si/Ge να υπάρχουν δύο διαφορετικές τιμές του οπτικού χάσματος ανάλογα με το αν το σύστημα είναι Ge core ή Si core. ΕΡΓΑΣΙΑ Α5: A. D. Zdetsis, C. S. Garoufalis and Stefan Grimme, Real Space Ab Initio Calculations of Excitation Energies in Small Silicon Quantum Dots, NATO Advanced Research Workshop on Quantum Dots: Fundamentals, Applications, and Frontiers Crete 2003, (invited paper) B. A. Joyce et al. (eds.), 317-332, Kluwer-Springer (2005). Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται αποτελέσματα για το οπτικό χάσμα μικρών νανοκρυστάλλων πυριτίου (κβαντικές τελείες). Οι διαστάσεις των συστημάτων που μελετήθηκαν κυμαίνονται από 2Å (SiH 4 ) έως περίπου 25Å Si 282 H 172. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε μία πληθώρα θεωρητικών μεθόδων μεταξύ των οποίων, CIS DFT/CIS, MR-MP2, DFT/ΔSCF και TDDFT. Σε όλους τους DFT υπολογισμούς χρησιμοποιήθηκε το υβριδικό συνναρτησιακό B3LYP.Τα αποτελέσματάμας, υποδεικνύουν ότι για να έχουμε φωτοφωταύγεια στο ορατό, η διάμετρος των κβαντικών τελειών θα πρέπει να κυμαίνεται από 22Å η μικρότερη έως περίπου 85Å. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων μας εκτιμάται ότι είναι καλύτερη από 0.3eV. ΕΡΓΑΣΙΑ Α6: C. S. Garoufalis and A. D. Zdetsis High accuracy calculations of the optical gap and absorption spectrum of oxygen contaminated Si nanocrystals Phys. Chem. Chem Phys. 8 (7), pp. 808-813 (2006) Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 17
Στην παρούσα εργασία μελετάται διεξοδικά ο ρόλος των επιφανειακών δεσμών πυριτίου-οξυγόνου (και κατ επέκταση της επιφανειακής οξείδωσης) στις οπτικές ιδιότητες των κβαντικών τελειών πυριτίου. Οι υπολογισμοί μας έγιναν στα πλαίσια της χρονοεξαρτημένης θεωρίας του συναρτησιακού της ηλεκτρονικής πυκνότητας (time-dependent density functional theory) χρησιμοποιώντας το υβριδικό συναρτησιακό των Becke και Lee, Yang και Parr (B3LYP), ενώ η ακρίβεια των αποτελεσμάτων ελέγχθηκε συγκρίνοντας με αντίστοιχα αποτελέσματα βασισμένα στην θεωρία διαταραχών δευτέρας τάξεως με πολλαπλές διαμορφώσεις (multireference second-order perturbation theory(mr-mp2)). Για νανοκρυστάλλους με διάμετρο μικρότερη των 20Å, η εκπομπή στο ορατό είναι δυνατόν να επιτευχθεί μέσω της παρουσίας ελάχιστων επιφανειακών διπλών δεσμών πυριτίου-οξυγόνου. Για μικρές συγκεντρώσεις οξυγόνου το οπτικό χάσμα εξαρτάται κυρίως από την χωρική διευθέτηση των δεσμών Si=O και όχι από το πλήθος τους. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η σταθερότητα των δεσμών Si=O ευνοείται από την διεύρυνση του ενεργειακούχάσματος λόγω του κβαντικού περιορισμού. Ως εκ τούτου, η ύπαρξη τους είναι περισσότερο πιθανή στα συστήματα που παρουσιάζουν έντονο κβαντικό περιορισμό (μικρές διστάσεις). Στην περίπτωση που οι επιφανειακοί δεσμοί των νανοκρυστάλλων συμπληρώνονται από υδροξύλια (-OH). τότε το εύρος του οπτικού χάσματος, εξαρτάται σημαντικά από το πλήθος των επιφανειακών υδροξυλομάδων. Έτσι, εκπομπή στο ορατό, είναι δυνατόν να επιτευχθεί μόνο στην περίπτωση όπου η επιφάνεια του νανοκρυστάλλου τερματίζεται σχεδόν πλήρως από δεσμούς της μορφής Si-OH. Στην περίπτωση που τα επιφανειακά άτομα οξυγόνου σχηματίζουν δεσμούς της μορφής Si-O-Si (bridging configuration) η μείωση του οπτικού χάσματος είναι μικρότερη σε σχέση με την περίπτωση των δεσμών Si=O, αλλά παρόλα αυτά είναι αρκετή ώστε να καθιστά τους νανοκρυστάλλους με διάμετρο 14Å ικανούς να εκπέμψουν στο ορατό. ΕΡΓΑΣΙΑ Α7: E. N. Koukaras, C. S. Garoufalis and A. D. Zdetsis Structure and properties of the Ni@Si 12 cluster from all-electron ab initio calculations, Phys. Rev. B, 73, 235417 (2006) Στη παρούσα εργασία γίνεται μελέτη των δομικών, ηλεκτρονικών και δονητικών ιδιοτήτων συσσωματωμάτων πυριτίου τα οποία περιέχουν μέταλλα μετάπτωσης. Ο λόγος που μελετώνται τέτοια συστήματα είναι η αυξημένη σταθερότητα που παρουσιάζουν σε σχέση με τα αντίστοιχα αμιγή συσσωμάτωμα πυριτίου, ενώ οι δομές που φτιάχνουν είναι τύπου κλωβού (cage-like). Οι ιδιότητες αυτές είναι επιθυμητές για τη χρήση τους ως βασικές δομικές μονάδες για νανοφασικά υλικά όπως νανοσωλήνες πυριτίου. Στην προκειμένη περίπτωση, εστιάσαμε την προσοχή μας στο συσσωμάτωμα Ni@Si 12, το οποίο έχει παραχθεί πειραματικά και εμφανίζει μεγάλη σταθερότητα σε σχέση με το αντίστοιχο Si 12. Πραγματοποιήσαμε υπολογισμούς στα πλαίσια της θεωρίας του συναρτησιακού της ηλεκτρονικής πυκνότητας, χρησιμοποιώντας το συναρτησιακό B3LYP. Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 18
Τα αποτελέσματά, μας δείχνουν ότι η γεωμετρία της θεμελιώδους κατάστασης του ισομερούς Ni@Si 12, είναι μία δομή συμμετρίας D2d. Σε επίπεδο θεωρίας διαταραχών Moller-Plesset τετάρτης τάξης η δομή αυτή είναι ενεργειακά χαμηλότερη κατά 1.3 ev από την δομή με C S συμμετρία. Στο επίπεδο DTF/B3LYP οι δύο δομές είναι πρακτικά ισοενεργειακές με διαφορά 0.04 ev, η οποία μειώνεται λίγο όταν συμπεριληφθούν διορθώσεις ενέργειας μηδενικού σημείου, και γίνεται 0.03 ev. Η νέα δομή D 2d πληρεί τον κανόνα IRR ως κριτήριο σταθερότητας συσσωματωμάτων πυριτίου τύπου κλωβού (πιο συγκεκριμένα για φουλερενοειδή συσσωματώματα τύπου κλωβού) που έχει προτείνει ο V. Kumar. Η ενεργειακή κατάταξη των C S και D 2d φαίνεται να εξαρτάται σημαντικά από την ηλεκτρονιακή συσχέτιση που περιλαμβάνεται στους υπολογισμούς. Συγκεκριμένα το ισομερές C S είναι ενεργειακά χαμηλότερο σε επίπεδο θεωρίας Hartree-Fock και MP3, ενώ στο επίπεδο MP4 το ισομερές D 2d είναι σημαντικά χαμηλότερα ενεργειακά. Σε αντίθεση με προηγούμενες εργασίες από άλλες ερευνητικές ομάδες, βρήκαμε ότι το ισομερές C 5V Frank-Kasper είναι δυναμικά ασταθές ενώ βρίσκεται σημαντικά υψηλότερα ενεργειακά. Με σκοπό να διευκολύνουμε τον μελλοντικό πειραματικό χαρακτηρισμό των δομών υπολογίσαμε θεωρητικά τα φάσματα IR και Raman φάσμα των δύο ενεργειακά χαμηλότερων ισομερών. Τέλος, υπολογίζοντας το δυναμικό ιονισμού, την ηλεκτροσυγγένεια, το χημικό δυναμικό και τη χημική σκληρότητα, εξετάστηκε τη δυνατότητα χρήσης των συσσωματωμάτων αυτών ως δέκτες μεταφοράς φορτίου προς άλλα υλικά. ΕΡΓΑΣΙΑ Α8: A. D. Zdetsis, E. N. Koukaras and C. S. Garoufalis, Structural Properties and Magic Structures in Hydrogenated Finite and Infinite Silicon Nanowires, App. Phys. Lett. 91, 203112, (2007) Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκαν διεξοδικά οι δομικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες πολύ λεπτών νανοσυρμάτων πυριτίου. Πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί στα πλαίσια της θεωρίας του συναρτησιακού της ηλεκτρονικής πυκνότητας (DFT) τόσο στον πραγματικό χώρο όσο και χρησιμοποιώντας περιοδικές συνοριακές συνθήκες. Για τα πολύ μεγάλα συστήματα χρησιμοποιήθηκαν επίσης και ημιεμπειρικοί υπολογισμοί (μέθοδος ΑΜ1), τα αποτελέσματα των οποίων προσαρμόστηκαν κατάλληλα έτσι ώστε για μικρού μήκους νανοσύρματα να συμφωνούν με τα αντίστοιχα των DFT υπολογισμών (στον πραγματικό χώρο), ενώ για τα απείρου μήκους νανοσύρματα, να συμφωνούν με τα αποτελέσματα των DFT υπολογισμών με περιοδικές συνοριακές συνθήκες. Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν ότι για την περίπτωση των πολύ λεπτών νανοσυρμάτων, ο επιφανειακός τους τερματισμός με άτομα υδρογόνου είναι δυνατόν να προκαλέσει την κάμψη των νανοσυρμάτων μέσω διαφορετικών μηχανισμών. Συγκεκριμένα, η κάμψη είναι δυνατόν να παρουσιαστεί είτε σε επιφανειακές διαμορφώσεις όπου υπάρχει ισχυρή απωστική αλληλεπίδραση μεταξύ γειτονικών ατόμων υδρογόνου, είτε λόγω επιφανειακής αναδόμησης των νανοσυρμάτων. Θα πρέπει να σημειωθεί, ότι η παρατήρηση της κάμψης είναι δυνατή μόνο μέσω των Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 19
υπολογισμών στον πραγματικό χώρο, μιας και χρήση περιοδικών συνοριακών συνθηκών (σε μία διάσταση) επιβάλλει στα συστήματα την διατήρηση της ευθύγραμμης διαμόρφωσης. Τα αποτελέσματά μας τόσο για την δομική σταθερότητα των νανοσυρμάτων, όσο και για τις αντίστοιχες ηλεκτρονικές τους ιδιότητες βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία με πρόσφατα πειραματικά αποτελέσματα των Ma et. al. [Ma et al. Science 299, 1874 ]. ΕΡΓΑΣΙΑ Α9: D. Xenides and C. S. Garoufalis, Electric polarizabilities of C x Si 4 x (0 x 4) clusters. A conventional and Time-Dependent Density Functional study, J. Comp. Methods in Science and Engineering, 7 (2007) 287 296 Στην παρούσα εργασία υπολογίστηκαν θεωρητικά, στα πλαίσια της θεωρίας του συναρτησιακού της ηλεκτρονικής πυκνότητας (DFT), οι πολωσιμότητες και οι υπερπολωσιμότητες ατομικών συσσωματωμάτων της μορφής C x Si 4 x. Για όλα τα συστήματα χρησιμοποιήθηκε ένας μεγάλος αριθμός συναρτησιακών συσχετισμού και ανταλλαγής (BLYP, BP86, BPW91, B3LYP, B3P86, B3PW91, OLYP, OP86, OPW91, O3LYP, B98LYP, B98P86, B98PW91, PBE1PBE, PBEPBE, PBEPW91, mpw1pw91, mpw1pbe) με σκοπό να αξιολογηθεί η ακρίβεια και αξιοπιστία των αποτελεσμάτων τους. Οι τιμές της πολωσιμότητας υπολογίστηκαν τόσο στα πλαίσια της παραδοσιακής μεθόδου πεπερασμένου πεδίου (Finite Field) όσο και στα πλαίσια της χρονοεξαρτημένης θεωρίας DFT (TDDFT). Τέλος, χρησιμοποιήθηκε η θεωρίας διαταραχών (Sum Over States) για την ποιοτική ανάλυση της παρατηρούμενης διαφοροποίησης στις τιμές της πολωσιμότητας. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η αντικατάσταση ατόμων C από Si οδηγεί σε αύξηση της πολωσιμότητας. Η αύξηση αυτή είναι ακόμα πιο έντονη για τις αντίστοιχες υπερπολωσιμότητες, συγκεκριμένα για την δεύτερη υπερπολωσιμότητα έχουμε ότι ( 10 3 e 4 α0 4E 3 h ):8.51(C4) 18.04(SiC3) 32.45(Si2C2) 60.45(Si3C) 100.79(Si4). ΕΡΓΑΣΙΑ Α10: G. D. Panagiotou, T. Petsi, J. Stavropoulos, K. Bourikas, C. S. Garoufalis, C. Kordulis, A. Lycourghiotis, Towards the local structure of the Co(II), Ni(II), Cr(VI) and W(VI) ionic species formed upon impregnation on titania, Stud. Surf. Sci. Catal. 162, 809 (2007) Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκαν θεωρητικοί υπολογισμοί στα πλαίσια της θεωρίας του συναρτησιακού της ηλεκτρονικής πυκνότητας (DFT) για τον καθορισμό των διαφορετικών ειδών οξυγόνου, των φορτίων τους και της σχετικής τους συγκέντρωσης στην επιφάνεια του οξειδίου του τιτανίου. Για τον σκοπό αυτό, οι υπολογισμοί έγιναν χρησιμοποιώντας περιοδικές συνοριακές συνθήκες, ενώ η κυματοσυνάρτηση του συστήματος αναπτύσσεται σε επίπεδα κύματα και τα εσωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων αντικαθίστανται από κατάλληλα ψευδοδυναμικά (ultra soft pseudopotentials). Το συναρτησιακό που χρησιμοποιήθηκε, είναι αυτό των Perdew, Burke και Δρ. Χρήστος Γαρουφαλής Σελίδα 20