Εργαστήριο Οπτικής και Φασματοσκοπίας


Το Εργαστήριο Οπτικής και Φασματοσκοπίας εξυπηρετεί τις εκπαιδευτικές και ερευνητικές ανάγκες του Τμήματος Φυσικής στα γνωστικά αντικείμενα της Οπτικής, της Οπτικής Επεξεργασίας πληροφοριών, της Φωτονικής και της Φασματοσκοπίας στη περιοχή του Ορατού και των Ακτίνων Χ. Το Εργαστήριο διοργανώνει και συμμετέχει σε επιμορφωτικές εκδηλώσεις Δημοσίων και Ιδιωτικών σχολείων, πάνω σε θέματα που αφορούν στην Οπτική και τις Εφαρμογές της ενώ επίσης συμμετέχει ανελλιπώς στις ετήσιες εκδηλώσεις "ΑΠΘ την Κυριακή" του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης.

Ιστοχώρος

ΔΙΕΥΘΥΝΤΗΣ
Αρβανιτίδης Ιωάννης
ΜΕΛΗ
ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ

Δραστηριότητες:

  • Δυναμική και κινηματική φαινομένων σε άτακτα συστήματα της συμπυκνωμένης ύλης και σε φράκταλς.
  • Δυναμική νευρωνικών δικτύων και μετάδοση σήματος.
  • Υπολογισμός ηλεκτρονικών και οπτικών ιδιοτήτων παραδοσιακών και νέων ημιαγωγικών υλικών με τεχνολογικές εφαρμογές.
  • Μελέτη διεπιφανειών (συμμετρία, ενεργειακές και δομικές ιδιότητες) σε πολυκρυσταλλικά υλικά με βάση το πρότυπο του πλέγματος.
  • Μελέτη τριπλών συμφύσεων κρυσταλλιτών σε πολυκρυσταλλικά υλικά.
  • Yπολογισμός ηλεκτρονικών και δυναμικών ιδιοτήτων σε κρυστάλλους, άμορφα υλικά και υπερδομές.
  • Ιδιότητες, μεταφορά και διάχυση σε ιοντικούς κρυστάλλους και σε μη ομογενή στερεά, κρίσιμα φαινόμενα.
  • Δυναμική πλέγματος κρυσταλλικών υλικών (3D και 2D) με τη χρήση φαινομενολογικών δυναμικών και μεθόδων από πρώτες αρχές. Εφαρμογή της θεωρίας ομάδων στην ερμηνεία φασμάτων Raman και υπερύθρου.
  • Μαθηματικά πρότυπα διάχυσης, τυχαίες διαδρομές, κινητικά και δυναμικά φαινόμενα σε περίπλοκα συστήματα (complex systems), συστήματα χαμηλών διαστάσεων, fractals, φαινόμενα παγίδευσης.
  • Εφαρμογές μεθόδων Στατιστικής Φυσικής σε δυναμικά προβλήματα όπως προβλήματα δυναμικής απορρόφησης φαρμάκων, νευρωνικά δίκτυα, δίκτυα, φαινόμενα εξάπλωσης (spreadint phenomena), κινητική πληθωρισμών, οικονομική φυσική κλπ.

Εξοπλισμός:

Νησίδα ηλεκτρονικών υπολογιστών παράλληλης επεξεργασίας. Αποτελείται από 32 Η/Υ βασισμένους σε αρχιτεκτονική Intel Core 2 Duo με 64 επεξεργαστές, συνολική μνήμη RAM 128 Gb, αποθηκευτικό χώρο 6.7 Tb με λειτουργικό σύστημα Scientific Linux.

ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ

Το Εργαστήριο Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας (ΕΗΜ) του Τμήματος Φυσικής ξεκίνησε τη λειτουργία του το 1963. Βρίσκεται στην δυτική πτέρυγα της Σχολής Θετικών Επιστημών και ανήκει στον Τομέα Φυσικής Στερεάς Κατάστασης. Σήμερα, στις ερευνητικές δραστηριότητες του εργαστηριού, απασχολούνται 7 μέλη ΔΕΠ ενώ 2 άτομα απασχολούνται στην τεχνική υποστήριξή του. Στο εργαστήριο εκπονούνται διδακτορικές διατριβές, μεταπτυχιακές διπλωματικές εργασίες και φιλοξενούνται ξένοι ερευνητές από προγράμματα Marie Curie. Αποστολή του εργαστηρίου είναι να παρέχει στα μέλη ΔΕΠ τον απαραίτητο εξοπλισμό για το δομικό χαρακτηρισμό των υλικών, σε μικρο- και νάνο- κλίμακα, καθώς και υπηρεσίες που σχετίζονται με την ηλεκτρονική μικροσκοπία. Ο ρόλος του είναι επιπλέον εκπαιδευτικός και συμβουλευτικός. Η ερευνητική δραστηριότητα των μελών ΔΕΠ επικεντρώνεται στη μελέτη δομικών ατελειών και ιδιοτήτων, με τις τεχνικές της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας, μιας μεγάλης ποικιλίας διαφορετικών υλικών όπως ημιαγωγικά υλικά, λεπτά υμένια, νανο-ετεροδομές, φυσικά ή τεχνητά υλικά σε μορφή σκόνης, κεραμικά, πολυμερή, μέταλλα και μεταλλικές επικαλύψεις. Ειδικότερα περιλαμβάνει σήμερα τους εξής τομείς δραστηριότητας:
• Μελέτη και δομικός χαρακτηρισμός υλικών (μέταλλα, ημιαγωγοί, κεραμικά, πολυμερή, μικτοί κρύσταλλοι και προηγμένα υλικά τεχνολογίας) με μεθόδους της συμβατικής Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας (CTEM), και της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Υψηλής Διακριτικής Ικανότητας (HRTEM).
• Μελέτη νανοδομών και δομικών ατελειών διαμορφωμένων δομών και πολυτυπικών μετασχηματισμών με ηλεκτρονική μικροσκοπία υψηλής διακριτικής ικανότητας (HRTEM) σε στερεά αναπτυγμένα σε τρεις (bulk) και σε δύο (thin films) διαστάσεις.
• Εντοπισμένος κρυσταλλογραφικός και τοπολογικός χαρακτηρισμός φάσεων, διεπιφανειών, συμμετριών, προσανατολισμών, πολικότητας, γραμμικών, επίπεδων και άλλων εκτεταμένων ατελειών.
• Προσδιορισμός κρυσταλλικών δομών με μεθόδους Ηλεκτρονικής Κρυσταλλογραφίας.
• Προσδιορισμός με υψηλή ακρίβεια πεδίων παραμόρφωσης στη νανοκλίμακα.
• Μελέτη των δομικών και χημικών ιδιοτήτων των ομοφασικών και ετεροφασικών διεπιφανειών των υλικών μέχρι την ατομική κλίμακα.
• Μελέτη νανο-ετεροδομών όπως κβαντικά φρέατα, κβαντικές τελείες, νανοσύρματα, κλπ.
• Μελέτη νανο-μηχανισμών αλληλεπίδρασης ατελειών, διεπιφανειών, πεδίων, και κινητικής της ανάπτυξης των υλικών.
• Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός προηγμένων υλικών τεχνολογίας με τη μέθοδο της μηχανοσύνθεσης.
• Μελέτη μετατροπών φάσεως και κρυστάλλωση άμορφων υλικών. Μελέτη των θερμικών ιδιοτήτων υλικών.
• Ανάπτυξη ολοκληρωμένων μοντέλων των δομών, των διεπιφανειών και των ατελειών των υλικών διαμέσου της προσομοίωσης των πειραματικών παρατηρήσεων CTEM και HRTEM με μεθόδους μοριακής δυναμικής, πρώτων αρχών (ab initio), και Monte-Carlo.
• Ανάπτυξη και βελτιστοποίηση μεθόδων και πακέτων λογισμικού ποσοτικής HRTEM (quantitative HRTEM – qHRTEM) όπως η μέθοδος προσδιορισμού μεγίστων έντασης.
•Προσομοίωση με ηλεκτρονικό υπολογιστή εικόνων περιθλάσεως ηλεκτρονίων, εικόνων CTEM και HRTEM. Ανάπτυξη λογισμικού για την αποτίμηση χαρακτηριστικών εικόνων περιθλάσεως ηλεκτρονίων και τον δομικό χαρακτηρισμό των υλικών. Aνάπτυξη λογισμικού για την επεξεργασία και βελτιστοποίηση εικόνων ηλεκτρονικής μικροσκοπίας.
• Μελέτη μορφολογικών χαρακτηριστικών των επιφανειών υλικών με μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων (AFM).
• Διαμέσου συνεργασιών με μεγάλα κέντρα Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας του εξωτερικού:
- Δισδιάστατη απεικόνιση χημικής σύστασης στη νανοκλίμακα
- Xημική απεικόνιση ατομικών δομών
- Ποσοτικός προσδιορισμός χημικής σύστασης στη νανοκλίμακα
- Προσδιορισμός προφίλ συγκέντρωσης κατά μήκος των διεπιφανειών
- Ανάλυση χημικών δεσμών

Εξοπλισμός
Σήμερα το Εργαστήριο διαθέτει τoν απαραίτητο και σύγχρονο εξοπλισμό για τον ακριβή χαρακτηρισμό της στερεάς ύλης με μεθόδους ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (HRTEM, CTEM), καθώς και τις τελευταίου τύπου διατάξεις για την προετοιμασία δειγμάτων ΤΕΜ, όπως:
• Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διέλευσης Υψηλής Ανάλυσης JEOL 2011 (200KV), με διακριτική ικανότητα 0.194 nm, (έτος κτήσης 2001), εξοπλισμένο με:
i. Σύστημα CCD κάμερας KeenView.
ii. Διάταξη Μετάπτωσης Ηλεκτρονικής Δέσμης SPININGSTAR P020.
• Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διέλευσης Υψηλής Ανάλυσης JEOL 2000FX (200KV), με διακριτική ικανότητα 0.28 nm, (έτος κτήσης 1992).
• Συμβατικό Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διέλευσης JEOL 1010 (100 KV) με διακριτική ικανότητα καλύτερη από 0.5 nm και υποδοχείς δείγματος με δυνατότητα ψύξης, θέρμανσης και εφελκυσμού (έτος κτήσης 1978).
• Μικροσκόπιο Ατομικών Δυνάμεων (AFM) Explorer 2000 Truemetrix Topometrix, δύο σαρωτών των 100 μm x 100 μm, 2.5 μm x 2.5 μm και υγρό σαρωτή των 2.5 μm x 2.5 μm με ανάλυση μερικών nm.
• Διατάξεις τελικής λείανσης με δέσμη ιόντων Ar+: Edwards (model IBMA2), MTA-MFKI και TECHNOORG LINDA με δυνατότητα χρήσης υγρού αζώτου για ψύξη.
• Διάταξη τελικής λείανσης ακριβείας με δέσμη ιόντων Ar+, PIPS Gatan (model 691).
• Περιστρεφόμενη τράπεζα μηχανικής λείανσης υψηλής ροπής στρέψης για μικρομετρικό τρίποδα, South Bay Technology (model 910).
• Ημι-αυτοματοποιημένη περιστρεφόμενη τράπεζα μηχανικής λείανσης με βραχίονα ακριβείας, Allied Multiprep.
• Διάταξη εκβάθυνσης μηχανικά λειασμένων δειγμάτων (dimpler), South Bay Technology (model 515).
• Συσκευές ηλεκτρολείανσης Struers (Tenupol-2, Tenupol-3).
• Πλήρη φωτογραφικό θάλαμο.
• Εξειδικευμένο λογισμικό επεξεργασίας και προσομοίωσης εικόνων ηλεκτρονικής μικροσκοπίας υψηλής ανάλυσης.

ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ

Ερευνητικά Ενδιαφέροντα:

1) Τα φαινόμενα “Speckle”: Τα οποία αφορούν τις ιδιότητες (από στατιστική άποψη) του φωτός (συμφωνία και μερική συμφωνία) και τη στατιστική των επιφανειών στις οποίες ανακλάται ή διαθλάται. Οι εργασίες μας εδώ αφορούν προβλήματα συμβολομετρίας “Speckle” και οπτικής επεξεργασίας πληροφοριών με φορείς τους “κόκκους” του “Speckle”.
2) Eπεξεργασία οπτικών πληροφοριών: Η οποία βασίζεται σε μια γενικευμένη άποψη της βαθμωτής θεωρίας της περίθλασης του φωτός της κλασσικής οπτικής. Πρόκειται για τη λεγόμενη Οπτική Fourier. Οι εργασίες μας εδώ αφορούν κυρίως την ανάδειξη μεθόδων παρατήρησης αντικειμένων φάσης (δηλ. διαφανών υλικών με μεταβλητό δείκτη διάθλασης).
3) Φωτοδιαθλαστικοί κρύσταλλοι: Στους κρυστάλλους αυτούς είναι δυνατόν να εγγραφούν φράγματα φάσης. Τα τελευταία αποτελούν φορείς καταγραφής, αποθήκευσης και επεξεργασίας οπτικών πληροφοριών. Σε ειδικές τομές αυτών των κρυστάλλων καταγράφονται φράγματα συναρτήσει του προσανατολισμού του διανύσματος φράγματος και της υψηλής τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα τους. Με πρόσπτωση στο φράγμα κατάλληλης δέσμης φωτός, αναπαράγεται μέσω περίθλασης η καταγραμμένη πληροφορία. Μελετούμε την περιθλαστική ικανότητα των φραγμάτων και τις πολωτικές ιδιότητες της περιθλώμενης δέσμης, συναρτήσει της κατάστασης πόλωσης της προσπίπτουσας, καθώς και άλλες ιδιότητες των φραγμάτων φάσης.
4) Μετρήσεις των συντελεστών διαφόρων φυσικών ιδιοτήτων των κρυστάλλων: Εδώ ασχολούμαστε με κρύσταλλους που είναι Οπτικά ενεργοί Ηλεκτροοπτικοί (Pockel effect), Φωτοελαστικοί (μέσω του αντιστρόφου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου), Ηλεκτροστροφικοί, εμφανίζουν Ηλεκτροοπτικό φαινόμενο δεύτερης τάξης (Kerr effect) κ.ά. Με τη βοήθεια ειδικών διατάξεων μετρούμε: Τον διασκεδασμό (συναρτήσει του μήκους κύματος) για την ορατή περιοχή του Η/Μ φάσματος: α) Των δείκτων διάθλασης, β) Της οπτικής ενεργότητας, γ) Τους ηλεκτροοπτικούς και δ) Τους ηλεκτροστροφικούς συντελεστές τους.
Υλικοτεχνική υποδομή
1) Οπτικές τράπεζες και μηχανικά συστήματα ελεγχόμενα από Η/Υ.
2) Οπτικά εξαρτήματα και συστήματα.
3) Πηγές φωτός και Lasers.
4) Ηλεκτρονικά συστήματα (Παλμογράφοι, τροφοδοτικά κλπ).
5) Μονοχρωμάτορες, φασματογράφοι.
6) Πλήρης σειρά μικροσκοπίων.
7) Περιθλασίμετρα, συμβολόμετρα και άλλα οπτικά όργανα.

ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ

Με τη χρήση φασματοσκοπικών τεχνικών (Raman, IR, Απορρόφησης, Φωτοφωταύγειας) και τη συνέργεια θεωρητικών υπολογισμών (φαινομενολογικά πρότυπα, μέθοδοι από πρώτες αρχές, εφαρμογή της θεωρίας διακριτών ομάδων) μελετώνται οι οπτικές ιδιότητες πληθώρας υλικών όπως (ημιαγωγοί, φουλερένια, νανοσωλήνες, γρανάτες, χαμηλοδιάστατα υλικά κ.α.) και μέσω αυτών αφ΄ ενός μεν χαρακτηρίζονται τα εν λόγω υλικά (ταυτοποίηση, διάφορες φάσεις, κρυσταλλικότητα, ύπαρξη μηχανικών τάσεων, χημική τροποποίηση, ηλεκτρονική νόθευση κ.α.), αφετέρου δε μελετώνται διάφορα φυσικά φαινόμενα (αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων-φωνονίων, ανωμαλίες Kohn, μελέτη αλληλεπιδράσεων αμέσου γειτονίας κ.λ.π.).

Επίσης, η επίδραση εξωτερικών παραμέτρων (θερμοκρασία, μονοαξονική και διαξονική μηχανική παραμόρφωση ή τάση, υδροστατική πίεση, ηλεκτροχημική νόθευση) μεταβάλει δραστικά τις οπτικές ιδιότητες και συνεπώς η μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων, εκτός της εμβάθυνσης στην κατανόηση αυτών καθ΄ εαυτών των φυσικών φαινομένων, επιτρέπει τη σπουδή των περιοχών δομικής ευστάθειας των υλικών ως επίσης και των επαγομένων από την πίεση δομικών ή ηλεκτρονικών μεταβολών φάσεως.

  • Ενδεικτικές δραστηριότητες:
    1. Μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων σε κανονικές συνθήκες, υπό υψηλές πιέσεις και ως συνάρτηση της θερμοκρασίας υλικών όπως ημιαγωγοί (ΙΙΙ-V, II-VI), φουλερένια και παράγωγά τους, χημικά τροποποιημένοι νανοσωλήνες άνθρακα και ενώσεις της δομής Scheelite (ABO4, Α = Ca, Sr, Ba και B = W, Mo).
    2. Μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων δισδιάστατων υλικών όπως γραφένια (μονοστρωματικά ή πολυστρωματικά), BN, διχαλκογενίδια μετάλλων μετάπτωσης (MoS2, WS2, Mo1-xWxS2, MoSe2) συναρτήσει της αλληλεπίδρασης τους με διάφορα υποστρώματα, φυσικής ή ηλεκτροχημικής ηλεκτρονικής νόθευσης, μηχανικής παραμόρφωσης και υδροστατικής πίεσης.
    3. Μελέτη με φασματοσκοπία Raman των νιτριδίων της ομάδας ΙΙΙ του περιοδικού πίνακα (AlN, GaN, InN) και των κραμάτων τους: επίδραση στο πλέγμα της εμφύτευσης ιόντων και της εισαγωγής προσμίξεων (doping) καθώς και των τάσεων που επάγονται από την επιταξιακή ανάπτυξη.
    4. Μελέτη της δυναμικής πλέγματος γρανατών του αργιλίου, γαλλίου και στερεών διαλυμάτων αυτών (RE3Al5O12 και RE3Ga5O12, όπου RE σπάνια γαία).
  • Εξοπλισμός:
    1. Διάταξη Raman και φωταύγειας DILOR ΧΥ αποτελούμενη από δύο συζευγμένους μονοχρωμάτορες και ένα φασματογράφο εστιακής απόστασης 500 mm εφοδιασμένων με φράγματα περίθλασης των 1800 γραμμών/mm. Η ανίχνευση του φωτός πραγματοποιείται με κρυογενικό ανιχνευτή CCD με ενσωματωμένο dewar υγρού αζώτου.
    2. Φασματόμετρο Raman RAMALOG 5, τριπλού μονοχρωμάτορα με φωτοπολλαπλασιαστή GaAs ψυχώμενο από συστημα ψύξης Peltier, που καλύπτει την περιοχή 12.000-28.000 cm-1 (8500 - 3500 Å), πλήρως αυτοματοποιημένο και ελεγχόμενο από υπολογιστή.
    3. Δυο Lasers Ar+ της Spectra Physics 2W.
    4. Laser Kr της Lexel 1.5 W.
    5. Ένας κρυοστάτης με την αντίστοιχη αντλία διαχύσεως της Cryogenic έως 20 Κ.
    6. Κυψελίδες άκμονος διαμαντιού υψηλής πίεσης τύπου μεμβράνης, μικροδιατάξεις εφαρμογής μηχανικής παραμόρφωσης (μονοαξονική, διαξονική).

 

ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ

Μελέτη της νανοδομής (αποστάσεις πλησιεστέρων γειτόνων, αριθμός συναρμογής, γωνίες δεσμών) και των οπτικών ιδιοτήτων (πυκνότητα μη κατειλημμένων καταστάσεων) υλικών στην περιοχή των μαλακών και σκληρών ακτίνων Χ με τις φασματοσκοπίες απορρόφησης ακτίνων Χ EXAFS & NEXAFS.

Στοιχειακή χαρτογράφηση με τη χρήση της φασματοσκοπίας φθορισμού ακτίνων Χ (XRF mapping) και XAFS με μεγάλη χωρική διακριτική ικανότητα (micro - XAFS)

Η δραστηριότητα καλύπτει τη μελέτη:
i) ενώσεων του Si (με έμφαση στο SiNx)
ii) νιτριδίων της ομάδας ΙΙΙ του περιοδικού πίνακα (GaN, AlN, InN και κραμάτων τους)
iii) υαλοποιημένων στερεών βιομηχανικών αποβλήτων (περισσότερες πληροφορίες για τα δείγματα στη σελίδα του ΔΙΣΤΕΒΑ http://web.auth.gr/wfenv-net
iv) βιολογικών δειγμάτων για τον προσδιορισμό της περιεκτικότητάς τους σε ιχνοστοιχεία

Επίσης, πραγματοποιούνται μετρήσεις μη ελαστικής σκέδασης ακτίνων Χ (και εναλλακτικά νετρονίων) για την μελέτη των καμπύλων διασποράς και της πυκνότητας καταστάσεων κρυσταλλικών υλικών.

Οι πειραματικές μετρήσεις γίνονται σε εργαστήρια ακτινοβολίας Σύγχροτρον
BESSY http://www.hasylab.de,
HASYLAB http://www.bessy.de,
ELETTRA http://www.elettra.trieste.it,
ESRF http://www.esrf.fr.

ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ

© 2018 ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ, ΑΠΘ.