Φυσική Συμπυκνωμένης Ύλης

Τον τομέα Φυσικής Συμπυκνωμένης Ύλης αποτελούν οι Δρς.: Ξ. Ζώτος, Ε. Οικονόμου, Ν. Παπανικολάου, Η. Περάκης, Π. Τζανετάκης, Γ. Τσιρώνης, Ν. Φλυτζάνης, Γ. Χ. Ψαλτάκης, καθώς και ένας αριθμός μεταδιδακτορικών συνεργατών, μεταπτυχιακών φοιτητών και επιστημονικών επισκεπτών.

Ο τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης (Συμπυκνωμένης Ύλης) του Φυσικού Τμήματος του Πανεπιστημίου Κρήτης έχει μια ισχυρότατη παρουσία και ανταγωνιστικότητα στο διεθνές επίπεδο σε θέματα μεγάλης σημασίας τόσο τεχνολογικού όσο και βασικού χαρακτήρα. Έγινε φανερό κατά την τελευταία δεκαετία πως η κατανόηση της φυσικής των υλικών (κρυσταλλικών και άμορφων) που αντικαθιστούν, έστω και μερικώς, τα παραδοσιακά υλικά. Μερικά από αυτά εθεωρούντο μέχρι πρόσφατα σαν υποθετικά, είτε διότι δεν απαντώνται στην φύση, είτε λόγω της δυσκολίας στην ανάπτυξη τους. Με τις προόδους στις σύγχρονες πειραματικές μεθόδους έγινε όμως κατορθωτό να παρασκευαστούν τέτοια υλικά, που λόγω της ιδιαιτερότητας τους, έχουν ένα ευρύ φυσικών ιδιοτήτων οι οποίες χρήζουν ανάλυσης και κατανόησης. Σαν παράδειγμα αναφέρουμε, μεταξύ άλλων, νέα σύνθετα υλικά για ηλεκτρονικές διατάξεις που ολοκληρώνονται πάνω στην καλά θεμελιωμένη τεχνολογία του πυριτίου, σκληρά υλικά εξαιρετικής αντοχής κάτω από εξωτερικές τάσεις υψηλές θερμοκρασίες και δομικά καλύτεροι υπεραγωγοί.

Η προσπάθεια του τομέα να ευρίσκεται στο μέτωπο της διερεύνησης των ιδιοτήτων τέτοιων υλικών, που συνδέονται άμεσα με εφαρμογές σημαντικές για την ανάπτυξη και ένταξη της χώρας σε κρίσιμες διεθνείς ερευνητικές και τεχνολογικές εξελίξεις, εστιάζεται σε δύο συχνά επικαλυπτόμενες κατευθύνσεις. Η πρώτη δραστηριότητα σχετίζεται με θέματα Επιστήμης Υλικών, της οποίας το πιο σημαντικό θεωρητικό εργαλείο είναι η Υπολογιστική Φυσική. Θέματα και συστήματα υπό διερεύνηση είναι ενδεικτικά: ημιαγώγιμα κράματα, άμορφα υλικά, φυσική επιφανειών και διεπιφανίων συσσωματώματα υπεραγωγοί υψηλής κρίσιμης θερμοκρασίας και μαγνητικά υλικά. Η θεωρητική αυτή προσπάθεια συνδέεται άμεσα με πειραματικές δραστηριότητες που λαμβάνουν χώρα στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Laser του ΙΤΕ (ομάδα μικροηλεκτρονικής, ομάδα αμόρφων ημιαγωγών και φωτοβολταικών, ομάδα μαγνητικών υλικών). Παράλληλα με τα θέματα που σχετίζονται άμεσα με την Επιστήμη Υλικών , υπάρχει μια δεύτερη δραστηριότητα που συνεπικουρεί την πρώτη και που αφορά θέματα πιο βασικού-θεωρητικού χαρακτήρα, όπως μη γραμμική φυσική ( με εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας) και μελέτη υλικών φωτονικού χάσματος ( εφαρμογές στις τηλεπικοινωνίες).

Αυτές οι κύριες ερευνητικές δραστηριότητες παρουσιάζονται περιληπτικά παρακάτω:

Επιστήμη Υλικών

(α) Θεωρητική Ομάδα

Η ομάδα αυτή έχει ένα ευρύτατο φάσμα ερευνητικών ενδιαφερόντων που περιλαμβάνουν μεταξύ άλλων:
Μελέτες δομικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων κρυσταλλικών και άμορφων ημιαγωγών ( όπως απλό και υδρογονωμένο πυρίτιο a-Si, a-Si:H, ή άνθρακας a-C και a-C:H. Κρυσταλλικά κράματα πυριτίου - γερμανίου - άνθρακα). Φαινόμενα τάξεως – αταξίας (διαγράμματα φάσεων – κρίσιμες θερμοκρασίες) σε κράματα, όπως Si-Ge. Ανάπτυξη και σταθερότητα υπερδομών και ετεροεπιφανειών (μελέτες αλληλοδιάχυσης). Ενεργειακή συμπεριφορά και σταθερότητα άμορφων ημιαγωγών. Χημική τάξη σε άμορφα κράματα (a-SiC). Διερεύνηση διεργασιών , όπως διάχυση και διαχωρισμός φάσεων, σε αναδομημένες επιφάνειες SiGe. Στατιστική και θερμοδυναμική προσέγγιση σε προβλήματα αταξίας σε ημιαγωγούς. Συσχετισμός δομικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων (όπως επίδραση αταξίας και τοπικών γεωμετριών στην ηλεκτρονική πυκνότητα καταστάσεων). Ιδιότητες ατελειών (ενέργειες σχηματισμού, καταστάσεις στο χάσμα). Μελέτες εντοπισμού ηλεκτρονικών κυμάτων σε άτακτα και άμορφα υλικά και ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε φωτονικούς κρυστάλλους. Μελέτες διάχυσης σε επιφάνειες μετάλλων μετάβασης. Δομικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες μικρών συσσωματωμάτων (Si, Ni, κλπ.).
Χρησιμοποιούνται και αναπτύσσονται διάφορες μέθοδοι και τεχνικές: Για την μελέτη της ισορροπίας και της δυναμικής των συστημάτων χρησιμοποιούνται μέθοδοι Monte Carlo (MC) και Μοριακής Δυναμικής (MD) σε συσχετισμό είτε με κλασικά εμπειρικά δυναμικά, είτε με χαμιλτονιανές ισχυρές δεσμεύσεις (TB). Ήδη χρησιμοποιείται η μέθοδος TBMD, και αναπτύσσεται μία ανάλογη TBMC μέθοδος. Για ακριβείς στατικούς υπολογισμούς δομών, ολικής ενέργειας, δομής ηλεκτρονικών ζωνών, σταθερότητας φάσεων στερεών χρησιμοποιούνται μέθοδοι «πρώτων αρχών» όπως η θεωρία συναρτησοειδούς πυκνότητας (density functional theory). Σε ένα χαμηλότερο επίπεδο ακρίβειας χρησιμοποιείται επίσης πολύ και η μέθοδος TB, καθώς και οι μέθοδοι Hartree-Fock και APW.
Για την μελέτη εντοπισμού σε υλικά με μεγάλη αταξία καθώς και φωτονικά υλικά χρησιμοποιούνται οι μέθοδοι των συναρτήσεων Green σε συνδυασμό με την προσέγγιση συμφώνου δυναμικού (CPA). Σε προσομοιώσεις μετάλλων σε συνδυασμό με MD και MC χρησιμοποιούνται επίσης και οι μέθοδοι EAM (embedded atom method) και EMT (effective medium theory).

(β) Πειραματική Ομάδα

Η ομάδα αυτή ενεργοποιείται σε δύο κατευθύνσεις, στην μελέτη αμόρφων ημιαγωγών και στην μελέτη φωτοβολταϊκών συστημάτων:
(1) Βασική έρευνα στο υδρογονωμένο άμορφο πυρίτιο (a-Si:H), η οποία επικεντρώνεται στα εξής θέματα: Φωτογενείς δομικές ατέλειες (φαινόμενο Steabler-Wronski). Ιδιότητες επανασύνδεσης φορέων. Ρόλος των ενδογενών και των φωτογενών ατελειών. Ευκινησία φορέων, παγίδευση και δημιουργία φορτίου χώρου κάτω από τον φωτισμό.
(2) Εφαρμοσμένη έρευνα και ανάπτυξη που σχετίζεται με τα φωτοβολταϊκά στοιχεία και συστήματα στο εργαστήριο «Φωτοβολταϊκό Πάρκο», που είναι κοινό εργαστήριο του Τμήματος Φυσικής του Π.Κ. και του ΤΕΙ Ηρακλείου: Έλεγχος φωτοβολταϊκων πλαισίων με διακοπτικά ηλεκτρονικά φορτία, μετρήσεις ακριβείας και καταγραφή στοιχείων λειτουργίας για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Συστήματα παρακολούθησης του Ήλιου και συγκέντρωση ακτινοβολίας με φακούς Fresnel για μετρήσεις Φ/Β στοιχείων και άλλων δειγμάτων υπό ακτινοβολία μεγάλης συνεχούς εντάσεις. Ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος και αυτομάτου ελέγχου για διάφορες Φ/Β εφαρμογές: Φωτισμός εξωτερικών χώρων, έλεγχος οδικής κυκλοφορίας, απομονωμένες κατοικίες, άντληση νερού.

Φυσική πολλών σωμάτων

Υπάρχει σημαντική ερευνητική δραστηριότητα στην θεωρητική μελέτη συλλογικών φαινομένων, όπως μαγνητικής τάξης, υπεραγωγιμότητας, κυμάτων πυκνότητας φορτίου ή σπιν, φαινόμενο Kondo, κλπ. Που εμφανίζομαι στην Στερεά Κατάσταση της Ύλης. Οι τεχνικές της Θεωρίας Πολλών Σωμάτων και ειδικότερα των συναρτήσεων Green και του αναπτύγματος 1/N, χρησιμοποιούνται στην ανάλυση αυτών των προβλημάτων. Πρόσφατες ερευνητικές δραστηριότητες αφορούν την μελέτη συστημάτων με εντοπισμένα σπιν (σιδηρομαγνητικά και αντισιδηρομαγνητικά Heisenberg), συστημάτων με αλληλεπιδράσεις ισχυρώς συσχετισμένων ηλεκτρονίων (μοντέλα Hubbard t-j και t-t’-j models) τα οποία έχουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τα φαινόμενα της Υπεραγωγιμότητας Υψηλών Θερμοκρασιών.

Μη γραμμική φυσική.

Η ομάδα αυτή δραστηριοποιείται σε ένα μεγάλο αριθμό θεμάτων που θα μπορούσαν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής:
Υπεραγώγιμες επαφές Josephson (1-d, 2-d, δίκτυα): Δυναμική των στοιχείων μαγνητικής ροής και επίδρασης του ηλεκτρομαγνητικού περιβάλλοντος στις I-V χαρακτηριστικές. Επίδραση του ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Cerenkov. Διάδοση κυμάτων σε σύνθετα νέα ηλεκτρομαγνητικά υλικά.
Μη γραμμικές δομές και κύματα: Κύματα σε μοριακές αλυσίδες και πλέγματα με αλληλεπιδράσεις μεγάλης εμβέλειας. Σολιτόνια, διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε οπτικές ίνες και laser σολιτονίων. Μη γραμμικές δομές σε επιστρώσεις επιφανειών. Εξαρμόσεις, διάδοση κυμάτων σε μηχανικά μέσα. Χάος και ανάλυση σημάτων. Συστήματα με εντοπισμό. Μη γραμμικά πρότυπα για φυσικά φαινόμενα. Πολυπλοκότητα.
Βιοχημικά συστήματα: Ηλεκτρονικές ιδιότητες ασθενώς συνδεμένης ύλης. Μοριακοί κρύσταλλοι, ιδιότητες βιομορίων, κίνηση πρωτεϊνών.
Συστήματα υδρογονωμένου δεσμού: Ιοντικές και περιστροφικές ατέλειες σε σχεδόν μονοδιάστατα συστήματα πάγου. Πολαρόνια και αλληλεπιδράσεις Coulomb. Επίδραση της θερμοκρασίας και των κβαντικών διακυμάνσεων.
Στατιστική φυσική: Μη γραμμικές ιδιότητες ανοιχτών συστημάτων, στοχαστικές διαδικασίες, πρότυπα για χρηματοοικονομικές διαδικασίες.
Νέες εκπαιδευτικές τεχνολογίες: Εκπαιδευτική χρήση των πολυμέσων, χρήση ιστού.

Πανεπιστήμιο Κρήτης - Τμήμα Φυσικής - Πανεπιστημιούπολη Βουτών - GR-70013 Βασιλικά Βουτών, Ελλάδα
τηλ: +30 2810 394300 - fax: +30 2810 394301