Recently, the United Nations pointed out 17 Sustainable Development Goals (SDGs), with the aim of "peace and prosperity for people and the planet, now and into the future". Indeed, the quest for reliable, sustainable and modern energy sources (goal 7) and for innovation in the industry and infrastructure (goal 9) is a priority. In this context, the research on new materials can provide significant improvements: nowadays great efforts are devoted, all over the world, to the development of innovative materials for efficient solar energy conversion and for high speed data processing, pivotal for the big-data management and for information and communication technology (ICT). In the last decade, for light-harvesting applications, semiconductor nanocrystals have been the main candidates, due to their tunable gaps, efficient charge separation and recombination processes, and good electron transport features. On the other hand, the route to ultrafast data processing relies on all-optical control, that could provide fast switching through optical nonlinearities; plasmonic materials, and specifically nanostructures of noble metals, have been widely explored for this purpose. Indeed, they enable to squeeze light beyond the diffraction limit and they boost a huge optical nonlinearity, important in the all-optical modulation mechanism. In both frameworks, the study of light-matter interactions and in particular of the relaxation processes governing the dynamics of photogenerated hot electrons, on femto- and pico-second timescales, plays a key role. It enables a clearcut understanding of the physical processes involved, thus a conscious choice of the materials and a solid design of devices for future technological applications. In this work, we provide a deep study of the ultrafast optical properties of advanced nanomaterials for light harvesting and all-optical modulation, combining both an experimental and a theoretical approach. The research starts from i) the experimental investigation, through ultrafast pump-probe spectroscopy, of two semiconductor nanostructured systems for light-harvesting, namely cadmium-selenide-sulfur (CdSeS) nanocrystals engineered with sulfur vacancies and titania (TiO2)/alumina (Al2O3) nanoparticles with chemiadsorbed 3-hydroxyflavone (3HF). Subsequently, we provide a complete study of the optical nonlinearity of titanium nitride (TiN) as a new, ultrafast material for all-optical modulation. Specifically, ii) we develop an original numerical model for TiN optical nonlinearity, and iii) validate it on ultrafast pump-probe measurements on both TiN films and nanostructures. Finally, we provide some further developments of the research, in terms of comparison between TiN and gold (Au), model refinements involving multiple interband transition modulations, experimental tuning of TiN transient optical response, and a preliminary study on coherent phonons in TiN films. This research provides useful insights in view of the study and the prediction of the modulation of the ultrafast optical properties of new advanced material systems, paving the way to their exploitation in light-harvesting and all-optical modulation devices.
Di recente, le Nazioni Unite hanno delineato 17 Obiettivi di Sviluppo Sostenibile, con l'obiettivo di "pace e prosperità per le persone e il pianeta, ora e in futuro". Infatti, la ricerca di fonti di energia affidabili, sostenibili e moderne (obiettivo 7) e per l’ innovazione nell'industria e nelle infrastrutture (obiettivo 9) è una priorità. In questo contesto, la ricerca di nuovi materiali può fornire miglioramenti significativi: oggi grandi sforzi sono dedicati, in tutto il mondo, allo sviluppo di materiali innovativi per la conversione efficiente dell'energia solare e per l'elaborazione dati ad alta velocità, fondamentale per la gestione di grandi quantità di dati e per le tecnologie dell'informazione e della comunicazione (ICT). Nell'ultimo decennio, nel campo delle applicazioni di raccolta di luce, i nanocristalli semiconduttori sono stati i principali candidati, grazie ai loro gap regolabili, agli efficienti processi di separazione e ricombinazione di carica e a buone caratteristiche di trasporto degli elettroni. D'altra parte, la strada verso l'elaborazione ultraveloce dei dati si basa su un controllo tutto ottico, che potrebbe fornire uno switching veloce attraverso le nonlinearità ottiche; i materiali plasmonici e, in particolare, le nanostrutture di metalli nobili, sono stati ampiamente esplorati a questo scopo. Infatti, essi consentono di comprimere la luce oltre il limite di diffrazione e vantano una grande nonlinearità ottica, importante nel meccanismo di modulazione tutta ottica della luce. In entrambi i contesti, lo studio delle interazioni luce-materia e in particolare dei processi di rilassamento che governano la dinamica degli elettroni caldi fotogenerati, su scale temporali del femto- e pico-secondo, gioca un ruolo chiave. Essa consente infatti una comprensione chiara dei processi fisici coinvolti, e dunque una scelta consapevole dei materiali e un solido design per dispositivi volti a future applicazioni tecnologiche. In questo lavoro, forniamo uno studio approfondito delle proprietà ottiche ultraveloci dei nanomateriali avanzati per la raccolta della luce e la modulazione tutta ottica della luce, combinando un approccio sia sperimentale che teorico. La ricerca parte dalla i) indagine sperimentale, attraverso la spettroscopia pump-probe ultraveloce, di due sistemi nanostrutturati semiconduttori per la raccolta della luce, ossia i nanocristalli di seleniuro-solfuro di cadmio (CdSeS) ingegnerizzati con vacanze di zolfo e le nanoparticelle di titanio (TiO2)/allumina (Al2O3) con 3-idrossiflavone (3HF). Successivamente, forniamo uno studio completo della non linearità ottica del nitruro di titanio (TiN) come nuovo materiale ultraveloce per la modulazione tutta ottica della luce. In particolare, ii) sviluppiamo un nuovo modello numerico per la non linearità ottica del TiN e iii) lo validiamo su misure di pump-probe ultraveloce sia su film che su nanostrutture di TiN. Infine, forniamo ulteriori sviluppi della ricerca, in termini di confronto tra TiN e oro (Au), perfezionamenti del modello che coinvolgono molteplici modulazioni delle transizioni interbanda, tuning sperimentale della risposta ottica transiente del TiN e uno studio preliminare sui fononi coerenti nei film di TiN. Questa ricerca fornisce utili risultati in vista dello studio e della predizione della modulazione delle proprietà ottiche ultraveloci in nuovi sistemi di materiali avanzati, aprendo la strada al loro impiego in dispositivi per la raccolta e la modulazione tutta ottica della luce.
Ultrafast optical phenomena in advanced nanostructured materials for light harvesting and all-optical modulation
ROTTA LORIA, SILVIA
2023/2024
Abstract
Recently, the United Nations pointed out 17 Sustainable Development Goals (SDGs), with the aim of "peace and prosperity for people and the planet, now and into the future". Indeed, the quest for reliable, sustainable and modern energy sources (goal 7) and for innovation in the industry and infrastructure (goal 9) is a priority. In this context, the research on new materials can provide significant improvements: nowadays great efforts are devoted, all over the world, to the development of innovative materials for efficient solar energy conversion and for high speed data processing, pivotal for the big-data management and for information and communication technology (ICT). In the last decade, for light-harvesting applications, semiconductor nanocrystals have been the main candidates, due to their tunable gaps, efficient charge separation and recombination processes, and good electron transport features. On the other hand, the route to ultrafast data processing relies on all-optical control, that could provide fast switching through optical nonlinearities; plasmonic materials, and specifically nanostructures of noble metals, have been widely explored for this purpose. Indeed, they enable to squeeze light beyond the diffraction limit and they boost a huge optical nonlinearity, important in the all-optical modulation mechanism. In both frameworks, the study of light-matter interactions and in particular of the relaxation processes governing the dynamics of photogenerated hot electrons, on femto- and pico-second timescales, plays a key role. It enables a clearcut understanding of the physical processes involved, thus a conscious choice of the materials and a solid design of devices for future technological applications. In this work, we provide a deep study of the ultrafast optical properties of advanced nanomaterials for light harvesting and all-optical modulation, combining both an experimental and a theoretical approach. The research starts from i) the experimental investigation, through ultrafast pump-probe spectroscopy, of two semiconductor nanostructured systems for light-harvesting, namely cadmium-selenide-sulfur (CdSeS) nanocrystals engineered with sulfur vacancies and titania (TiO2)/alumina (Al2O3) nanoparticles with chemiadsorbed 3-hydroxyflavone (3HF). Subsequently, we provide a complete study of the optical nonlinearity of titanium nitride (TiN) as a new, ultrafast material for all-optical modulation. Specifically, ii) we develop an original numerical model for TiN optical nonlinearity, and iii) validate it on ultrafast pump-probe measurements on both TiN films and nanostructures. Finally, we provide some further developments of the research, in terms of comparison between TiN and gold (Au), model refinements involving multiple interband transition modulations, experimental tuning of TiN transient optical response, and a preliminary study on coherent phonons in TiN films. This research provides useful insights in view of the study and the prediction of the modulation of the ultrafast optical properties of new advanced material systems, paving the way to their exploitation in light-harvesting and all-optical modulation devices.| File | Dimensione | Formato | |
|---|---|---|---|
|
PhD Thesis Silvia Rotta Loria.pdf
non accessibile
Descrizione: PhD Thesis - Silvia Rotta Loria
Dimensione
14.94 MB
Formato
Adobe PDF
|
14.94 MB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/10589/217234