Obszar badawczy

Funkcjonalne układy warstwowe i nanostruktury.

Cele badawcze

Niezależnie od badań podstawowych, których celem jest wyjaśnienie obserwowanych w układach cienkowarstwowych zjawisk fizycznych, podejmowane są również zadania dotyczące opracowywania technologii wytwarzania i określenia właściwości magnetycznych warstw charakteryzujących się parametrami atrakcyjnymi dla zastosowań. W tym zakresie główne cele naszych badań prowadzonych w ostatnich latach i obecnie koncentrują się na optymalizacji magnetycznych układów warstwowych stosowanych w strukturach magnonicznych, sensorach bazujących na efektach magnetorezystancyjnych lub układach wykorzystujących magnetoforezę w urządzeniach typu „lab-on-a-chip”. Aby osiągnąć te cele, podążaliśmy dwiema różnymi drogami. Pierwsza z nich była związana z rozwojem nowych układów magnetycznych, np. warstw wielokrotnych charakteryzujących się  w kolejnych warstwach ferromagnetycznych naprzemiennie anizotropią prostopadłą i zorientowaną w płaszczyźnie warstwy, struktur składających się z ferromagnetyków 3D, ferrimagnetycznych stopów RE-TM (RE- metal ziemi rzadkiej, TM-metal przejściowy), stopów Heuslera, pół-Heuslera, warstw YIG lub amorficznych FINEMET połączonych z metalami szlachetnymi, metalicznych lub tlenkowych warstw antyferromagnetycznych. Druga część naszych działań koncentrowała się na modyfikacji właściwości układów warstwowych po procesie osadzania. W szczególności badaliśmy wpływ bombardowania jonowego i strukturyzacji w skali nano na właściwości fizyczne (głównie magnetyczne) struktur cienkowarstwowych.

Profil badawczy

Zespół Cienkich Warstw i Nanostruktur realizuje prace badawcze z wykorzystaniem technologii wytwarzania układów warstwowych metodami rozpylania jonowego i ablacji laserowej w warunkach ultrawysokiej próżni oraz ich strukturyzacji metodą litografii elektronowej. Tak wytworzone układy warstwowe często są poddawane modyfikacji właściwości poprzez bombardowanie jonowe, utlenianie, wodorowanie. Proces modyfikacji może być prowadzony lokalnie, co realizowane jest z wykorzystaniem masek wykonanych z fotorezystu, a w przypadku bombardowania jonami Ga⁺ również z wykorzystaniem zogniskowanej wiązki jonowej (FIB). Właściwości strukturalne określane są na podstawie pomiarów dyfrakcyjnych oraz skaningowej mikroskopii elektronowej. Skład chemiczny wytwarzanych warstw kontrolowany jest in-stu z wykorzystaniem spektroskopii elektronów Augera (AES) oraz fotelektronów emitowanych pod wpływem promieniowania X (XPS), natomiast grubość warstw monitorowana jest na podstawie wskazań wagi kwarcowej. Aparatury do osadzania warstw zapewniają możliwość wytworzenia warstw w kształcie klina (z gradientem grubości) oraz warstw stopowych z gradientem składu.

Charakterystyka właściwości magnetycznych układów warstwowych prowadzona jest z wykorzystaniem metod opisanych w zakładce „Wyposażenie”. Interpretacja wyników badań eksperymentalnych jest często wspomagana symulacjami mikromagnetycznymi (OOMMF, MUMAX) i atomistycznymi (Vampire).

 Czytaj więcej o najważniejszych osiągnięciach Zakładu.

Kierownik Zakładu

• dr hab. Piotr Kuświk, prof. IFM PAN

  tel.: 61 86 95 135, nr pokoju: 152

  e-mail: piotr.kuswik@ifmpan.poznan.pl

Obecny skład Zakładu

• prof. dr hab. Janusz Dubowik

  tel.: 61 86 95 191, nr pokoju: 153, 23

  e-mail: janusz.dubowik@ifmpan.poznan.pl

• prof. dr hab. Feliks Stobiecki

  tel.: 61 86 95 136, nr pokoju: 160, 45

  e-mail: feliks.stobiecki@ifmpan.poznan.pl

• dr hab. Maciej Urbaniak

  tel.: 61 86 95 251, nr pokoju: 158, 52

  e-mail: maciej.urbaniak@ifmpan.poznan.pl
  www: strona domowa

• dr Gabriel David Chaves O’Flynn

  tel.: 61 86 95 251, nr pokoju: 158

  e-mail: gabriel.chaves@ifmpan.poznan.pl

• dr Piotr Graczyk

  tel.: 61 86 95 198, nr pokoju: 151

  e-mail: piotr.graczyk@ifmpan.poznan.pl

• dr inż. Mateusz Kowacz

  tel.: 61 86 95 138, nr pokoju: 150

  e-mail: mateusz.kowacz@ifmpan.poznan.pl

• dr Adam Krysztofik

  tel.: 61 86 95 236, 238, nr pokoju: 133, 23

  e-mail: adam.krysztofik@ifmpan.poznan.pl

• dr inż. Michał Matczak

  tel.: 61 86 95 198, nr pokoju: 151

  e-mail: michal.matczak@ifmpan.poznan.pl

• dr Marek Schmidt

  tel.: 61 86 95 138, nr pokoju: 150

  e-mail: marek.schmidt@ifmpan.poznan.pl

• dr Krzysztof Szulc

  tel.: 61 86 95 138, nr pokoju: 150

  e-mail: krzysztof.szulc@ifmpan.poznan.pl

Doktoranci

• mgr Daniel Kiphart

  tel.: 61 86 95 134, nr pokoju: 157

  e-mail: daniel.kiphart@ifmpan.poznan.pl

Zasłużeni byli pracownicy

• dr hab. Lesław Smardz

• dr Bogdan Szymański

Wyposażenie

• Spektrometr FT-IR Bruker Equinox 55 współpracujący z  mikroskopem FT-IR Bruker Hyperion 2000 wraz z wyposażeniem

  

  Układ pomiarowy pozwala na rejestrację widm w świetle spolaryzowanym w zakresie od 30 do 18 000 cm^-1. Spektrometr pracuje z maksymalną rozdzielczością spektralną 0,5 cm^-1. Dołączony do spektrometru mikroskop FT-IR Hyperion 2000 firmy Bruker pozwala na pomiar widm odbiciowych oraz transmisyjnych w świetle spolaryzowanym mikropróbek o wymiarach ułamków milimetra w zakresie spektralnym od 600 do 18000 cm^-1 w funkcji temperatury od 10 do 870 K. Mikroskop wyposażony jest w obiektyw do rejestracji widm odbiciowo-absorbcyjnych od cienkich warstw naniesionych na podłoże metaliczne (600–6500 cm^-1). Stolik mikroskopu (sterowany silnikami krokowymi) umożliwia badania rozkładu przestrzennego substancji w materiale (rozdzielczość przestrzenna 1 mm). Posiadane kowadła diamentowe pozwalają natomiast na rejestrację widm transmisyjnych w średniej podczerwieni w funkcji ciśnienia (do 20 GPa) w temperaturze pokojowej.

  W skład wyposażenia zestawu pomiarowego wchodzą:

  • układ do przedmuchu suchym powietrzem firmy Parker
  • zmiennokątowa przystawka odbiciowa firmy Bruker
  • przystawka do rejestracji widm osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia (ATR) firmy Gateway™
  • przystawka do rejestracji widm odbicia zwierciadlanego firmy Beckman
  • przystawka do rejestracji widm odbicia dyfuzyjnego (DRIFT) firmy Perkin-Elmer
  • zwierciadła, kuwety oraz polaryzatory

• Spektrometr Ramanowski LabRAM HR 800 Jobin Yvon wraz z wyposażeniem

  

  Spektrometr zawiera dwie siatki dyfrakcyjne (600 oraz 1800 rys/mm), optykę wejściową i filtrującą, detektor wielokanałowy (CCD 1024 x 256) pracujący w temperaturze ciekłego azotu. Wyposażony on jest w laser He Ne (λext = 632.8 nm), przestrajalny laser argonowy Stabilite 2017 wraz z zasilaczem (λext = 454.5, 457.9, 465.8, 472.7, 476.5, 488.0, 496.5, 501.7, 514.5 nm) oraz w laser NIR wraz z zasilaczem (λext = 785 nm). Na wyposażeniu spektrometru są zestawy filtrów VLFIE typu "Notch": dla linii 457, 488, 514, 633 oraz 785 nm. Spektrometr wyposażony jest w mikroskop konfokalny L-BXFM zawierający następujące obiektywy: obiektyw typu "plan-achromatic" x10, NA = 0.25, WD = 10.6 mm, obiektyw typu "plan-achromatic" x50, NA=0.75, WD=0.37 mm, obiektyw typu "plan-achromatic" x100, NA = 0.90, WD = 0.21 mm, obiektyw o długiej ogniskowej x10, NA = 0.25, WD = 21 mm, obiektyw o długiej ogniskowej x20, NA=0.25, WD = 12 mm oraz obiektyw do makro-próbek WD = 40 mm. Spektrometr Ramanowski LabRAM HR 800 Jobin Yvon wykorzystywany jest do badań widm rozpraszania Ramana w funkcji temperatury i ciśnienia.

• Spektrometr NIR/Vis/UV Hitachi U-2900

  

  Spektrometr umożliwia rejestrację widm absorpcyjnych w świetle spolaryzowanym w zakresie spektralnym od 190 do 1100 nm próbek w fazie stałej oraz ciekłej. Widma transmisyjne i odbiciowe można rejestrować z prędkością skanowania: 10, 100, 200, 400, 800, 1200, 2400 oraz 3600 nm/min. Przyrząd posiada dwa źródła promieniowania: lampę wolframową (pomiary w zakresie światła widzialnego) oraz lampę deuterową (pomiary w zakresie światła ultrafioletowego). Jako detektor promieniowania wykorzystywana jest fotodioda krzemowa. Dokładność pomiaru widma zmienia się wraz ze zmianą zakresu absorbancji i wynosi: w zakresie od 0 do 0,5 ±0,002, od 0,5 do 1,0 ±0,004 oraz od 1,0 do 2,0 ±0,008. Błąd pomiaru wartości transmitancji równy jest ±0,3%.

• Spektrofluorymetr Hitachi F-7000

  

  Spektrofotometr ten umożliwia wykonywanie pomiarów fluorescencji, luminescencji oraz fosforescencji roztworów oraz próbek stałych w funkcji temperatury (kriostat Optistat CF firmy Oxford Inst). Możliwe jest wykonywanie pomiarów czasu życia fluorescencji do 1 ms. Wyposażony jest on w dwa monochromatory pozwalające na ciągły wybór długości fali wzbudzenia i emisji fluorescencyjnej. Na wyposażeniu spektrofluorymetru znajduje się zestaw filtrów krawędziowych oraz polaryzatorów umożliwiających pomiar widm emisji i wzbudzeń w zakresie od 900 do 200 nm.

• Stanowisko do pomiarów przewodności elektrycznej

  

  Pomiary przewodności elektrycznej właściwej przeprowadzane są metodą czteroelektrodową. Programowalne źródło prądu Keithley 220 pozwala na zmiany prądu w zakresie 1 nA – 100 mA, a cyfrowy woltomierz Keithley 182 umożliwia pomiary w zakresie 3 mV – 30 V z rozdzielczością 1 nV – 10 μV. Pomiary temperaturowe są wykonywane w zakresie 1,8-370 K. Do ścieżek miedzianych za pomocą drutu srebrnego o średnicy 40 μm przymocowywana jest próbka za pomocą pasty srebrnej, z której wykonane są też elektrody. W zależności od potrzeb istnieje możliwość użycia pasty złotej lub węglowej (oraz innego drutu niż srebrny). Układ umożliwia pomiar próbek o rozmiarach poniżej 1 mm (maksymalnie około 1 cm).

• Stanowisko do analizy termooptycznej (TOA)

  Analiza termooptyczna stanowi wizualną pomoc w obserwacji efektów fizycznych podczas pomiarów analizy termicznej. Pozwala wyznaczyć temperaturę przemiany fazowej w fazie skondensowanej pod warunkiem występowania wyraźnych zmian tekstury badanego materiału. Jest to metoda komplementarna do pomiarów różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC), termograwimetrii (TG) czy też pomiarów w podczerwieni w funkcji temperatury. Układ pomiarowy zbudowany jest z następujących elementów: mikroskopu stereoskopowego Delta Optical IPOS 810 WS (obiektyw planachromat ´2 - maksymalne powiększenie ´400 wraz oświetlaczem koaksjalnym, modułem do ciemnego pola, adapterem fotograficznym z kamerą mikroskopową), kriostatu firmy Linkam TC92 wraz z wyposażeniem, multimetru - HP 34401a (zakresy: 10 mA, 100 mA, 1 A, 3 A; maksymalna rozdzielczość: 10 nA), diody - OSRAM BPW 21 (prąd ciemny: 2 nA; długość fali 350-820 nm) oraz komputera.

• Układy do badań temperaturowych

  • Układ do badań w funkcji temperatury od 1,8 do 370 K
    

    kriostat optyczny Optistat CF firmy Oxford Inst. (zestawy okienek: KBr, KRS-5, kwarc), termoregulator Oxford Inst. ITC 503, lewar GFS 650, przepływomierz PKR 251/26001, dewar helowy 50 l, układ pomp: pompa turbomolekularna TSH 071E, pompa membranowa MVP 015, pompa cyrkulacyjna, miernik ciśnienia PKR 251 / 26001;

    układ umożliwia rejestrację widm fluorescencji w funkcji temperatury oraz wykorzystywany jest w pomiarach przewodności elektrycznej właściwej;

  • Układ do badań w funkcji temperatury od 4.2 do 300 K
    

    kriostat optyczny CF 2102 firmy Oxford Inst., termoregulator Oxford Inst. ITC 503, lewar GFS 650, przepływomierz PKR 251/26001, dewar helowy 50 l, układ pomp: pompa turbomolekularna TSH 071E, pompa membranowa MVP 015, pompa cyrkulacyjna, miernik ciśnienia PKR 251 / 26001;

    układ umożliwia rejestrację widm absorpcyjnych i odbiciowych w świetle spolaryzowanym (600-18000 cm^-1) oraz widm rozproszenia Ramana;

  • Układ do badań w funkcji temperatury od 77 K do 870 K

    kriostat firmy Linkam Corp. TC92, termoregulator Linkam Inst., dewar azotowy wraz z osuszaczami do przedmuchu kriostatu, linia ogrzewająca obudowę kriostatu;

    układ umożliwia rejestrację widm absorpcyjnych i odbiciowych w świetle spolaryzowanym (600-18000 cm^-1), widm rozproszenia Raman oraz wykorzystywany jest w analizie termooptycznej (TOA);

  • Układ do badań własności optycznych jednocześnie w funkcji temperatury (4.2­–300 K) i ciśnienia (od ciśnienia atmosferycznego do 20 GPa)
    

    kriostat optyczny CF 2102 firmy Oxford Inst. z wyposażeniem, kowadło diamentowe Diacell D-07 umieszczone na zimnym palcu kriostatu – max ciśnienie 100 GPa;

    układ umożliwia rejestrację widm rozproszenia Ramana w funkcji temperatury i ciśnienia.

    

• Wyposażenie do przygotowywania materiałów do badań

  • laboratorium chemiczne
  • powlekacz obrotowy Laurell W5-650MZ-23NPPB do nanoszenia cienkich warstw
  • młyn kulowy do mechanosyntezy
  • suszarka laboratoryjna
  • pastylkarka
  • prasa hydrauliczna
  • waga laboratoryjna
  • kuwety do gazów (l = 10 cm) i cieczy (l = 0,1-50 mm) wykonane ze szkła, kwar-cu, NaCl, KRS-5, BaF2, KBr, CsJ
  • kowadła diamentowe
  • elektrodrążarka do wykonywania otworów w uszczelkach
  • urządzenie do intendowania uszczelek
  • myjka ultradźwiękowa,
  • mikroskop stereoskopowy (max pow. x20)
  • stacja lutownicza
  • mikroskop stereoskopowy Delta Optical IPOS 810 WS (obiektyw planachromat x2 – maksymalne powiększenie x400 wraz oświetlaczem koaksjalnym, modułem do ciemnego pola i adapterem fotograficznym z kamerą mikroskopową
    

• Stacje obliczeniowe

  Wykorzystywane przez nas oprogramowanie (programy Gaussian oraz Crystal) umożliwiają wykonywanie obliczeń drgań sieci (fononów), drgań oscylacyjnych oraz przejść elektronowych.

Obszar badawczy

Dynamika molekularna i właściwości fizyczne nowych materiałów do zastosowań technologicznych.

Cele badawcze

W Zakładzie Fizyki Układów Molekularnych i Badań Radiospektroskopowych prowadzone są zarówno badania podstawowe, których celem jest poznanie i określenie fundamentalnych zjawisk fizycznych oraz własności fizykochemicznych organicznych i nieorganicznych materiałów w fazie ciekłej, stałej i tzw. miękkiej materii, jak również prace aplikacyjne mające na celu zaprojektowanie i wytworzenie nowych układów do zastosowań m.in. w takich obszarach technologicznych jak odnawialne źródła energii, biokompatybilne związki farmaceutyczne czy elektronika molekularna. W ostatnich latach nasza grupa koncentrowała się na trzech głównych tematach związanych z projektowaniem, optymalizacją i charakteryzacją takich materiałów jak:

• neutralne dla środowiska, ciałostałowe, bezwodne przewodniki protonowe do zastosowań w ogniwach paliwowych oparte na biopolimerach (m.in. nanokrystalicznej i mikrowłóknistej celulozie) używanych jako biokompatybilne matryce oraz molekułach heterocyklicznych (imidazol i jego pochodne),
• termicznie odnawialne elektrolity stałe dla układów opartych na bazie jonów litu do zastosowań w układach magazynujących energię,
• biokompatybilne układy hydrożelowe zawierające jony nanosrebra i nanozłota do zastosowań w produktach farmaceutycznych.

W celu realizacji wyznaczonych zamierzeń prowadzimy badania dynamiki molekularnej, procesów relaksacyjnych i dyfuzyjnych, własności termicznych, mechanizmów przewodnictwa jonowego i elektronowego w układach organicznych oraz funkcjonalnych materiałach dielektrycznych. W szczególności koncentrujemy się na badaniach układów supramolekularnych i wpływie struktury żelatora oraz oddziaływań między cząsteczkowych na procesy samoorganizacji molekularnej, transportu ładunku, stabilności termicznej i trwałości wytwarzanych materiałów.

Profil badawczy

Zakład Fizyki Układów Molekularnych i Badań Radiospektroskopowych realizuje badania i prace rozwojowe z wykorzystaniem zaawanasowanych technik pomiarowych magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), w tym dyfuzometrii NMR, wysokorozdzielczej spektroskopii NMR w ciele stałym, relaksometrii NMR metodą Fast Field-Cycling. Korzystając z głowic pomiarowych dedykowanych dla cieczy, materii miękkiej i ciała stałego prowadzimy obserwację zjawiska NMR na wielu rodzajach jąder atomowych (m.in. ¹H, ²H, ¹³C, ¹⁹F, ¹⁵N, ⁷Li, ²⁹Si), co umożliwia przeprowadzenie kompleksowej i szczegółowej analizy badawczej. Dzięki zastosowaniu dodatkowych akcesoriów, takich jak pompy, kriostaty czy chłodziarki, możemy prowadzić pomiary w szerokim zakresie temperatur (od 10 do 400 K). Posiadana na wyposażeniu aparatura do analizy termicznej pozwala uzyskać informacje na temat stabilności termicznej i przemian fazowych w badanych materiałach, a także przeprowadzać badania starzeniowe z wykorzystaniem technik termograwimetrycznych (TGA) i skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC). Za pomocą opracowanej w zakładzie techniki termicznej konduktometrii skaningowej (TSC) możliwe jest badanie przewodnictwa jonowego in-situ układów podlegających samoorganizacji molekularnej w funkcji temperatury. Więcej informacji na temat wykorzystywanych metod badawczych znajduje się w zakładce „Wyposażenie”.

Poza badaniami realizowanym w ramach działalności statutowej i projektowej prowadzimy szeroką współpracę z różnymi ośrodkami krajowymi i zagranicznymi, co umożliwia angażowanie się w badania interdyscyplinarne, które dotyczą:

• układów biologicznych i produktów żywnościowych (np. wina, miody, oliwy, napoje alkoholowe), w tym weryfikacji autentyczności składu badanych produktów,
• opracowywania nowoczesnych środków konserwujących dla zachowania obiektów dziedzictwa kulturowego,
• produktów farmaceutycznych (projektowanie i charakterystyka własności fizykochemicznych),
• nowoczesnych materiałów technologicznych, np. elektrod do układów nowoczesnych baterii, superkondensatorów, czy katalizatorów.