Badania


Tematyka


Studiując Nanoinżynierię masz możliwość uczenia się w wyspecjalizowanym Laboratorium Optycznej Spektroskopii Nanostruktur. W laboratorium tym prowadzone są badania własności fizycznych oraz procesów dynamicznych zachodzących w nanostrukturach, ukierunkowane głównie na potencjalne zastosowanie w optoelektronice. Obszar zainteresowań LOSN jest bardzo szeroki, dotyczy wielu rodzaju obiektów (studni kwantowych, kropek kwantowych, nanokryształów) tworzonych na bazie różnorakich grup materiałowych do zastosowań w obszarach spektralnych od bliskiego ultrafioletu do średniej podczerwieni. Prowadzone są również badania podstawowe, dotyczące efektów kwantowych zachodzących w obiektach o skali nanometrowej. Wyróżnić można kilka podstawowych tematów, więcej informacji można znaleźć na stronie LOSN.

Spektroskopia kropek kwantowych

qda1.jpg
Fotografia pochodzi z Uniwersytetu w Wurzburgu.
Kropki kwantowe są obiektami typowo w kształcie ściętych ostrosłupów lub stożków, o wysokości rzędu kilku nanometrów
i średnicy około 20 nm. Najczęściej są wytwarzane w procesie samo-organizującym się, gdy półprzewodniki o różnej stałej sieci (odległości między atomami) są nakładane na siebie. Różnica stałej sieci prowadzi do pojawienia się naprężeń, co skutkuje wytworzeniem się wysp jednego materiału, otoczonych innym materiałem. Proces ten jest podobny do rozlania wody po gładkiej powierzchni, w pewnych warunkach również tworzą się krople wody zamiast równego pokrycia całej powierzchni.
Kropki kwantowe bywają nazywane sztucznymi atomami, gdyż dzielą pewne własności z atomami (ostre linie widmowe), a jednocześnie odpowiedni wybór materiałów i warunków wzrostu pozwala kontrolować ich rozmiary i kształty. Podstawowe różnice między atomami, a kropkami kwantowymi, są dwie - kropki są zawsze otoczone innym materiałem oraz każda kropka jest nieco inna.

W badaniach optycznych kropek kwantowych można wydzielić dwa podstawowe nurty:

  • badania całych zespołów kropek, których własności zależą od statystycznych rozkładów ich rozmiarów, najczęściej do zastosowań w laserach
  • badania pojedynczych kropek kwantowych, w celu zbadania ich fizycznych własności, ale także z perspektywą zastosowań w kryptografii kwantowej lub dla obliczeń kwantowych.
W LOSN prowadzone są eksperymenty z obydwu zakresów.

micropillar1.jpg + słupek jeden
Fotografia pochodzi z Nature 432, 197- 200 (2004).
Zespoły kropek kwantowych są badane z wykorzystaniem różnego typu technik spektroskopowych, takich jak metody modulacyjne (gdzie bada się zmiany np. współczynnika odbicia pod wpływem czynników zewnętrznych) i fotoluminescencja (pomiar emisji światła pod wpływem pobudzania zewnętrznym laserem). Dzięki temu można zbadać strukturę energetyczną kropek (układ poziomów związanych), mającą kluczowy wpływ na własności kropek i ich przydatność w zastosowaniach. Pozwala to oceniać zastosowane warunki wzrostu i planować konstrukcje lepszych struktur.
Pojedyncze kropki są badane dzięki wykorzystaniu układu pomiarowego o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, w którym plamkę lasera pobudzającego skupia się do ~1 μm, co przy specjalnym przygotowaniu struktur pozwala na wyodrębnienie pojedynczych obiektów. Umożliwia to określanie subtelnych własności kropek, dających się potencjalnie wykorzystać w urządzeniach emitujących pojedyncze fotony, które z kolei posłużą do skonstruowania komputera kwantowego.
Wszystkie eksperymenty wspierane są obliczeniami teoretycznymi, uwzględniającymi rzeczywiste kształty i rozmiary kropek. Połączenie eksperymentu i obliczeń pozwala dokładniej zinterpretować wyniki pomiarów i wyciągnąć informacje o istotnych cechach badanych obiektów.

Nanokryształy

nanokrysztaly_NaYF4.jpg
Nanokryształy są obiektami podobnymi do kropek kwantowych, różnią się technikami wytwarzania, zazwyczaj zdecydowanie tańszymi, oraz faktem, że mogą istnieć bez otaczającego ich materiału, np. w roztworze. Jednym z ich zastosowań jest, podobnie jak w przypadku kropek kwantowych, optoelektronika. Nanokryształy na bazie krzemu, domieszkowane lantanowcami, emitują światło w zakresie widzialnym. Pozwala to na konstrukcję diod i laserów, wykorzystującą niezwykle rozwiniętą technologię wytwarzania procesorów. Materiały te dają również nadzieję na aplikacje w fotowoltaice, w bateriach słonecznych III generacji.
Bardzo ważnym zastosowaniem nanokryształów jest medycyna. Do najmniejszych elementów składowych organizmu, o rozmiarach poniżej mikrona, przyczepia się specjalnie zaprojektowane molekuły emitujące światło (np. nanokryształy), co pozwala na ich obserwację pod mikroskopem. W LOSN również syntezuje się i bada kryształy przeznaczone do takich zastosowań.

Spekroskopia rozdzielona w czasie

Procesy zachodzące w nanostrukturach, decydujące o ich własnościach, są często niezwykle szybkie, ich czas trwania mierzy się w pikosekundach (10-12 s). Ich badanie jest istotne nie tylko z powodów czysto poznawczych, ma też znaczenie praktyczne, gdyż tak szybkie procesy odpowiadają za działanie urządzeń dużej częstotliwości,
np. w przypadku laserów telekomunikacyjnych szybkość modulacji decyduje o szybkości przesyłu danych.
LOSN posiada układ pomiarowy, dzięki któremu możliwe jest przeprowadzanie eksperymentów fotoluminescencji rozdzielonej w czasie, z rozdzielczością rzędu kilkudziesięciu pikosekund, na nanostrukturach, takich jak kropki i kreski kwantowe lub nanokryształy, pozwalających m.in. określić mechanizmy transferu energii, często decydujące o praktycznej przydatności badanego układu.

Inżynieria pasm energetycznych nanostruktur

Projektowanie, wytwarzanie i badanie własności nowych materiałów jest jednym z podstawowych aspektów nanotechnologii. Pomiary spektroskopowe, wykonywane różnymi uzupełniającymi się technikami, w połączeniu
z obliczeniami numerycznymi, przeprowadzane w LOSN, pozwalają wyznaczyć najistotniejsze własności badanych struktur, dzięki czemu można przyspieszyć proces dochodzenia do optymalnych parametrów układów, co umożliwia obniżenie kosztów wprowadzania nowych rozwiązań.
Dwie najintensywniej badane w LOSN grupy materiałów to:

  • związki grup III-V (In, Ga, As, Sb) domieszkowane azotem, do zastosowań w laserach i detektorach operujących w bliskiej podczerwieni, np. w telekomunikacji,
  • związki na bazie azotku galu, do zastosowań w niebieskiej optoelektronice oraz elektronice wysokich mocy.