Dwa projekty w programie PRELUDIUM BIS 2

Doktoranci prowadzeni przez prof. Mariusza Zdrojka i prof. Marka Wasiucionka będą mieli szansę wziąć udział w projekcie finansowanym w ramach programu PRELUDIUM 2 Narodowego Centrum Nauki.

Pod kierunkiem prof. Zdrojka będzie wykonywany projekt "Nowatorskie heterostruktury van der Waalsa dla nano i optoelektroniki nowej generacji".

Dwuwymiarowe materiały to warstwy o grubości atomu i obiecujący kandydaci na podstawowe elementy składowe nanoelektroniki nowej generacji. Najbardziej znanym przykładem materiału 2D jest grafen: odkryty jako pierwszy, nagrodzony Noblem, atomowo cienki arkusz atomów węgla. Dziś znamy kilkaset innych materiałów 2D o różnych właściwościach elektrycznych, optycznych i termicznych. Ta różnorodność w połączeniu z ich często niezwykłymi właściwościami jest kluczem do ich zastosowań. Ten projekt skupi się na tym, jak różne warstwy 2D wpływają na siebie, układając je w sztuczne, nieznane w naturze stosy zwane heterostrukturami van der Waalsa. Celem projektu jest potwierdzenie hipotezy, że możemy budować nowe urządzenia o określonych, potrzebnych właściwościach, wybierając odpowiednie dwuwymiarowe warstwy, modyfikując je i układając w stosy. To nowe podejście, gdy właściwości materiału są projektowane dla konkretnego zastosowania, nazywa się materiałem na żądanie. Ten projekt będzie dotyczył w szczególności dwóch obszarów budowy urządzeń elektronicznych: kontaktów elektrycznych, które są łącznikiem między naszym światem 3D a urządzeniem 2D oraz pasywacji, która zajmuje się ochroną urządzenia przed środowiskiem zewnętrznym. Oba obszary posiadają istotne i nierozwiązane problemy, z którymi musimy się uporać przed użyciem materiałów 2D w przemyśle elektronicznym. W przypadku kontaktów będziemy badać, jak zminimalizować ich opór i jaki jest charakter transportu elektronowego między kontaktem metalicznym a warstwą 2D. Wykorzystamy różne techniki eksperymentalne, aby zrozumieć i znaleźć najlepsze rozwiązanie do kontaktu z urządzeniami wykonanymi z materiałów 2D i heterostruktur van der Waalsa. W ramach badań nad warstwą pasywacyjną zbadamy, jak jej obecność wpływa na działanie urządzenia, znajdziemy różnice między obecnie używanymi i nowymi materiałami w tego celu i wykorzystamy tę wiedzę do dalszego ulepszania naszych urządzeń. Oczekiwane rezultaty końcowe obejmują budowę dobrze zoptymalizowanych urządzeń, takich jak np. tranzystor polowy lub fotodetektor. W trakcie projektu zdobędziemy wiedzę na temat interakcji między dwuwymiarowymi warstwami i wykorzystamy ją do zaprojektowania kluczowych komponentów urządzeń elektronicznych, takich jak kontakty i pasywacja. Projekt ten potwierdzi hipotezę, że przy odpowiednim zaprojektowaniu, połączeniu i modyfikacji warstw 2D można zbudować wysoce wydajne urządzenia elektroniczne, które można będzie wykorzystać w przyszłych zastosowaniach.

Natomiast doktorant(ka) prof. Wasiucionka weźmie udział w projekcie "Komplementarne doświadczalne i numeryczne badania mechanizmu stabilizacji do temperatury pokojowej wysokotemperaturowej fazy delta-Bi2O3 uwięzionej w matrycy szklistej"

Dzisiejsza technologia wymaga nowych materiałów „szytych na miarę” (ang. tailored-on-demand), które powinny być zoptymalizowane pod kątem najlepszych wyników w danych zastosowaniach. Od dawna wiadomo, że właściwości tych materiałów zależą nie tylko od ich składu chemicznego i fazowego, ale także od ich mikrostruktury, zwłaszcza w skali nano. Jedną ze strategii wytwarzania nowych materiałów do zastosowań praktycznych jest stabilizacja ich wysokotemperaturowych faz o dobrych właściwościach (np. silnie przewodzących) do temperatury pokojowej, przy użyciu różnych procesów syntezy. Są to przypadki αAgI (doskonały przewodnik jonowy Ag+ , stabilny powyżej 147°C) i δ-Bi2O3 (doskonały przewodnik jonowy O2-, stabilny w zakresie temperatur 730-825°C). W obu przypadkach możliwe jest ustabilizowanie tych faz do temperatury pokojowej w postaci nanometrycznych krystalitów uwięzionych w odpowiednich szklistych matrycach. Niestety, mechanizmy takiej stabilizacji nie zostały jeszcze wiarygodnie i ostatecznie zbadane ani ustalone. Można znaleźć tylko częściowe opracowania na temat szczególnych przypadków tych zjawisk. W tym projekcie planujemy wypełnić tę fundamentalną lukę poprzez szczegółowe zbadanie mechanizmów stabilizacji δ-Bi2O3 do temperatury pokojowej. Czujemy się do tego zobowiązani, ponieważ eksperymentalnie odkryliśmy ten efekt stabilizacji podczas naszych badań termicznej nanokrystalizacji szkieł bizmutanowych [1]. Będzie to więc naturalna kontynuacja naszej dotychczasowej pracy. Planujemy ustalić mechanizm stabilizacji δ-Bi2O3 dzięki realizacji szerokiego programu uzupełniających się badań eksperymentalnych i modelowania komputerowego. Część eksperymentalna obejmie syntezę i wiele metod pomiarowych, które powinny dostarczyć pełnej informacji o strukturze, składzie fazowym, porządku lokalnym, właściwościach termicznych, mikrostrukturze w skali dziesiątek nanometrów i poniżej, transporcie elektrycznym, strukturze międzyfazowej i lokalnej dynamice. Część obliczeń numerycznych będzie koncentrować się na znalezieniu warunków stabilności nanoklastrów i nanokrystalitów δ-Bi2O3 osadzonych w fazie szklistej. Badania będziemy realizować we współpracy z wiodącymi ośrodkami akademickimi i badawczymi w Polsce, Europie (Niemcy, Francja) i USA. Metody eksperymentalne obejmą zależną od temperatury dyfrakcję rentgenowską (XRD-T), różnicową analizę termiczną (DTA), różnicową kalorymetrię skaningową (DSC), spektroskopię absorpcyjną promieniowania rentgenowskiego XANES / EXAFS, z użyciem promieniowania synchrotronowego, spektroskopię magnetycznego rezonansu jądrowego (MAS NMR), skaningową i transmisyjną mikroskopię o wysokiej rozdzielczości (SEM i HR-TEM) oraz spektroskopię impedancyjną (IS). W modelowaniu numerycznym wykorzystywane będą metody dynamiki molekularnej (MD) i/lub teorii funkcjonału gęstości (DFT). Jesteśmy przekonani, że ambitny program tych badań pozwoli nam przedstawić kompletny, rzetelny i dobrze udokumentowany mechanizm stabilizacji nanokrystalitów fazy wysokotemperaturowej (tutaj δ-Bi2O3) do temperatury pokojowej. Jesteśmy również przekonani, że wnioski z badań zrealizowanych w ramach tego projektu, będą cenne także w badaniach stabilizacji innych faz wysokotemperaturowych do temperatury pokojowej.