APL paper: Enhanced NIR response of nano-silicon/organic hybrid photodetectors

Sadržaj nije dostupan na hrvatskom For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Infrared photodetectors are a major component of many optoelectronic devices used in telecommunications, sensing, and imaging technologies. Long distance telecommunications are enabled by silica optical fibers, where near-infrared (NIR) wavelengths in the range of 1.3–1.6 m are used due to the superior transparency of silica in this range. Heterojunctions between an organic semiconductor and silicon are an attractive route to extending the response of silicon photodiodes into the NIR range, up to 2000 nm. Silicon-based alternatives are of interest to replace expensive low band-gap materials, like InGaAs, in telecommunications and imaging applications. Micro- and nano-structuring of silicon can significantly influence its properties, which can enable enhancement of silicon-based devices by careful nano-scale optimization.

Schematic representations of structured versus planar heterojunctions between silicon and a thin organic semiconductor epilayer

(a) Schematic representations of structured versus planar heterojunctions between silicon and a thin organic semiconductor epilayer. The upper row shows single-step structuring, while hierarchical combinations of different structuring techniques are on the second row. (b) Device schematic of an Al/p-Si/TyP/Al heterojunction device, with the molecular structure of TyP. (c) Band diagram of an Al/p-Si/TyP/Al heterojunction diode under short circuit conditions. The red arrow represents the sub-band gap NIR absorption.

The study “Enhanced near-infrared response of nano- and microstructured silicon/organic hybrid photodetectors“, published by journal Applied Physics Letters (IF 3.569) of the American Institute of Physics, is a result of collaboration of the research groups of prof. Niyazi Serdar Sariciftci, Institute for Organic Solar Cells (LIOS)/Physical Chemistry at the Johannes Kepler University in Linz, Austria and  of dr. Mile Ivanda from CEMS-NFM at Ruđer Bošković Institute in Zagreb, Croatia. The research work was performed by a 5-month visit of V. Đerek to LIOS, Linz and his close collaboration with the LIOS group member Eric Daniel Głowacki. The visit of V. Đerek was supported by the Ernst-Mach-Stipendien granted by the OeAD—Austrian Agency for International Cooperation in Education & Research, financed by BMWF.

The paper reports  on the significant enhancement in NIR photodetector performance afforded by nano- and microstructuring of p-doped silicon (p-Si) prior to deposition of a layer of the organic semiconductor Tyrian Purple (TyP). Heterojunction diodes with the general device structure as shown in Figure (b) were prepared with various nano- and microstructuring methods as shown in Figure (a), with planar devices always being prepared in parallel to provide an “internal” standard for a given set of measurements. A number of well-established techniques was employed to increase the interfacial area of the p-Si/organic junction, both alone and in hierarchical combinations: (1) micropyramids (μ-pyramids) with dimensions ∼10 m; (2) metal-assisted chemically etched (MACE) porous silicon with ∼50–200 nm pores; and (3) electrochemically anodized porous silicon, with pore sizes of 10–1000 nm. It was shown how different silicon structuring techniques, namely, electrochemically grown porous Si, metal-assisted chemical etching, and finally micropyramids produced by anisotropic chemical etching (Si μP), are effective in increasing the NIR responsivity of p-Si/TyPheterojunction diodes.

In all cases, the structured interfaces were found to give photodiodes with superior characteristics as compared with planar interface devices, providing up to 100-fold improvement in short-circuit photocurrent, corresponding with responsivity values of 1–5 mA/W in the range of 1.3–1.6 m. The measurements have shown that this increased performance is neither correlated to optical effects, i.e., light trapping, nor simply to geometric surface area increase by micro- and nanostructuring. The performance enhancement afforded by the structured p-Si/organic diodes is likely caused by a yet unresolved mechanism, possibly related to electric field enhancement near the sharp tips of the structured substrate. The observed responsivity of these devices places them closer to parity with other, well-established, Si-based NIR detection technologies.

The collaboration included a group members from CEMS-NFM, IRB, Zagreb (V. Đerek, M. Marcijuš, M. Ristić and M. Ivanda), from LIOS, Linz (E. D. Głowacki and N. S. Sariciftci) and from Friedrich-Alexander Universität, Energie Campus, Erlangen/Nürnberg (M. Sytnyk and W. Heiss).

SEM images of different nano- and microstructured Si surfaces with a 40-nm TyP epilayer evaporated on top. (a) Porous Si, (b) Si MACE, (c) Si μ-Pyramids, (d) hierarchical Si μ-pyramids/porous Si, (e) hierarchical Si μ-pyramids/MACE, and (f) hierarchical Si μ-pyramids/MACE/porous Si.

SEM images of different nano- and microstructured Si surfaces with a 40-nm TyP epilayer evaporated on top. (a) Porous Si, (b) Si MACE, (c) Si μ-Pyramids, (d) hierarchical Si μ-pyramids/porous Si, (e) hierarchical Si μ-pyramids/MACE, and (f) hierarchical Si μ-pyramids/MACE/porous Si

Nabori grafena na mikro- i nano-skali

Sadržaj nije dostupan na hrvatskom For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Epitaxial graphene, considered by many as the best source of graphene for various technological applications, contains various type of defects which deteriorate its intrinsic, superior properties. The prominent defects are graphene wrinkles which are the subject of our work published in Carbon (journal IF = 6.196) this July [Carbon 94 (2015) 856-863] by M. Petrović (Institute of Physics), J.T. Sadowski (CFN BNL, USA), together with A. Šiber and M. Kralj from CEMS/G2D.

Some of the main characteristics of epitaxial graphene on metal substrates are its uniformity and high structural quality. However, due to the high synthesis temperatures and practically negligible coefficient of thermal expansion of graphene, cooling to room temperature induces stress in graphene layer. The stress is relaxed in the form of wrinkles which represent deformations of the otherwise planar graphene lattice and as such affect many properties of graphene, e.g. electrical and thermal conductivity, optical transmittance and chemical reactivity. In addition, wrinkles play a major role in graphene intercalation which is often utilized for the creation of hybrid graphene systems. Therefore, a thorough understanding of graphene wrinkles is important for potential applications of graphene.

LEEM characterizaton

(a) LEEM image of graphene’s wrinkle network, (b) Fourier transform of (a) exhibiting hexagonal symmetry, (c) polar plot of radial sums extracted from (b) and (d) illustration of graphene (orange) on Ir(111) (gray balls) with marked directions of wrinkle extension (yellow).

In the paper published in Carbon, micro- and nano-characterization of wrinkles of graphene synthesized on the iridium (111) surface has been performed. The low-energy electron microscopy (LEEM) and scanning tunneling microscopy (STM ) were used for experimental measurements and a simple analytic model was utilized for the understanding of the wrinkles’ energetics. It is shown that wrinkles, having lengths of the order of micrometers, interconnect in an ordered quasi-hexagonal network which is aligned with the substrate (see left figure). The network can be mathematically described with the aid of Voronoi diagrams, which significantly facilitates its parameterization. Also, a new model is proposed which accounts for the observed changes in the electron reflectivity of graphene and relates it to the local relaxation of the graphene lattice during wrinkle formation.

Fig2_Carbon

STM image of (a) topography and (b) first derivative of topography of graphene wrinkle and (c) wrinkle profile marked by red line in (a). Four lobes constituting the wrinkle can be identified.

Moreover, it is determined that structural details of graphene and iridium (e.g. dirt particles and already formed wrinkles) can act as nucleation centers for the formation of new wrinkles. At the nano-scale, individual wrinkles are composed of several lobes (see right figure) which result from the system frustration which is induced during cooldown from high synthesis temperatures. In terms of energy, the number of lobes is determined by the competition of the van der Waals binding acting between graphene and iridium and the graphene bending energy. Overall, this study provides new insights into graphene wrinkles and their network as a whole, which makes it relevant for future development of devices based on graphene as well as on other 2D materials.

Featured illustration by Marin Petrović.

Rad o optičkom kvantnom generatoru slučajnih brojeva objavljen u Scientific Reports

Fizički generator slučajnih brojeva s najbržim ‘refleksima’

Rezultate istraživanja objavio je ugledni multidisciplinarni znanstveni časopis Scientific Reports (IF 5.58) kojeg objavljuje Nature Publishing Group.

Ruđerovac dr. sc. Mario Stipčević u suradnji s kolegom dr. sc. Rupertom Ursinom s Instituta za kvantnu optiku i kvantnu informatiku pri Austrijskoj akademiji znanosti, razvio je novi model kvantnog generatora slučajnih brojeva. Riječ je o uređaju koji na zahtjev, odnosno putem električnog impulsa, daje jedan slučajni bit u izuzetno kratkom vremenu i to uz 100 postotnu učinkovitost.

Fizički generator slučajnih brojeva s najbržim 'refleksima'

Uređaj funkcionira slično principu bacanja novčića s tim da bacanje i očitanje ‘novčića’ traje vrlo kratko i da novčić nikada ne ispadne iz ruke.Ovaj bi se sklop, u principu, mogao postojećom tehnologijom svesti na veličinu čipa, čime bi se otvorile mogućnosti za vrlo širok spektar primjena.

Slučajni brojevi igraju izuzetno važnu ulogu u kontekstu suvremenog društva koje se temelji na razmjeni informacija i digitalnoj obradi podataka u računalima, mobilnim uređajima, bankomatima i sl. Slučajni brojevi neizostavni su dio kriptografskih protokola koji su neophodni kako bi se osigurali sigurnost, privatnost i integritet podataka.

“Nizovi slučajnih brojeva potrebni su za cijeli niz primjena: kriptografsku zaštitu podataka, znanstvena istraživanja, simulacije, a koriste se i u stvarnim i virtualnim kockarnicama i on-line igrama, no je naša primarna motivacija bilo rješavanje fundamentalnog problema kvantnog sprezanja.” – objašnjava dr. Stipčević, viši znanstveni suradnik u ‘Ruđerovom’ Laboratoriju za elektromagnetske i slabe interakcije te voditelj Istraživačke jedinice za fotoniku i kvantnu optiku Centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore – CEMS.

Svatko tko se bavi programiranjem zna da su softverski generirani slučajni brojevi zapravo pseudo-slučajni, međusobno povezani matematičkom formulom i stoga predvidljivi i nesigurni za primjenu u kriptografiji te mogu dati pogrešne rezultate u znanstvenim simulacijama. Za razliku od pseudo-slučajnih softverskih generatora koji se često koriste u računalnim metodama, fizički generatori slučajnih nizova brojeva, poput ovog, ne ovise o složenim algoritmima, već o fundamentalnoj slučajnosti odabranog fizičkog procesa.

MStipcevic - RUrsin

U ovom radu pod naslovom: “An On-Demand Optical Quantum Random Number Generator with In-Future Action and Ultra-Fast Response” znanstvenicima je pošlo za rukom razviti generator koji je jednostavan za primjenu, koji nudi 100 postotnu učinkovitost u proizvodnji slučajnog bita svaki puta kad ga se to traži i to u vrlo kratkom vremenu (ispod 10 nanosekundi), a da pri tome ništa u prošlosti (tj. prije ‘bacanja novčića’) ne utječe na rezultat.

“Kašnjenje između zahtjeva i dostupnosti slučajnog bita kod novog kvantnog generatora slučajnih brojeva je nedvojbeno najkraće moguće s postojećom tehnologijom s obzirom da ona zahtijeva minimalni logički slijed procesa potrebnih za generiranje jednog bita, odnosno samo jedan proces emisije i jedan proces detekcije fotona – najmanje količine svjetla.” – objašnjava Stipčević.

Istraživanje je učinjeno u sklopu Istraživačke jedinice za fotoniku i kvantnu optiku Centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore – CEMS.

Radovi i prezentacije

Cjeloviti popis radova se nalazi OVDJE.

Pozvana predavanja:

2015:

• Diamond membrane detectors, Milko Jakšić, 9th International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC-2015), Shizuoka, Japan (May 24 – 28, 2015)
• Formation and tailoring of metal and semiconductor quantum dots in amorphous matrices by MeV ions, Iva Bogdanović Radović, 22nd International Conference on Ion Surface Interaction, Moscow, Russia (August 20 – 24, 2015)
• MeV-SIMS spectrometry – novel heavy ion microbeam technique for cultural heritage studies and molecular imaging of thin samples with sub-micrometer spatial resolution, Zdravko Siketić, 13th International Symposium on Radiation Physics (ISRP-13), Beijing, China (September 7 – 11, 2015)
• Masena spektrometrija sekundarnih molekularnih iona pomoću iona MeVskih energija (MeV SIMS) – nova metoda za karakterizaciju modernih slikarskih materijala, Iva Bogdanović Radović, 9. Znanstveni sastanak hrvatskog fizikalnog društva, Umag, Hrvatska (5.-7.10.2015.)
• Capabilities of the RBI accelerator facility for the ion microbeam probing of charge collection properties in radiation detectors, Milko Jakšić, 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications, Kiryu, Japan (November 11 – 13, 2015)

2016:

• Irradiation Defects in Diamond – Studies of Single Crystal Diamond Membranes Using Ion Microbeam, Milko Jakšić, International Union of Materials Research Societies – International Conference on Electronic Materials (IUMRS-ICEM 2016), Singapore (July 4-8, 2016)
• Single ion microprobe techniques, current status and perspectives, Milko Jakšić, 15th International Conference on Nuclear Microprobe Technology and Applications (ICNMTA), Lanzhou, China (July 31 – August 5, 2016)
• Molecular imaging of biological and cultural heritage samples using MeV-SIMS, Zdravko Siketić, 24th Conference on Application of Accelerators in Research and Industry (CAARI), Fort Worth, Texas, USA (30th Oct. – 4th Nov., 2016.)
• Two modes for molecular imaging using MeV SIMS at the heavy ion microprobe, Zdravko Siketić, 12th European Conference on Accelerators in Applied Research and Technology (ECAART12), Jyvaskyla, Finland (4 Jul 2016)

2017:

• TOF-ERDA Spectrometry promoted by 1 keV Ar sputtering, Zdravko Siketić, 23rd International Conference on Ion Beam Analysis (IBA), Shanghai, China (Oct. 8-13, 2017.)
• Lipidomic analysis of the healthy and diabetic mouse liver and serum using MeV-SIMS, Zdravko Siketić, 21st International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS21), Krakow, Poland (September 10-15,  2017.)

2018:

• Chemical imaging of the healthy and diabetic mouse liver using MeV TOF-SIMS, Zdravko Siketić, 16th International Conference on Nuclear Microprobe Technology and Applications (ICNMTA2018), Guildford, UK (July 8-13, 2018.)
• Laboratory for Ion Beam Interactions-Research, Development & Applications, Zdravko Siketić, 2nd ENSAF Workshop, Athens, Greece (October 3-5, 2018.)
• Extreme Radiation Hardness and Signal Recovery in Thin Diamond Detectors, Natko Skukan, 16th International Conference on Nuclear Microprobe Technology and Applications (ICNMTA2018), Guildford, UK (July 8-13, 2018.)

 

Odabrani radovi:

2015:

Submicron mass spectrometry imaging of single cells by combined use of mega electron volt time-of-flight secondary ion mass spectrometry and scanning transmission ion microscopy, Z. Siketić, I. Bogdanović Radović, M. Jakšić, M. Popović Hadžija, and M. Hadžija, Applied Physics Letters 107 (2015) 093702
Electroluminescence from nitrogen-vacancy and interstitial-related centers in bulk diamond stimulated by ion-beam-fabricated sub-superficial graphitic micro-electrodes, J. Forneris, S. Ditalia Tchernij, A. Battiato, F. Picollo, A. Tengattini, V. Grilj, N. Skukan, G. Amato, L. Boarino, I. P. Degiovanni, E. Enrico, P.Traina, M. Jakšić, M. Genovese, P. Olivero, Scientific Reports 5 (2015) 15901
Response of GaN to energetic ion irradiation: conditions for ion track formation, M. Karlušić, R. Kozubek, H. Lebius, B. Ban-d’Etat, R. A. Wilhelm, M. Buljan, Z. Siketić, F. Scholz, T. Meisch, M. Jakšić, S. Bernstorff, M. Schleberger and B. Šantić, J. Phys. D: Appl. Phys. 48 (2015) 325304
Measurements of proton induced γ-ray emission cross sections on MgF2 target in the energy range 1.95-3.05 MeV, I. Zamboni, Z. Siketić, M. Jakšić, I. Bogdanović Radović, Nucl. Instr. and Meth. B342 (2015) 266–270
Ion beam induced luminescence (IBIL) system for imaging of radiation-induced changes in materials, N. Marković, Z. Siketić, D. Cosić, H.K. Jung, N.H. Lee, W.T. Han, M. Jakšić, Nucl. Instr. and Meth. B343 (2015) 167-172.
Proton-radiation resistance of poly(ethylene terephthalate) – nanodiamond – graphene nanoplatelet nanocomposites, V. Borjanović, L. Bistričić, I. Pucić, L. Mikac, R. Slunjski, M. Jakšić, G. McGuire, A. Tomas Stanković, O. Shenderova, J. Mat. Sci. (2015)
Nanostructuring graphene by dense electronic excitation, O. Ochedowski, O. Lehtinen, U. Kaiser, A. Turchanin, B. Ban-d´Etat, H. Lebius, M. Karlusic, M. Jaksic, M. Schleberger, Nanotechnology 26 (2015) 465302
Spectroscopic properties and radiation damage investigation of a diamond based Shottky diode for ion-beam therapy microdosimetry, Claudio Verona, Giulio Magrin, Paola Solevi, Veljko Grilj, Milko Jaksic, Ramona Mayer, Marco Marinelli, and Gianluca Verona Rinati, accepted in J. Appl. Phys. (2015).
Ion beam analysis of Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells, A.G. Karydas, C. Streeck, I. Bogdanovic Radovic, C. Kaufmann, T. Rissom, B. Beckhoff, M. Jaksic, N.P. Barradas, Applied Surface Science, 356 (2015) 631-638
Quasifree mechanism in the Li-6 + Li-6 -> 3 alpha reaction at low energy, Spitaleri, C.; Tumino, A.; Lattuada, M.; Pizzone, R.G.; Tudisco, S.; Miljanić, Đuro; Blagus, Saša; Milin, Matko; Skukan, Natko; Soić, Neven, Physical Review C91 (2015) 024612-1-12

2016:

Charge multiplication effect in thin diamond films, N. Skukan, V. Grilj, I. Sudić, M. Pomorski, W. Kada, T. Makino, Y. Kambayashi, Y. Andoh, S. Onoda, S. Sato, T. Ohshima, T. Kamiya and M. Jakšić , Appl. Phys. Lett. 109, 043502 (2016)
• Formation of swift heavy ion tracks on a rutile TiO2 (001) surface, M. Karlušić, S. Bernstorff, Z. Siketić, B. Šantić, I. Bogdanović-Radović, M. Jakšić, M. Schleberger, M. Buljan, J. Appl. Cryst. (2016). 49, 1704-1712

2017:

• Single-Photon-Emitting Optical Centers in Diamond Fabricated upon Sn Implantation, S. Ditalia Tchernij, T. Herzig, J. Forneris, J. Küpper, S. Pezzagna, P. Traina, E. Moreva, I. P. Degiovanni, G. Brida, N. Skukan, M. Genovese, M. Jaksič, J. Meijer, P. Olivero, ACS Photonics, 2017, 4 (10)
• Creating nanoporous graphene with swift heavy ions, H. Vázquez, E.H. Åhlgren, O. Ochedowski, A.A. Leino, R. Mirzayev, R. Kozubek, H. Lebius, M. Karlušic, M. Jakšic, A.V. Krasheninnikov, J. Kotakoski, M. Schleberger, K. Nordlund, F. Djurabekova, Carbon 119 (2017) 200

 

Teme istraživanja

1) U području istraživanja međudjelovanja ionskih snopova s tvari, cilj je istražiti još nedovoljno poznate procese povezane s upadom pojedinačnog brzog iona na površinu materijala. Tu je prije svega emisija sekundarnih elektrona i desorpcija iona, koji značajno ovise o vrsti projektila i njegovoj energiji, što je osobito važno za razvoj analitičkih metoda s ionskim snopovima koje su osjetljive na kemijski (molekulski) sastav uzorka. Nadalje, istraživanja procesa u detektorima zračenja, gdje tijekom prolaska iona kroz kristal dolazi do nepoželjne proizvodnje defekata i kvarenja svojstava transporta naboja, mogu se iskoristiti i za razvoj novih tehnologija za obradu materijala (npr. dijamanta).

2) U području istraživanja materijala, fokus će biti na promjenama njihovih svojstava na nanoskali do koje dolaze uslijed udara iona. Za formiranje nanostruktura na površinama kao i modifikacije 2D materijala bit će korišteni pojedinačni teški ioni MeV-skih energija, dok će veće doze biti potrebne za istraživanja procesa koji ionskim snopom potpomažu sintezu nanostrukturiranih materijala. Oba ova smjera istraživanja temelje se na već započetim istraživanjima čiji rezultati ukazuju na izraziti potencijal predloženih tema.

3) U području istraživanja iz nuklearne fizike, ciljevi su povećanje razumijevanja kolektivnih fenomena u nuklearnoj strukturi (sparivanje nukleona i klasteriranje) i dinamike reakcija (višenukleonski transferi na niskim energijama), međudjelovanja između deformiranih i slabo vezanih jezgri, struktura jezgara bogatih neutronima i reakcije lakih jezgri koje imaju značajan utjecaj na razumijevanje astrofizičkih fenomena. Značajan cilj je i povećanje doprinosa u razvoju i testiranju znanstvene infrastructure, uključujući one eksperimente u velikim međunarodnim laboratorijima, koji su usko povezani s ciljevima druge dvije istraživačke grupe.

Članovi

Zavod za eksperimentalnu fiziku
Laboratorij za interakcije ionskih snopova
– Milko Jakšić, znanstveni savjetnik, Voditelj istraživačke jedinice
– Stjepko Fazinić, viši znanstveni suradnik
– Iva Bogdanović Radović, znanstvena savjetnica
– Zdravko Siketić, znanstveni suradnik
– Tonči Tadić, viši znanstveni suradnik
Laboratorij za nuklearnu fiziku
– Neven Soić, znanstveni savjetnik
– Suzana Szilner, znanstvena savjetnica
– Mile Zadro, znanstveni savjetnik

Zavod za fiziku materijala
– Maja Buljan, znanstvena suradnica
– Ivana Capan, viša znanstvena suradnica
– Marko Karlušić, znanstveni suradnik

Sveučilište u Zagrebu, Prirodoslovno matematički fakultet, Fizički odsjek
– Matko Milin, izvanredni profesor

Oprema

Institut Ruđer Bošković ima dva elektrostatska tandem akceleratora (6.0 MV HVEC EN Tandem Van de Graaff i 1.0 MV HVE Tandetron), te 8 eksperimentalnih linija. Jedna od eksperimentalnih linija može u isti čas raditi sa ionskim snopovima iz oba akceleratora.

new-SNICSTDT-Zagreb

EN Tandem Van de Graaff akcelerator je opremljen s tri ionska izvora: Alphatross – radiofrekventni izvor s izmjenom naboja za He negativne ione, rasprašivački izvor SNICS-40 za različite vrste negativnih iona (H, Li, B, C, O, Si, Cl, Cu, Br, Au, itd.), te rasprašivački ionski izvor za rijetke snopove izgrađen na IRB-u.

Tandetron akcelerator je opremljen s dva ionska izvora: Duoplazmatron s direktnom ekstrakcijom negativnih iona (za vodik), te rasprašivački izvor SNICS za ostale ione (npr. Li, C, O, Si itd.)

RBI-target room
Trenutno je u upotrebi devet komora za raspršenje.

Komore koje mogu koristiti ionske snopove iz bilo kojeg od akceleratora su:
– Nuklearna mikroproba
– Komora za nuklearne reakcije
– PIXE spektrometar s visokim razlučivanjem
– TOF ERDA
– IAEA eksperimentalna linija
– Komora za testiranje detektora i ozračavanje
– Linija dvostrukog snopa s RBS channeling metodom

Komore koje mogu koristiti ionske snopove samo iz Tandetron akceleratora su:
– PIXE u zraku
– PIXE/RBS komora

Teme istraživanja

Prvi cilj NFM-a jest poticati istraživanja u znanosti o naprednim materijalima i inježenjerstvu omogućavanjem zajedničkog rada interdisciplinarnih i multidisciplinarnih istraživačkih grupa Centra. Predložene istraživačke aktivnosti NFM-a za svako od predloženih područja u periodu od pet godina zasnovane su na sinergijskom efektu uključenih grupa/laboratorija od kojih se svaka odlikuje u svojoj istraživačkoj problematici: kao i otvaranjem novih suvremenih istraživačkih tema koje obećavaju brz napredak i nove tehnološke proizvode. Predloženo pojačavanje suradnje istraživača u centru obuhvaćat će ova tri istraživačka programa:

P1. Silicijeve nanostrukture za napredne aplikacije (voditelj M. Ivanda)
P2. Sol-gel tehnologija za nove funkcionalne materijale (voditeljica M. Ristić)
P3. Nanostrukturni materijali za energetiku (voditelj N. Radić)

Program P1. Silicijeve nanostrukture za napredne aplikacije se odnosi na istraživanja nanostrukturiranih silicijevih tankih filmova za napredne aplikacije. Niskotlačna kemijska depozicija para (engl. low pressure chemical vapor deposition ili LPCVD) i fizikalna depozicija para (eng. physical vapor deposition – PVD) razvijeni u grupi dr. Ivande bit će korišteni za depoziciju silicijskih tankih filmova i žica, oksida bogatih silicijem, nitrida bogatih silicijem, amorfnog silicija, polikristaliničnog silicija, za dopiranje borom, fosforom, erbijem i europijem pločica silicija, kvarcnog stakla, supstrata od Al2O3 te mikrosfera silicija. Porozni silicij bit će pripremljen procesom anodizacije. Ispitat će se strukturna, optička, električka i transportna svojstva ovih materijala, a istraživački rad provest će se kroz sljedeće projekte (voditelj M. Ivanda):

T1. Niskodimenzionalni silicij za kemijske senzore,
T2. Silicijski termoelektrički elementi
T3. Novi materijali na bazi silicija za fotoniku
T4. Razvoj novih tehnika Ramanovog raspršenja

Program P2. Sol-gel tehnologija za nove funkcionalne materijale uključuje istraživanje sinteze različitih nanokristala i nanostruktura te njihove moguće primjene. Poseban naglasak biti će na razumjevanju mehanizama taloženja metalnih oksida iz vodenih I nevodenih precipitacijskih sustava željezovih oksida I Me-dopiranih zeljezovih oksida za specifičnu primjenu u izradi kemijskih senzora plina. Sintetizirat će se i analizirati koloidne suspenzije metalnih čestica za primjenu u biomedicini, gdje se planira izrada i aparatura za sintezu nanožica. Izuzetna pažnja bit će posvećena sintezi nanočestica metala i metalnih oksida postupcima zelene kemije čime se želi eliminirati uporaba toksičnih kemikalija pri njihovoj sintezi što na industrijskoj skali proizvodnje može imati značajan učinak na zaštitu okoliša. Za karakterizacija strukturnih, čestičnih I površinskih svojstava sintetiziranih materijala koristit će se različite instrumentalne tehnike (strukturne, spektroskopske, mikroskopske i tehnike termičke analize). Istraživački rad provest će se kroz sljedeće zadatke:

T1. Nanokristalni metalni oksidi za kemijske senzore (voditeljica M. Ristić)
T2. Primjena nanočestica u medicini (voditelj M. Gotić)
T3. Sinteze 1D i 2D metalnih oksida za razvoj novih funkcionalnih materijala (voditeljica M. Ristić)
T4. Istraživanje i razvoj novih multiferoičnih materijala (voditelj I. Đerđ)

Glavni cilj trećeg programa P3. Nanostrukturirani materijali za energetiku je istraživanje priprave, strukturnih svojstava i primjene nano-baziranh materijala pripravljenih depozicijom magnetronskim rasprašenjem. Osnovni interes je fokusiran na istraživanje nedavno pronađenih materijala baziranim na samouređenim nanočesticama u amorfnim matricama. Ti materijali su otkriveni i razvijeni u našoj grupi u posljednjih nekoliko godina. Oni su građeni od prostorno uređenih nanoobjekata različitog sastava (metali, poluvodiči ili njihova mješavina) koji su ugrađeni u razne amorfne matrice (alumina, kvarc, mulit). Ti materijali imaju veliki potencijal za primjenu u raznim područjima nanotehnologije. Jedna od najobećavajućih primjena takvih poluvodičkih nanočestica je u super-efikasnim solarnim ćelijama i fotodetektorima. Metalne nanočestice imaju visoku primjenjivost u danas vrlo popularnim u spintroničkim uređajima. Za miješane nanočestice se očekuje pojava novih neobičnih svojstava kao npr. magnetska svojstva upravljiva pomoću električnog polja koja se javljaju kod mješavine poluvodič-metal nanočestica. Dodatna prednost tih materijala je pravilan prostorni raspored nanočestica u njima. Poznato je da se u takvim sustavima mogu očekivati efekti kolektivnog ponašanja, koji omogućavaju inženjering i dizajn opto-električnih svojstava tim materijala. Dodatno, naša vrlo nedavna istraživanja rezultirala su razvojem materijala koje pokazuju neobičan potencijal za pohranu vodika. Ti materijali su od velikog interesa za skladištenje energije. Glavni cilj programa je postati centar izvrsnosti u RH za pripravu, karakterizaciju i primjenu ovih iznimnih nanočestičnih materijala. Aktivnosti koje se planiraju provoditi tijekom programa su klasificirane u tri skupine zadataka prema tipu nanočestičnog materijala koji će se istraživati.

T1. Poluvodičke kvantne točke (voditeljica M. Buljan)
T2. Metalne i miješane nanočestice (voditelj N. Radić)
T3. Materijali za skladištenje vodika (voditelj N. Radić)

Članovi

1.Laboratorij za molekulsku fiziku i sinteze novih materijala, IRB: voditelj laboratorija: M. Ivanda, M. Gotić, G. Štefanić, (znanstveni savjetnici) V. Mohaček Grošev (viši znanstveni sur.),  A. Šarić, A. Maksimović, D. Ristić i H. Gebavi  (znanstveni sur.), V. Đerek (postdoktorand), L. Mikac (znanstvena suradnica), Daniil Životkov, Vlatko Gašparić, Nikola Baran (doktorandi), J. Forić (tehničar), aktivni znanstvenici u mirovini: D. Risović i S. Lugomer (znanstveni savjetnici)  +  2 doktoranda

2.Laboratorij za sintezu novih materijala, IRB: voditelj grupe M. Ristić (znanstveni savjetnik), S. Krehula (viši znanstveni sur.), Ž. Petrović (znanstveni sur.),  M. Marciuš (stručni suradnik), IRB emeritus: S. Musić (znanstveni savjetnik).

3.Laboratorij za tanke filmove, IRB: voditelj laboratorija M. Buljan (viši znanstveni sur.), T. Car (znanstveni sur.), tehničar,  aktivni znanstvenik u mirovini: N. Radić (znanstveni savjetnik).

4.Laboratorij za sintezu i kristalografiju funkcionalnih materijala, IRB: voditelj laboratorija J. Popović, I. Đerđ (viši znanstveni sur.),  M. Vrankić (viši znanstveni asistent).

5.Članovi drugih laboratorija IRB-a:  Nikola Biliškov (znanstveni sur.), Laboratorij za kemiju čvrstog stanja i kompleksnih spojeva; D. Vojta (znanstvena suradnica), Laboratorij za fizikalno organsku kemiju; G. Baranović (znanstveni savjetnik, aktivni znanstvenik u mirovini), Laboratorij za molekulsku spektroskopiju:), A. Gajović (znanstveni savjetnik), Laboratorij materijala za konverziju energije i senzore, T. Jurkin  (znanstvena suradnica) Laboratorij za radijacijsku kemiju i dozimetriju

6.Končar – Institut za elektrotehniku d.d.: direktor instituta S. Marijan (znanstveni suradnik), D. Vrsaljko (viši asistent), T. Karažija (znanstveni novak), V. Đurina (znanstveni novak).

7.Institut za fiziku: voditelj grupe D. Starešinić (viši znanstveni suradnik), aktivni znanstvenik u mirovini: M. Očko (znanstveni savjetnik).

8.Sveučilište u Zagrebu, Medicinski fakultet, Zavod za fiziku: voditelj zavoda O. Gamulin (docent), S. Dolanski-Babić (docent), K. Serec (viši  znanstveni asistent), M. Škrebić (znanstveni asistent).

Oprema

Kapitalna oprema istraživačke grupe dr. M. Ivande:

1. Ramanov spektrometar Jobin-Yvon T64000 s COHERENT INNOVA 400 argonskim laserom
2. LPCVD sistem,
3. PVD – Varian,
4. Evaporator e-beam –Varian,
5. Pretražni elektronski mikroskop JEOL T300,
6. Difuzijska peć s 3 reaktora,
7. Elipsometar Rudolph Auto EL IV,
8. Difraktometar X-zraka za tanke filmove Siemens D 5000  (nije priklazan na slici).

1.

Ostali mali instrumenti su: magnetronski rasprašivač – Polaron E 5000, kriostat sa zatvorenim krugom helija (10-300K), kriostat hlađen LN2 (70-650 K), visokotemperaturna peć za “in situ” mjerenja (300-1600 K), Linkam THMS 600 peć za hlađenje i grijanje uzoraka za mikro-ramanska mjerenja (85-600K), peć za sinteriranje i termičko aniliranje (300-1200 K), optički mikroskop Olympus BH, proba za mjerenja otpora u četiri točke, spajač aluminijskih i zlatnih žica, Zeissov interferometarski mikroskop za mjerenje debljine itd.

Kapitalna oprema grupe dr. M. Ristić:
1. Pretražni elektronski mikroskop s emisijom polja Jeol 7000F,
2. Mössbauerov spektrometar,
3. Difraktometar X-zraka ItalStructures APD2000,
4. FT-IR spektrometar PerkinElmer System 2000,
5. UV-VS-NIR spektrometar s integracijskom sferom.

2

Ostali mali instrumenti: Visokoenergetski kuglični mlin od Fritscha, ultrazvučni generator za sonokemiju, sušionik freeze-dryer od tvrtke HETO, itd.

Kapitalna oprema grupa dr. N. Radića:

1. Magnetronski rasprašivač CMS 18, (nabavljen 2006.)
Rasprašivački system KJLC CMS-18 za pripremu širokog spectra materijala (metala, poluvodiča, dielektrika, metastabilnih uzoraka itd.) u širokom intervalu sastava i struktura. Procesna komora osnovnog tlaka oko 10-8 mbar prilagođena je sa četiri TORUS®3 magnetrona, napajana sa četiri zasebna izvora snage – dva DC magnetrona (0,5 KW DC & 1,0 KW DC) + 2 RF magnetrona (2 x 600 W RF). Nosač supstrata prihvaća pločice dijametra do 6″. Svojstva: prilagodiva udaljenost mete do supstrata, rotacija (do 40 rpm), grijanje do 800°C ili hlađenje na temperaturu LN2 in situ, s DC ili RF naponom.

2. Difraktometar X-zraka za tanke filmove Siemens D 5000  (nije prikazan na slici).

3

Kapitalna oprema grupa dr. G. Baranovića:

1. Fourier transform infracrveni spektrometar (FTIR), ABB Bomem MB102.

4