WYKŁADY SEKCYJNE
SEKCJA NNN
NANOELEKTRONIKA, NANOFOTONIKA I UKŁADY
NISKOWYMIAROWE
NANOELEKTRONIKA, NANOFOTONIKA I UKŁADY NISKOWYMIAROWE NNN-Z1
GRANICE NANOTECHNOLOGII: OD NANOMETRA DO FEMTOSEKUNDY
Marek Przybylski
Akademickie Centrum Materiałów i Nanotechnologii
i Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
marprzyb@agh.edu.pl
Zmniejszenie średnicy nanocząstki do 10 nm powoduje, że udział atomów powierzchniowych wzrasta do rzędu 20%, co kreuje własności nanocząstki znacząco różne od tych dla materiału objętościowego. Tak mały obiekt wykazuje zupełnie inne właściwości niż jego odpowiednik w skali makro również dlatego, że wzrasta rola drgań termicznych, do opisu zjawisk trzeba stosować mechanikę kwantową, a pojedynczy elektron może odgrywać decydującą rolę.
Elektron, którego ruch w nanocząstce (lub innej strukturze o jednym z wymiarów rzędu nanometrów) jest ograniczony, tworzy stany studni kwantowych, jego energia jest skwantowana i zależy od rozmiaru nanocząstki. W przypadku półprzewodników pozwala to manipulować szerokością przerwy energetycznej, a więc także kolorem emitowanego światła. Jeśli źródłem stanów studni kwantowych będą elektrony d w cienkich warstwach ferromagnetycznych, to wraz ze wzrostem grubości stany o danej energii (np. bliskiej EF) będą się pojawiały i znikały. W konsekwencji oscylować będą własności warstw zależne od tych elektronów, np. własności magnetyczne, takie jak anizotropia magnetyczna.
Obserwacja efektów oscylacyjnych spowodowanych kwantowo-mechanicznym zachowaniem elektronów jest trudna ze względu na termiczne poszerzenie stanów i musi być prowadzona w niskich temperaturach. Kropka kwantowa, w której dwa stany elektronowe w temperaturze pokojowej dzieli energia większa niż kT musi być naprawdę mała, rzędu kilku nanometrów, co stwarza poważne problemy technologiczne.
W referacie omówię te prawa fizyki, które w sposób fundamentalny stanowią granice nanotechnologii i nie pozwolą nam na zwiększanie w nieskończoność czy to gęstości zapisu danych (np. na dyskach magnetycznych), czy liczby tranzystorów możliwych do zmieszczenia na jednostce powierzchni.
NNN-W1 NANOELEKTRONIKA, NANOFOTONIKA I UKŁADY NISKOWYMIAROWE
INORGANIC NANOCRYSTALS FOR APPLICATIONS IN PHOTONICS AND BIOPHOTONICS
A. Podhorodecki, M. Banski, A. Noculak, A. Lesiak, M. Chrzanowski, H. Woznica, B. Sojka, L. W. Golacki, B. Krajnik
Department of Experimental Physics, WRUT, Wyb. Wyspianskiego 27, Wroclaw 50-370, Poland
artur.p.podhorodecki@pwr.edu.pl
Optically active inorganic nanocrystals (NCs) are recently widely used in life science research as efficient optical markers for in vitro and in vivo imaging and in bio-sensors. NCs have better optical parameters and gives more functionalities than proteins or molecular markers having also several disadvantages for bio-medical application: low bio-degradability, high toxicity and hydrophobic nature of their surface. Some of these drawbacks can be reduced or even eliminated and if we consider unique properties of these potential biomarkers the others can be accepted. On the other hand, nanomaterials flexibility in controlling they physical and chemical properties gives the potential for a number of new optoelectronic and electronic applications including PV cells, LEDs, batteries or conversion modules. In this case the main drawback in use of such materials are problems related to their isolating surface or in more general view their weakness in electrical activation. Thus, the main problem which must be solved to overcome the threshold between the science and most of applications is precise and reproducible control of NCs surface chemistry.
In this work, we will present how the optical properties of four kinds of nanomaterials can be precisely controlled. This will include control of ZnSe1, CdSe, PbS and NaGdF4:Yb,Er2 based nanostructures grown by us with wet chemistry approach. The control of their properties has been achieved by control of their size, shape (dots, rods, plates) or architecture including core-shell structures or dot-in-rod architecture. We will also briefly discuss how the surface properties of selected nanomaterials can be modified to achieve –OH, -COOH or -NH2
functional groups. In addition, we will show some examples of use of obtained by us nanostructures in biophotonics3,4.
1
M. Banski at all. A Special Role for Zinc Stearate and Octadecene in the Synthesis of Luminescent ZnSe
Nanocrystals, Chem. Mater. 27,3797 (2015).
2 A. Noculak, A. Podhorodecki, Size and shape effects in -NaGdF4 :Yb,Er nanocrystals,
Nanotechnology, doi. org/10. 1088/1361-6528/aa6522 (2017).
3 R. Bilyy, A. Podhorodecki, Can we use rare-earth nanocrystals to target glycans for the visualization of
melanoma?, Nanomedicine 10, 1997 (2015).
4 B. Sojka et all. NaGdF4:Eu3+ nanocrystal markers for melanoma tumor imaging, RSC Advances 6,
NANOELEKTRONIKA, NANOFOTONIKA I UKŁADY NISKOWYMIAROWE NNN-W2
NIEJEDNORODNE STUDNIE KWANTOWE GAINNAS – REDUKCJA KWANTOWEGO EFEKTU STARKA
Damian Pucicki, Bielak Katarzyna, Marek Tłaczała Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska,
ul. Janiszewskiegi 11/17, 50-372 Wrocław
Damian.Pucicki@pwr.edu.pl
Sprawność kwantowa, a zarazem czułość fotodetektorów półprzewodnikowych, zależy głównie od właściwości absorpcyjnych obszarów aktywnych tych przyrządów. Stosowanie cienkich warstw absorpcyjnych w postaci studni kwantowych QW (ang. quantum well) silnie ogranicza możliwości detekcyjne przyrządów, dlatego istotnym stało się zagadnienie zwiększenia sprawności detektorów z kwantowymi obszarami aktywnymi. W fotodiodach półprzewodnikowych, pracujących w warunkach polaryzacji zaporowej, w obszar aktywny wbudowane jest silne pole elektryczne wynikające zarówno z potencjału wbudowanego w złącze p-n lub złącze Schottky’ego oraz polaryzacji zewnętrznej przyrządu. Pole to silnie modyfikuje struktury elektronowe studni kwantowych oraz zmienia reguły wyboru, a tym samym prawdopodobieństwa optycznych przejść absorpcyjnych, co jest opisane kwantowym efektem Starka QCSE (ang. quantum confined Stark effect). Zwiększenie sprawności absorpcji w studniach kwantowych, umieszczonych w zaporowo spolaryzowanym złączu p-n (p-i-n) lub złączu Schottky’ego, jest możliwe dzięki kompensacji niekorzystnego wpływu kwantowego efektu Starka na właściwości absorpcyjne wykorzystując niejednorodne studnie kwantowe. Naturalnie powstające gradienty składu warstw półprzewodników metastabilnych, takich jak GaInNAs, jak i schodkowe studnie kwantowe GaInNAs/GaInNAs/GaAs mogą zostać wykorzystane do konstrukcji detektorów, w przypadku których wewnętrzna sprawność kwantowa rośnie wraz ze wzrostem natężenia pola elektrycznego wbudowanego w zaporowo spolaryzowane złącza. W ramach zgłoszonego tematu omówione zostanie zagadnienie zwiększenia sprawności detektorów złączowych zawierających studnie kwantowe oraz konstrukcje obszarów aktywnych typu QW umożliwiających eliminacje wpływu QCSE na właściwości absorpcyjne.
NNN-W3 NANOELEKTRONIKA, NANOFOTONIKA I UKŁADY NISKOWYMIAROWE
TRANSPORT CIEPLA I DZWIEKU W DWUWYMIAROWYCH KRYSZTALACH FONONICZNYCH
B. Graczykowskia,b, A. El Sachatc,d, J. S. Reparazc, M. Sledzinskac, M. R. Wagnerc, E. Chavez-Angelc, S. Volze, Y. Wue, F. Alzinac, C. M. Sotomayor Torresc,f
a
NanoBioMedical Centre, Adam Mickiewicz University, ul. Umultowska 85, PL-61614 Poznan, Poland
b
Max Planck Institute for Polymer Research, Ackermannweg 10, 55128, Mainz,Germany c Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), CSIC and The Barcelona Institute of
Science and Technology Campus UAB, Bellaterra, 08193 Barcelona, Spain
d Dept. of Physics, Universitat Autnoma de Barcelona, Campus UAB, Bellaterra, 08193 Barcelona, Spain
e Laboratoire dEnergetique Moleculaire et Macroscopique, Combustion, CNRS, CentraleSupelec, Grande Voie des Vignes, 92295 Chatenay-Malabry, France
f
ICREA - Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avancats, 08010 Barcelona, Spain
bgraczykowski@gmail.com
Propagacja fal akustycznych w ciele stałym determinująca transport dźwięku oraz ciepła, może być opisana za pomocą kwazicząstek – fononów. Ich właściwości opisane są poprzez zależność dyspersyjną (dozwolone częstotliwości przy określonej długości fali) oraz średnią drogę swobodną. Obie te cechy mogą być swobodnie manipulowane poprzez odpowiednia modyfikację materiału ukierunkowana na określona częstotliwość/długość fali akustycznej1,2,3. Jedna z metod wykorzystuje w tym celu kryształy fotoniczne (ang. Phononic Crystals), tj. struktury o periodycznie zmieniających się właściwościach sprężystych. Przedstawione beda wyniki badan spektroskopii Brillouina dyspersji fononów akustycznych (GHz) oraz dwu-laserowej spektroskopii Ramana przewodnictwa cieplnego oraz dysypacji konwekcyjnej w kryształach fotonicznych wykonanych na cienkich monokrystalicznych membranach krzemowych4,5.
Rysunek 1. Schemat eksperymentu pomiaru przewodnictwa cieplnego za pomocą dwu-laserowej spektroskopii Ramana.
1 M. Maldovan, Nature 503, 209 (2013).
2
M. R. Wagner, B. Graczykowski, J. R. Reparaz et al., Nanoletters 16(9), 5661–5668 (2016).
3
B. Graczykowski, M. Sledzinska, F. Alzina et al., Physical Review B 91, 075414 (2015).
4 B. Graczykowski, A. El Sachat, J. R. Reparaz et al. Nature Communications (2017).
NANOELEKTRONIKA, NANOFOTONIKA I UKŁADY NISKOWYMIAROWE NNN-W4
OPTYCZNE WŁASNOŚCI HETEROZŁĄCZY OBJĘTOŚCIOWYCH NA BAZIE TiO2 I MoS2
Łukasz Jarosińskia
, Kamila Kollbekb, Katarzyna Przeszłoc
, Marek Przybylskia
a Wydział Fizyki i Informatyki Stosowane,
b
Akademickie Centrum Materiałów i Nanotechnologii,
c Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki,
Akademia Górniczo- Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków.
Lukasz.Jarosinski@fis.agh.edu.pl
Półprzewodnikom wykorzystywanym w alternatywnych źródłach energii takich jak ogniwa słoneczne stawia się szereg wymagań (np. niska rekombinacja, wysoka stabilność), z których większość spełnia dwutlenek tytanu (TiO2). Jednakże szerokość przerwy energetycznej TiO2 jest za duża (3.0 eV dla rutylu, 3.2 eV dla anatazu) i aby uzyskać odpowiednią efektywność procesu konwersji energii słonecznej należy ten materiał modyfikować1
. Ostatnio duże nadzieje budzi połączenie TiO2 z dwusiarczkiem molibdenu (MoS2), którego przerwa energetyczna (1.2 eV dla materiału objętościowego, 1.8 eV dla monowarstwy2) sprawia że materiał ten absorbuje światło w zakresie widzialnym. MoS2
w połączeniu z TiO2 stanowi złącze o takiej konfiguracji poziomów elektronowych, która umożliwia dyfuzję nośników ładunku w złączu. Heterozłącza objętościowe na bazie MoS2 oraz TiO2 zostały otrzymane metodą rozpylania magnetronowego i przebadane pod kątem własności optycznych i elektrycznych. Z analizy wyników metodą Tauc’a wynika, że szerokość przerwy energetycznej (Eg) heterozłącza MoS2@TiO2 (w stosunku około 1:1) wynosi 2,54 eV, co zwiększa prawdopodobieństwo wydajnej konwersji światła widzialnego.
Rysunek 1 Wartości przerwy energetycznej dla cienkich warstw MoS2 oraz heterozłączy MoS2@TiO2 (hv- energia fotonu, 𝜶- współczynnik absorpcji, m = 1/2 – przejście proste dozwolone).
1 Z. He, et al., Journal of Alloys and Compounds 672 (2016) 481–488.
NNN-Z2 NANOELEKTRONIKA, NANOFOTONIKA I UKŁADY NISKOWYMIAROWE
PRZEWODNICTWO I FALE ŁADUNKOWE W UKŁADACH