Laboratoř pro studium nanomateriálů

Kontaktní osoba: Jiří Vacík e-mail: vacik@ujf.cas.cz

Laboratoř pro studium nanomateriálů (Skupina materiálového výzkumu s neutronovými a iontovými svazky - MVNIS) se zabývá přípravou, charakterizací a modifikací tenkých jednovrstvých a vícevrstvých materiálů se složitou nanostrukturou (MAX fáze, lithium-iontových baterií s pevným elektrolytem, hybridní systémy na bázi kov-fulleren a další) a zkoumáním jejich specifických fyzikálních vlastností. Studium nanomateriálů (tj. jejich příprava, výzkum jejich základních vlastností a možných aplikací) probíhá s využitím různých depozičních technik a analytických metod vyvinutých v rámci infrastruktury CANAM v ÚJF AV ČR v Řeži.

Techniky ukládání:

Laboratoř pro studium nanomateriálů je vybavena několika zařízeními, která umožňují přípravu tenkých vrstev jedno- a víceprvkových kompozitů se složitou strukturou v nanorozměrech.

Například pomocí zařízení LEIF-1 (Low Energy Ion Facility) se svazky těžkých iontů v rozsahu energií 100 eV - 35 keV lze iontovým naprašováním připravovat tenké hybridní vrstvy na bázi uhlíku (fullerenů) a lithia pro studium tenkých Li-iontových baterií. Systém LEIF-2 je určen jak pro přípravu tenkých vrstev víceprvkových komplexních struktur metodou iontového naprašování, tak pro jejich další modifikaci iontovou implantací nebo iontovým bombardováním (pro účely kontrolovaného radiačního poškození). K syntéze ultratenkých krystalických materiálů se používá systém molekulární epitaxe (MBE-1) vybavený dvěma elektronovými děly, vysokoteplotní efúzní celou a iontovým dělem. Nový systém molekulární epitaxe (MBE-2) vybavený třemi elektronovými děly, dvěmi efuzními celami a zdrojem svazku neutrálních atomů kyslíku se používá k výrobě hybridních vrstev magnetických částic (fermionů) se strukturou na bázi C. Ke studiu tenkých vrstev hybridních materiálů na bázi kombinace přechodných nebo ušlechtilých kovů a fullerenů se používá systém UNIVEX vybavený elektronovým dělem a efuzní celou pro napařování C₆₀. Implantace vybraných iontů na urychlovači Tandetron (Laboratoř Tandetron) se využívá také pro přípravu nanostruktur v tenkých povrchových vrstvách vzorků.

LEIF 1 je vybaven iontovým zdrojem Duoplasmatron pro generování intenzivního plazmatu Ar. Extrakční potenciál lze nastavit v rozmezí 1 až 35 kV. V cílové poloze lze získat svazek o proudu až 1 mA, což umožňuje provádět iontové naprašování a iontové ozařování vzorků s vysokou intenzitou.

LEIF 2 byl navržen jako zařízení nové generace s instalací iontového zdroje typu multicusp a nové iontové optiky založené na Einzelově optické čočce a vychylovacím systému. Zařízení může produkovat iontové svazky různých plynů, ale také i ionty směsi plynů (plyny lze míchat přímo v iontovém zdroji), extrakční potenciál lze nastavit od 1 do 35 kV. Pro účely ozařování (do 100 keV/z) je k dispozici dipólový magnet následovaný druhou větví iontového svazku.

Systém MBE 1 je vybaven 2 elektronovými děly, které mohou pracovat v režimu ‘effusion cell‘ nebo ‘e-gun sputtering‘, 1 vysokoteplotní efúzní celou  a 1 iontovým zdrojem pro iontově asistovanou depozici. Pro studium vývoje nanovrstev během růstu je k dispozici systém RHEED. Základní tlak systému se pohybuje v rozmezí 10^-9 - 10^-10 mbar.

Systém MBE 2 je vybaven 3 elektronovými děly, které mohou pracovat v režimu ‘effusion cell‘ nebo ‘e-gun sputtering‘, 1 vysokoteplotní efúzní celou, 1 nízkoteplotní efúzní celou a 1 zdrojem atomárního kyslíku pro kultivaci oxidů. Základní tlak systému se pohybuje v rozmezí 10^-9 mbar.

Systém MBE 2 je vybaven 3 elektronovými děly, které mohou pracovat v režimu ‘effusion cell‘ nebo ‘e-gun sputtering‘, 1 vysokoteplotní efúzní celou, 1 nízkoteplotní efúzní celou a 1 zdrojem atomárního kyslíku pro kultivaci oxidů. Základní tlak systému se pohybuje v rozmezí 10^-9 mbar.

Analytické metody:

Analýza připravených (nebo modifikovaných) tenkých vrstev se provádí několika hlavními metodami, které jsou k dispozici v laboratořích MVNIS působících v rámci infrastruktury CANAM: AFM (Atomic Force Microscopy), metoda VdP (Van der Pauw) a NBA (Neutron Beam Analysis) - NDP (Neutron Depth Profiling) a PGAA (Prompt Gamma Activation Analysis).

Další metody IBA (Ion Beam Analysis) se provádějí ve spolupráci se skupinou Tandetron na 3 MV tandemovém urychlovači Tandetron 4130 MC.

Metoda AFM spolu s různými přidruženými režimy, jako je MFM (Mikroskopie magnetických sil), LFM (Mikroskopie laterálních sil) a EFM (Mikroskopie elektrických sil), umožňuje analýzu povrchových vlastností materiálů (morfologie, tření a opotřebení, chemická struktura molekul atd.) s vysokým rozlišením (až na úroveň nanometrů). Metoda se provádí na mikroskopu NTEGRA Aura Scanning Probe Microscope (NT-MDT) v poklepovém a kontaktním režimu.

Metoda VdP měří průměrný měrný odpor a hodnoty Hallova koeficientu na tenkých vzorcích aplikací proudu a měřením napětí podél obvodu vzorku.

Metoda NDP je určena pro měření hloubkového rozložení některých lehkých prvků (např. Li, B, N) nebo těžkých prvků (např. Cl, Sm, Eu) v tenkých vrstvách materiálů. Metoda je založena na reakci tepelných neutronů typu (n, alfa) s danými prvky (přesněji některými jejich izotopy) a měření zbytkové energie reakčních produktů.

Metoda PGAA měří gama kvanta ze záchytu neutronů a umožňuje stanovit prvky a jejich koncentraci ve vzorcích. Obě metody (NDP a PGAA) jsou umístěny na krátkém neutronovodu u horizontálního kanálu reaktoru LVR-15 (provozovaného Centrem výzkumu Řež).

Metody IBA (RBS – Rutherford Backscattering, PIXE – Particle Induced X-Ray Emission, MB – Micro Beam metody, ozařování/implantace iontovým svazkem atd.) jsou instalovány na linkách iontového svazku urychlovače Tandetron 4130 MC v laboratoři Tandetron. Metody jsou dostupné ve spolupráci se skupinou Tandetron v rámci infrastrukturních projektů CANAM.

AFM - skenovací sondový mikroskop NTEGRA Aura (NT-MDT)

Experimentální uspořádání pro analýzy povrchového odporu metodou Van der Pauw a  a zařízení pro měření vlastností senzoru plynů.

Metody úpravy vzorků:

Modifikací připravených vzorků (tenkých vrstev na substrátech, tenkých folií atd.) lze provádět několika metodami.

Ozařováním/implantací vzorků ionty s nízkými energiemi (do 100 keV na LEIF-2) a vysokoenergetickými ionty (až několik MeV na urychlovači Tandetron) s fluencemi podle potřeby.

Žíháním - k dispozici je několik pecí pro žíhání vzorků na vzduchu, v inertní atmosféře, v reaktivní atmosféře a ve vysokém vakuu.

Leptáním tenkých polymerních vrstev - pro přípravu membrán s póry požadované velikosti a tvaru je k dispozici reaktor s příslušenstvím pro leptání pomocí různých leptadel.

Vysokovakuová pec s teplotou až 2300 °C

Aktuálně řešené granty:

• Title: Ferroic Multifunctionalities
  Provider: MEYS CR, OP JAK
  2024 - 30. 06. 2028
  Principal Investigator: H. Seiner (Institute of thermomechanics CAS)
  
  
• Title: Black metals surface-decorated by MXenes as sensitive chemiresistor layers
  Provider: GA CR
  2023 - 31. 12. 2025
  Principal Investigator: J. Vacík (Nuclear Physics Institute CAS)
  
  
• Title: Metal-fullerene nanocomposites: synthesis, characterization and application in all-solid-state Li ion batteries
  Provider: The Czech Academy of Sciences (CAS)
  2024 - 31. 12. 2025
  Principal Investigator: G. Ceccio (Nuclear Physics Institute CAS)
  
  
• Title: Enhancing NASICON Materials for Sustainable Energy Storage
  Provider: The Czech Academy of Sciences (CAS)
  2025 - 31. 12. 2027
  Principal Investigator: G. Ceccio (Nuclear Physics Institute CAS)