Významné výsledky

[RNDr. Bohuslav Rezek, Ph.D.], nositel stipendia J. E. Purkyně

Nanokrystalizace křemíku pomocí AFM

Hledáme alternativní cestu přípravy Si nanokrystalů, a to krystalizací amorfního křemíku pomocí ostrého hrotu v mikroskopu atomárních sil (AFM). Na předem daných místech v tenké vrstvě amorfního křemíku vytvoří procházející elektrický proud mikroskopické prohlubně s vysokou elektrickou vodivostí. Tato vysoká vodivost je připisována vzniku křemíkových krystalů. To je potvrzeno i měřením Ramanova rozptylu. V závislosti na dodané energii mohou mít krystalické oblasti podobu teček nebo kroužků. Vyvinutý postup se podařilo optimalizovat a dosáhnout tak krystalků menších než 100 nm resp. vytvořit mmikroskopické matice z těchto krystalků. Tyto výsledky jsou slibné pro aplikace v mnoha oborech, od optoelektroniky po nanobiotechnologie.
[B. Rezek et al., Nanotechnology 20 (2009) 045302 a také v médiích NanoTechWeb a MaterialsToday]

Uspořádávání buněk na diamantu

Pro aplikace v bio-elektronice, tkáňovém inženýrství, protetice a biotechnologiích všeobecně je třeba vyvinout nové typy senzorů a biologických rozhraní. Zkoumáme proto ve spolupráci s 1.LF UK vytváření uspořádaných struktur lidských buněk (osteoblastů a další) na diamantu jako novém bio-materiálu. To je řízeno tím, že vlastnosti povrchu diamantu jsou mikroskopicky ovlivněny lokálním zakončením povrchu kyslíkovými nebo vodíkovými atomy (vzor zviditelněn elektronovým mikroskopem SEM). Ve fluorescenčních obrázcích jsou zeleně znázorněna aktinová vlákna a modře buněčná jádra. Obrázky ilustrují stav po 2 dnech inkubace při počáteční koncentraci 2500 buněk/cm2 a šířce vzorů 30 μm. Tvar buněk odpovídá dobrému přilnutí ke kyslíkem zakončenému povrchu.
[B. Rezek et al., Sensors 9 (2009) 3549]

Organické směsi pro optoelektroniku

Pro fotovoltaické články lze použít nejen křemík, ale i kompozitní vrstvy vodivého polymeru jako elektronového donoru a fulerenu jako elektronového akceptoru, které vytváří mikroskopickou heterostrukturu. Měření mikroskopem AFM umožnilo zviditelnit lokální strukturní a elektronické vlastnosti této heterostrukury. Morfologie a lokální vodivost jsou doplněny mapou chemického složení získanou z mikro- Ramanovského spektrometru. Toto srovnání odhalilo, že fuleren segreguje do dendritů. Vodivá polymerní matrice v těchto mikroskopických místech zkratuje fotovoltaický článek a výrazně snižuje jeho celkovou účinnost. Výsledky jsou zásadní pro optimalizaci organických slunečních článků a vyhrály také v prestižní soutěži pro kalendář firmy Veeco.
[J. Čermák et. al, phys. stat. sol. (RRL) 1 (2007) 193)]

[prof. Ivan Pelant, DrSc.]

Příprava luminiskujících křemíkových nanokrystalů

Luminiscencí nazýváme proces, při kterém materiál emituje světlo v důsledku dopadu energetického fotonu (foto-luminiscence) či vlivem přiloženého elektrického pole (elektro-luminiscence). Materiály, které vykazují silnou luminiscenci, lze potom za jistých podmínek využít pro přípravu elektroluminiscenčních diod (tzv. LED) nebo laserů. Všeobecně se pro tyto účely dnes využívá řada různých polovodičových a organických materiálů, ovšem s výjimkou krystalického křemíku. Ten je zatím hojně používaný především v mikroelektronice, např. v počítačových čipech, které jsou téměř výhradně křemíkové. Možnost vytvořit křemíkový laser je předmětem intenzivního výzkumu, kterému se věnuje i řada gigantických společností mikroelektronického průmyslu, jako např. Intel. Úspěšná realizace křemíkového laseru by vedla k zásadnímu přebudování architektury počítačových čipů, v nichž by k přenosu a zpracování informace bylo využito světla (fotonů). To by umožnilo přenos dat rychlostí světla a zpracování obrovského množství informace najednou. Krystalický křemík je pro výrobu laseru zcela nevhodný (nejeví luminiscenci!), ovšem křemíkové nanokrystaly (o průměru 2-5 nanometrů) vykazují velmi silnou luminiscenci (viz obrázky) a zdají se být dobrým kandidátem. Na našem oddělení připravujeme tyto nanokrystaly elektrochemickým leptáním krystalického křemíku a zabudováváme je do transparentní matrice nebo rozpouštíme v organických rozpouštědlech. Cílem je najít materiál vhodný pro přípravu křemíkového laseru.
[Kůsová et al., Physica E 41 ( 2009), 982; Dohnalová et al., Appl. Phys. Lett. 94 ( 2009), 211903]

Studium stimulované emise (zesílení světla)

Aby byl nějaký materiál vhodný pro laser, potřebujeme v něm dosáhnout stimulované emise, tj. koherentního zesílení světla na určité vlnové délce. Stimulovanou emisi lze studovat několika technikami, z nichž nejvhodnější je v případě křemíku metoda excitačního proužku. Materiál je osvětlován velmi intenzivním UV laserem ve formě tenkého proužku, jehož délka se mění. Pokud materiál na tuto excitaci reaguje exponenciálním nárůstem intenzity vystupujícího světla, je schopný dosáhnout stimulované emise. Touto technikou na našem oddělení zkoumáme vzorky obsahující velké množství hustě zabudovaných křemíkových nanokrystalů v matrici SiO2. Podařilo se nám prokázat existenci zesílení světla, které je ovšem nutné pro úspěšnou aplikovatelnost zvýšit. Toho lze dosáhnout optimalizací technologie přípravy vzorků, čímž se intenzivně zabýváme.
[Dohnalová et al., J. Phys. D 42 (2009), 135102; Dohnalová et al., New J. Phys. 10 (2008), 063014]

[RNDr. Antonín Fejfar, CSc., RNDr. Jan Kočka, DrSc.]

Mapování vlastností tenkých vrstev pro sluneční články

Sluneční články založené na tenkých vrstvách dosahují několikrát rychlejší energetické návratnosti než běžné deskové články. Ročně se takových článků ve světě vyrobí již miliony m². Nejlepší výsledky se čekají od nanostrukturních tenkých vrstev, tzv. mikrokrystalického nebo nanokrystalického křemíku, pro které ale potřebujeme najít nové metody pro měření vlastností s rozlišením až do oblasti nanometrů.
Základem takových metod může být právě mikroskopie atomárních sil (AFM). V naší laboratoři jsme v tomto oboru jako první na světě použili AFM kombinované s měřením lokálního proudu (viz obr. vpravo) pro studium jednotlivých zrn v mikrokrystalickém křemíku. [B. Rezek, J. Stuchlík, A. Fejfar, J. Kočka, Appl. Phys. Lett. 74 (1999) 1475]
Výsledky získaly světový ohlas a podporu v rámci mezinárodních projektů např. od japonské vládní organizace NEDO (New energy development organization).

Měření jednotlivých zrn v mikrokrystalickém křemíku.
a) topografie zrn měřená pomocí AFM
b) současně měřená mapa lokální vodivosti. Přitom měříme proud tekoucího z hrotu AFM přes vzorek do spodní elektrody.
[T. Mates et al., J. No n-Crystalline Solids, 352 (2006) 1011.]
Měření provedl v rámci své doktorské práce Dr. T. Mates, který nyní pracuje na vývoji slunečních článků ve Švýcarsku ve firmě Oerlikon Solar.

Měření hranic zrn v polykrystalickém křemíku.
a) topografie zrn měřená pomocí AFM,
b) povrchový potenciál měření Kelvinovskou mikroskopií,
c) stupeň neuspořádanosti krystalické mřížky na hranicích zrn mapovaný šířkou TO-LO pásu v Ramanově rozptylu a
d) vnitřní pnutí na hranicích zrn odvozené z polohy pásu.
Ramanovské mapy jsou složené z barevných bodů umístěných přes obrázek z optického mikroskopu.
[S. Honda et al., J. Non-Crystalline Solids, 354 (2008) 2310.]
Měření provedl Dr. S. Honda, který se k nám přišel naučit tyto metody z Japonska, a poté, co v Praze obhájil doktorskou práci, pracuje nyní pro největšího světového výrobce slunečních článků Sharp Solar.

[Ing. Vladimír Cháb, CSc., Ing. Pavel Jelínek, Ph.D.]

Trochu historie o atomárních manipulacích

První kontrolovaná manipulace jednotlivých atomů pomocí rastrovacího tunelovacího mikroskopu, známého jako STM (Scanning Tunneling Microscope), byla provedena v roce 1989, když byl při teplotě -265 C z atomů xenonu vytvořen nápis IBM . Od té doby vývoj pokročil, ale stále platí několik limitujících faktorů pro jejich praktické využití: (i) nutnost specifických vlastností daného povrchu (mikroskop STM může pracovat pouze s vodivými materiály); (ii) nutnost velmi nízkých teplot a krátká životnost (řádově sekundy) získané atomární struktury.
Omezení na elektricky vodivé povrchy překonává mikroskop atomárních sil (AFM - Atomic Force Microscope) umožňující charakterizaci povrchu vodičů, polovodičů i izolátorů v různém prostředí (vakuum, běžná atmosféra, kapaliny, ...). Díky tomu se metoda AFM stala základním nástrojem charakterizace povrchů, mechanických vlastností (tření, adheze a tvrdost), ale také nástrojem pro studium biologických systémů, například mechanických vlastností proteinů . Princip AFM je založen na změně oscilační frekvence ostrého hrotu upevněného na konci pružného raménka, která je přímo úměrná velikosti interakce se zkoumaným povrchem. Pokud se hrot nachází dostatečně blízko zkoumaného povrchu (cca 0,5 nm, tj. miliontiny milimetru), pak změna oscilační frekvence udává sílu chemické vazby mezi jednotlivými atomy na povrchu a vrcholovým atomem hrotu (viz. obr. b).

Charakterizace, modifikace a modelování povrchů a nanostruktur pomocí rastrovacích mikroskopů na atomární úrovni

Zatímco zásadním výsledkem mezinárodního týmu vědců z Japonska, Španělska a České republiky byla v roce 2007 presentace nové metody pro chemickou identifikaci jednotlivých atomů (Nature 446, 64 (2007)), stejnému týmu se podařilo v práci publikované dne 16. října 2008 v časopise Science představit novou metodu atomární manipulace, která umožňuje „psát“ na povrch pevné látky pomocí jednotlivých atomů, podobně jako psací pero. Možnosti nové metody tým demonstroval vepsáním symbolu „Si“ na povrch pevné látky (symbol „Si“ byl zvolen záměrně, neboť právě atomy křemíku byly použity jako „inkoust“). Experiment byl proveden při pokojové teplotě, což výrazně rozšiřuje možnosti využití atomární manipulace v oblasti nanotechnologií.
Nová metoda umožňuje nejenom zápis, ale i kontrolované vymazání již vytvořených atomárních vzorů. V článku tým autorů poprvé představil novou metodu a také detailně vysvětlil její mechanismus na základě kvantových výpočtů.
[Y.Sugimoto, P. Pou, O. Custance, P. Jelínek, M. Abe, R. Perez, S. Merita: Complex Patterning by Vertical Interchange Atom Manipulation Using Atomic Force Microscopy. Science 322 (2008) 413 - 417]

Teoretické simulace vedou k pochopení procesu atomární manipulace a umožňují optimalizovat samotný proces. Studium manipulací na atomární úrovni mimo jiné významně přispívá k hlubšímu pochopení původu tření. Počítačové simulace nám také dovolují hlubší pochopení procesů transportu elektronu v nano-strukturách a jejich atomární uspořádání. Studium transportu elektronů v nanostrukturách je klíčovým předpokladem pro konstrukci nových nano-elektronických součástek.
[P.Jelínek, M. Švec, P. Pou, R. Perez, V. Cháb, Phys. Rev. Lett. 101, 176101 (2008)]

[doc. RNDr. Zdeněk Chvoj, DrSc.]

Počítačové simulace dynamiky růstu nanostruktur

Systém olovo na křemíku (Pb/Si)/Si je zajímavý silným vlivem kvantových jevů, tzv. “quantum size effect” (QSE), které přímo ovlivňují fyzikální i chemické vlastnosti nano-materiálu, a mají tak vliv na dynamiku růstu nano-ostrůvků a jejich výsledný tvar. Díky QSE je možné snadno docílit samovolného růstu ostrůvků s téměř identickými rozměry, ovlivňovat množství ostrůvků na povrchu i měnit topologii nové vrstvy ostrůvku v průběhu růstu. Pochopení samouspořádavacích procesů na atomární úrovni může významě přispět k novým a snadnějším nanotechnologiím přípravy elektronických součástek příští generace.
Obrázek ukazuje počítačové simulace růstu nano-struktur olova na povrchu křemíku. První řada zobrazuje prstenčitý růst v energeticky výhodnějších dvojvrstvách při teplotě -90°C těsně po depozici, v čase 0,5min a 3 minuty po deposici. V druhé řadě jsou zobrazeny simulace růstu při teplotě -230°C v místě schodu na Si povrchu. Obě poloviny ostrůvku se liší výškou o jednu vrstvu a díky QSE je povrch jedné poloviny ostrůvku stabilní (světlejší část) a druhá část je nestabilní (tmavší část). Rozdíly ve fyzikálních vlastnostech stabilní a nestabilní části vedou k rozdílným podmínkám pro vznik zárodků.
[Z.Kuntová, M.C. Tringides, Z. Chvoj: Physical Review B 78 (2008) 155431(1) - 155431(11)]