Instytut Fizyki Molekularnej Polskiej Akademii Nauk

Obszar badawczy

Struktura elektronowa i oscylacyjna molekularnych materiałów funkcjonalnych.

Cele badawcze

Poszukujemy nowych przewodników protonowych o wysokim przewodnictwie i stabilności termicznej, które mogłyby być wykorzystywane jako źródła zielonej energii. Ich potencjalne zastosowanie, to elektrolity w ogniwach paliwowych, w których jedynymi produktami ubocznymi jest woda oraz ciepło. Celem prowadzonych w Zakładzie Kryształów Molekularnych badań jest zrozumienie natury zjawisk fizycznych, które zachodzą w przewodnikach protonowych. Umożliwiłoby to nam zaprojektowanie nowych, funkcjonalny materiałów, które miałyby szansę zastosowania w innowacyjnej gospodarce. W obliczu rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną i wzrostu jej cen podejmujemy również działania związane z poszukiwaniem nowych alternatywnych źródeł energii, które powinny być niewyczerpywane, łatwo dostępne, wydajne oraz przyjazne środowisku. Duże nadzieje budzi możliwość wykorzystania czystej energii pochodzącej z promieniowania słonecznego. Celem naszych badań jest zaprojektowanie oraz otrzymanie nowego donorowo-akceptorowego kopolimeru, z wąską przerwą energetyczną, który mógłby być zastosowany w wydajnych ogniwach słonecznych. Od wielu lat prowadzimy badania właściwości fizycznych przewodników organicznych, które mogłyby znaleźć zastosowanie w elektronice przyszłości. Nasze badania ukierunkowane są na poznanie natury przemian fazowymi indukowanych temperaturą lub ciśnieniem, zjawisk uporządkowania ładunkowego, korelacji elektronowych, fluktuacji rozkładu ładunku oraz sprzężeń elektronów z drganiami wewnętrznymi molekuł.

Profil badawczy

Wykorzystując eksperymentalne oraz teoretyczne metody spektroskopii molekularnej prowadzone są badania struktury oscylacyjnej oraz elektronowej przewodzących elektronowo oraz jonowo materiałów organicznych. Pomiary wykonywane są w szerokim zakresie spektralnym od dalekiej podczerwieni do ultrafioletu w funkcji temperatury (od 1,8 do 900 K) i ciśnienia (do 20 GPa). W Zakładzie Kryształów Molekularnych zajmujemy się obliczaniem (metody DFT oraz TD-DFT) i interpretacją widm teoretycznych. W badaniach wykorzystujemy następujące techniki i metody eksperymentalne fizyki fazy skondensowanej: technika widm transmisyjnych/absorpcyjnych w świetle spolaryzowanym, technika widm odbicia zwierciadlanego w świetle spolaryzowanym w szerokim zakresie kątów padania i odbicia, technika widm odbicia dyfuzyjnego, technika osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia, technika widm odbiciowo - absorpcyjnych od cienkich warstw naniesionych na podłoże metaliczne, metoda rozpraszania Ramana, pomiary przewodności elektrycznej właściwej metodą czteroelektrodową, analiza termooptyczna, metody spektroskopii fluorescencyjnej, luminescencji oraz fosforescencji.

Wyposażenie

• Spektrometr FT-IR Bruker Equinox 55 współpracujący z  mikroskopem FT-IR Bruker Hyperion 2000 wraz z wyposażeniem

  

  Układ pomiarowy pozwala na rejestrację widm w świetle spolaryzowanym w zakresie od 30 do 18 000 cm^-1. Spektrometr pracuje z maksymalną rozdzielczością spektralną 0,5 cm^-1. Dołączony do spektrometru mikroskop FT-IR Hyperion 2000 firmy Bruker pozwala na pomiar widm odbiciowych oraz transmisyjnych w świetle spolaryzowanym mikropróbek o wymiarach ułamków milimetra w zakresie spektralnym od 600 do 18000 cm^-1 w funkcji temperatury od 10 do 870 K. Mikroskop wyposażony jest w obiektyw do rejestracji widm odbiciowo-absorbcyjnych od cienkich warstw naniesionych na podłoże metaliczne (600–6500 cm^-1). Stolik mikroskopu (sterowany silnikami krokowymi) umożliwia badania rozkładu przestrzennego substancji w materiale (rozdzielczość przestrzenna 1 mm). Posiadane kowadła diamentowe pozwalają natomiast na rejestrację widm transmisyjnych w średniej podczerwieni w funkcji ciśnienia (do 20 GPa) w temperaturze pokojowej.

  W skład wyposażenia zestawu pomiarowego wchodzą:

  • układ do przedmuchu suchym powietrzem firmy Parker
  • zmiennokątowa przystawka odbiciowa firmy Bruker
  • przystawka do rejestracji widm osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia (ATR) firmy Gateway™
  • przystawka do rejestracji widm odbicia zwierciadlanego firmy Beckman
  • przystawka do rejestracji widm odbicia dyfuzyjnego (DRIFT) firmy Perkin-Elmer
  • zwierciadła, kuwety oraz polaryzatory

• Spektrometr Ramanowski LabRAM HR 800 Jobin Yvon wraz z wyposażeniem

  

  Spektrometr zawiera dwie siatki dyfrakcyjne (600 oraz 1800 rys/mm), optykę wejściową i filtrującą, detektor wielokanałowy (CCD 1024 x 256) pracujący w temperaturze ciekłego azotu. Wyposażony on jest w laser He Ne (λext = 632.8 nm), przestrajalny laser argonowy Stabilite 2017 wraz z zasilaczem (λext = 454.5, 457.9, 465.8, 472.7, 476.5, 488.0, 496.5, 501.7, 514.5 nm) oraz w laser NIR wraz z zasilaczem (λext = 785 nm). Na wyposażeniu spektrometru są zestawy filtrów VLFIE typu "Notch": dla linii 457, 488, 514, 633 oraz 785 nm. Spektrometr wyposażony jest w mikroskop konfokalny L-BXFM zawierający następujące obiektywy: obiektyw typu "plan-achromatic" x10, NA = 0.25, WD = 10.6 mm, obiektyw typu "plan-achromatic" x50, NA=0.75, WD=0.37 mm, obiektyw typu "plan-achromatic" x100, NA = 0.90, WD = 0.21 mm, obiektyw o długiej ogniskowej x10, NA = 0.25, WD = 21 mm, obiektyw o długiej ogniskowej x20, NA=0.25, WD = 12 mm oraz obiektyw do makro-próbek WD = 40 mm. Spektrometr Ramanowski LabRAM HR 800 Jobin Yvon wykorzystywany jest do badań widm rozpraszania Ramana w funkcji temperatury i ciśnienia.

• Spektrometr NIR/Vis/UV Hitachi U-2900

  

  Spektrometr umożliwia rejestrację widm absorpcyjnych w świetle spolaryzowanym w zakresie spektralnym od 190 do 1100 nm próbek w fazie stałej oraz ciekłej. Widma transmisyjne i odbiciowe można rejestrować z prędkością skanowania: 10, 100, 200, 400, 800, 1200, 2400 oraz 3600 nm/min. Przyrząd posiada dwa źródła promieniowania: lampę wolframową (pomiary w zakresie światła widzialnego) oraz lampę deuterową (pomiary w zakresie światła ultrafioletowego). Jako detektor promieniowania wykorzystywana jest fotodioda krzemowa. Dokładność pomiaru widma zmienia się wraz ze zmianą zakresu absorbancji i wynosi: w zakresie od 0 do 0,5 ±0,002, od 0,5 do 1,0 ±0,004 oraz od 1,0 do 2,0 ±0,008. Błąd pomiaru wartości transmitancji równy jest ±0,3%.

• Spektrofluorymetr Hitachi F-7000

  

  Spektrofotometr ten umożliwia wykonywanie pomiarów fluorescencji, luminescencji oraz fosforescencji roztworów oraz próbek stałych w funkcji temperatury (kriostat Optistat CF firmy Oxford Inst). Możliwe jest wykonywanie pomiarów czasu życia fluorescencji do 1 ms. Wyposażony jest on w dwa monochromatory pozwalające na ciągły wybór długości fali wzbudzenia i emisji fluorescencyjnej. Na wyposażeniu spektrofluorymetru znajduje się zestaw filtrów krawędziowych oraz polaryzatorów umożliwiających pomiar widm emisji i wzbudzeń w zakresie od 900 do 200 nm.

• Stanowisko do pomiarów przewodności elektrycznej

  

  Pomiary przewodności elektrycznej właściwej przeprowadzane są metodą czteroelektrodową. Programowalne źródło prądu Keithley 220 pozwala na zmiany prądu w zakresie 1 nA – 100 mA, a cyfrowy woltomierz Keithley 182 umożliwia pomiary w zakresie 3 mV – 30 V z rozdzielczością 1 nV – 10 μV. Pomiary temperaturowe są wykonywane w zakresie 1,8-370 K. Do ścieżek miedzianych za pomocą drutu srebrnego o średnicy 40 μm przymocowywana jest próbka za pomocą pasty srebrnej, z której wykonane są też elektrody. W zależności od potrzeb istnieje możliwość użycia pasty złotej lub węglowej (oraz innego drutu niż srebrny). Układ umożliwia pomiar próbek o rozmiarach poniżej 1 mm (maksymalnie około 1 cm).

• Stanowisko do analizy termooptycznej (TOA)

  Analiza termooptyczna stanowi wizualną pomoc w obserwacji efektów fizycznych podczas pomiarów analizy termicznej. Pozwala wyznaczyć temperaturę przemiany fazowej w fazie skondensowanej pod warunkiem występowania wyraźnych zmian tekstury badanego materiału. Jest to metoda komplementarna do pomiarów różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC), termograwimetrii (TG) czy też pomiarów w podczerwieni w funkcji temperatury. Układ pomiarowy zbudowany jest z następujących elementów: mikroskopu stereoskopowego Delta Optical IPOS 810 WS (obiektyw planachromat ´2 - maksymalne powiększenie ´400 wraz oświetlaczem koaksjalnym, modułem do ciemnego pola, adapterem fotograficznym z kamerą mikroskopową), kriostatu firmy Linkam TC92 wraz z wyposażeniem, multimetru - HP 34401a (zakresy: 10 mA, 100 mA, 1 A, 3 A; maksymalna rozdzielczość: 10 nA), diody - OSRAM BPW 21 (prąd ciemny: 2 nA; długość fali 350-820 nm) oraz komputera.

• Układy do badań temperaturowych

  • Układ do badań w funkcji temperatury od 1,8 do 370 K
    

    kriostat optyczny Optistat CF firmy Oxford Inst. (zestawy okienek: KBr, KRS-5, kwarc), termoregulator Oxford Inst. ITC 503, lewar GFS 650, przepływomierz PKR 251/26001, dewar helowy 50 l, układ pomp: pompa turbomolekularna TSH 071E, pompa membranowa MVP 015, pompa cyrkulacyjna, miernik ciśnienia PKR 251 / 26001;

    układ umożliwia rejestrację widm fluorescencji w funkcji temperatury oraz wykorzystywany jest w pomiarach przewodności elektrycznej właściwej;

  • Układ do badań w funkcji temperatury od 4.2 do 300 K
    

    kriostat optyczny CF 2102 firmy Oxford Inst., termoregulator Oxford Inst. ITC 503, lewar GFS 650, przepływomierz PKR 251/26001, dewar helowy 50 l, układ pomp: pompa turbomolekularna TSH 071E, pompa membranowa MVP 015, pompa cyrkulacyjna, miernik ciśnienia PKR 251 / 26001;

    układ umożliwia rejestrację widm absorpcyjnych i odbiciowych w świetle spolaryzowanym (600-18000 cm^-1) oraz widm rozproszenia Ramana;

  • Układ do badań w funkcji temperatury od 77 K do 870 K

    kriostat firmy Linkam Corp. TC92, termoregulator Linkam Inst., dewar azotowy wraz z osuszaczami do przedmuchu kriostatu, linia ogrzewająca obudowę kriostatu;

    układ umożliwia rejestrację widm absorpcyjnych i odbiciowych w świetle spolaryzowanym (600-18000 cm^-1), widm rozproszenia Raman oraz wykorzystywany jest w analizie termooptycznej (TOA);

  • Układ do badań własności optycznych jednocześnie w funkcji temperatury (4.2­–300 K) i ciśnienia (od ciśnienia atmosferycznego do 20 GPa)
    

    kriostat optyczny CF 2102 firmy Oxford Inst. z wyposażeniem, kowadło diamentowe Diacell D-07 umieszczone na zimnym palcu kriostatu – max ciśnienie 100 GPa;

    układ umożliwia rejestrację widm rozproszenia Ramana w funkcji temperatury i ciśnienia.

    

• Wyposażenie do przygotowywania materiałów do badań

  • laboratorium chemiczne
  • powlekacz obrotowy Laurell W5-650MZ-23NPPB do nanoszenia cienkich warstw
  • młyn kulowy do mechanosyntezy
  • suszarka laboratoryjna
  • pastylkarka
  • prasa hydrauliczna
  • waga laboratoryjna
  • kuwety do gazów (l = 10 cm) i cieczy (l = 0,1-50 mm) wykonane ze szkła, kwar-cu, NaCl, KRS-5, BaF2, KBr, CsJ
  • kowadła diamentowe
  • elektrodrążarka do wykonywania otworów w uszczelkach
  • urządzenie do intendowania uszczelek
  • myjka ultradźwiękowa,
  • mikroskop stereoskopowy (max pow. x20)
  • stacja lutownicza
  • mikroskop stereoskopowy Delta Optical IPOS 810 WS (obiektyw planachromat x2 – maksymalne powiększenie x400 wraz oświetlaczem koaksjalnym, modułem do ciemnego pola i adapterem fotograficznym z kamerą mikroskopową
    

• Stacje obliczeniowe

  Wykorzystywane przez nas oprogramowanie (programy Gaussian oraz Crystal) umożliwiają wykonywanie obliczeń drgań sieci (fononów), drgań oscylacyjnych oraz przejść elektronowych.

Współpraca naukowa

• Univ Angers, CNRS, MOLTECH-Anjou, Angers, France
• Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris-Saclay, CNRS, Université Paris-Sud, Orsay, France
• Univ Rennes, CNRS, ISCR (Institut des Sciences Chimiques de Rennes), Rennes, France
• Aix-Marseille Université, Univ. de Toulon, CNRS, Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence, Marseille, France
• Physikalisches Institut, Universität Stuttgart, Stuttgart, Germany
• Materials Science Divisions, Argonne National Laboratory, Argonne, USA
• Litvinenko Institute of Physical-Organic Chemistry and Coal Chemistry The National Academy of Science of Ukraine, Kiyv, Ukraine
• Faculty of Chemistry, University of the Basque Country UPV/EHU, Donostia International Physics Center (DIPC), Donostia, Euskadi, Spain
• Wydział Farmaceutyczny, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego, Poznań
• Instytut Chemii, Uniwersytet w Białymstoku, Białystok
• Instytut Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Poznań
• Instytut Chemii, Uniwersytet Jana Kochanowskiego, Kielce
• Instytut Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk, Warszawa
• Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych Polskiej Akademii Nauk, Wrocław
• Wydział Inżynierii Materiałowej i Fizyki Technicznej, Politechnika Poznańska, Poznań
• Akademickie Centrum Materiałów i Nanotechnologii, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Kraków