1. Nanocząstki półprzewodnikowe do zastosowań fotowoltaicznych. Dlaczego nanocząstki półprzewodnikowe? Jaki problem chcemy rozwiązać?

Transkrypt

1 1. Nanocząstki półprzewodnikowe do zastosowań fotowoltaicznych. Dlaczego nanocząstki półprzewodnikowe? Nanokryształy półprzewodnikowe (ang. quantum dots, QDs) są strukturami o wielkości porównywalnej do promienia Bhora ekscytonu (para elektron/dziura). Dzięki wysokiej wydajności luminescencji oraz możliwości dopasowania przerwy energetycznej materiały stałe przygotowane z QDs znalazły zastosowanie jako np. źródła światła czy w fotowoltaice. Corocznie publikowane jest ok prac poświęconych kropkom kwantowym, a wielu z najbardziej cytowanych chemików materiałowych zajmuje się pracą z nimi. Zastosowanie QDs w panelach słonecznych wymaga ich bliskiego upakowania. Dlatego duże ligandy organiczne wymienia się często na małe jony nieorganiczne. Ale taki proces skutkuje prostym upakowaniem nanocząstek. Chcemy wyjść poza te proste ułożenia otwierając drogę do materiałów o nowych właściwościach. Synteza nanocząstek o różnym pokryciu powierzchni, badania strukturalne (TEM, SAXS), badania fizykochemiczne (UV-Vis, przewodnictwo, fluorescencja). Plusy pracy? Jeśli pomiary strukturalne potwierdzą pozytywny wynik pomiary fizykochemiczne (we współpracy z grupą z Niemiec) z możliwością uczestnictwa studenta, uzyskany materiał posłuży do budowy paneli słonecznych (we współpracy z grupą z Łodzi) również z możliwością uczestnictwa studenta.

2 2. Samoorganizacja nanocząstek do zastosowań w SERS. Dlaczego anizotropowe nanocząstki złota? Nanocząstki (NPs, ang. nanoparticles) plazmonowe to obiekty o wiele mniejsze od długości fali, w których padająca na nie fala wzbudza kolektywne oscylacje elektronów tzw. zlokalizowany plazmonowy rezonans powierzchniowy (LSPR). LSPR powoduje silne, lokalne wzmocnienie pola elektromagnetycznego co jest podstawą wielu praktycznych zastosowań nanocząstek plazmonowych. Na przykład, mogą one posłużyć do pokonania obecnych ograniczeń obliczeń komputerowych poprzez rozwój komputerów optycznych możliwość tworzenia materiałów typu peleryna niewidka, czy wytwarzanie hologramów. Rocznie publikowanych jest kilkanaście tysięcy publikacji dotyczących plazmoniki, powstało wiele centrów naukowych jej dedykowanych, a także powoli technologia ta jest transferowana z uniwersytetów do przemysłu (np. echodyne.com, evolvtechnology.com). Wydajność materiałów plazmonowych zależy od ułożenia nanocząstek w przestrzeni. Do tej pory różne grupy badawcze pokazały, że warto uzyskiwać pionowo ustawione nanopręty Au. My opracowaliśmy nową metodę pozwalającą uzyskać pionowo stojące lub horyzontalnie leżące trójkąty. Należy sprawdzić, które ułożenie jest bardziej wydajne i wykorzystać do mierzenia medycznie istotnych próbek. Synteza nanocząstek o trójkątnym kształcie, badania strukturalne (TEM, SAXS), badania fizykochemiczne (UV- Vis, SERS). Praca na 95% zakończona publikacją naukową.

3 3. Samoorganizacja binarnych układów nanocząstek Dlaczego binarne układy z nanocząstek? Samoorganizujące się materiały binarne przyciągają coraz więcej uwagi ze względu na nowe właściwości jakie mogą być uzyskane gdy materiał zbudowany jest z więcej niż jednego typu nanocząstek. Na przykład, niedawno zbadano nanocząsteczkowy odpowiednik uzyskiwania materiałów domieszowanych czy wprowadzono koncepcję plazmonowej metalurgii. Także z punktu widzenia technologii komputerów optycznych istotna jest możliwość łączenia np. nanocząstek metalicznych, i dielektrycznych w jednym materiale. Jakie kombinacje nanocząstek warto badać: 1. plazmonowe+plazmonowe; unikatowe właściwości optyczne; przydatne w rozwoju komputerów optycznych czy wyjątkowych zastosowaniach SERS 2. QD+plazmonowe; obecność nanocząstek plazmonowych prowadzi do wzmocnienia absorpcji i maksymalizacji wydajności urządzeń fotowoltaicznych 3. plazmonowe+dielektryczne; materiały do komputerów optycznych opracowanie materiałów, w których można by analogowo (w sposób ciągły, a nie skokowy) zmieniać właściwości materiałów binarnych (w celu szybszej optymalizacji uzyskiwanych materiałów), odejść od symetrii bliskiego upakowania oraz poszerzyć zakres właściwości plazmonowych. Synteza nanocząstek Au i PbS, badania strukturalne (TEM, SAXS). Jeśli pomiary strukturalne potwierdzą pozytywny wynik pomiary fizykochemiczne (we współpracy z grupą z Niemiec) z możliwością uczestnictwa studenta.

4 4. Badania ciekłokrystaliczności tlenku grafenu Dlaczego tlenek grafenu? Dotychczas opracowano wiele metod syntezy grafenu, z których najpopularniejsze to CVD (uzyskiwany materiał ma znakomite parametry fizykochemiczne) czy eksfoliacja grafitu (np. poprzez ultradźwięki i temperaturę, niska wydajność). Od 2006 roku chemicy dysponują potężnym narzędziem syntetycznym gdyż opracowana została łatwa, chemiczna metoda synteza materiałów grafenowych wychodząca z grafitu: grafit -> tlenek grafenu -> zredukowany tlenek grafenu ( grafen ). Tlenek grafenu, ze względu na łatwość redukcji i bogactwo ugrupowań tlenowych na powierzchni, stał się jednym z najpopularniejszych prekursorów do budowy układów hybrydowych. Wiele grup na świecie pracuje z tlenkiem grafenu, ale nie ma szybkich metod badania czy przechowywany dłużej, albo kupiony od producenta tlenek grafenu jest w dobrej formie (czy jest rzeczywiście monowarstwowy). Mamy silne podejrzenie, że bardzo prosty test z użyciem monitora komputerowego i polaryzatora, pozwalający zobaczyć właściwości ciekłokrystaliczne tlenku grafenu (na zdjęciu) pozwoli na ocenę jakości materiału. Synteza tlenku grafenu z trzech różnych grafitów, badania ciekłokrystaliczności, badania AFM oprócz tego w mniejszym stopniu TGA, UVVis, XPS Eksperckie przeszkolenie na AFM, praca również w innych projektach wymagających tego typu badań.

5 5. Obserwacja samoorganizacji nanocząstek in-situ [PROJEKT ZAAWANSOWANY] Dlaczego obserwacja in-situ samoorganizacji nanocząstek? Samoorganizacja nanocząstek może prowadzić do uzyskania materiałów o potencjalnych zastosowaniach w szeregu różnych aplikacjach, których nawet nie sposób ich tu wymienić. Ale jak ona zachodzi? Co się dzieje podczas odparowywania rozpuszczalnika? Na te pytania do tej pory odpowiadaliśmy używając badań rentgenowskich, modelowania, UV-Vis oraz innych pośrednich metod. Od niedawna można ten proces śledzić wewnątrz mikroskopów elektronowych, czyli wreszcie zobaczyć go na własne oczy! Dzięki temu zbieramy nowe informacje przydatne w projektowaniu nowych materiałów. Badania takie prowadzone są za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Ale jest to szalenie drogie i ma ograniczenia związane z mikrokanalikami, w których obserwujemy proces samoorganizacji. Odkryliśmy, że można ten proces obserwować wydajnie również z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego. Co więcej, nie tylko możemy obserwować, ale i sterować tym procesem! Opanowanie tej techniki pozwoliłoby nam np. na budowę nanoobwodów zbudowanych z nanocząstek Synteza nanoprętów złota, obserwacje in-situ samoorganizacji z użyciem SEM tworzenia struktur jak na zdjęciach poniżej. Projekt niezwykle rozwojowy, zakłada samodzielne badania SEM w Poznaniu (raz w miesiącu przez kilka dni), unikatowa w skali światowej technika o bardzo dużym potencjale publikacyjnym.