Atomistic Quantum Simulations of Materials

Devices for organic electronics and photonics, such as LEDs or solar cells, contain molecules whose key feature is an energy band gap (BG), similar to that in traditional semiconductors (e.g. silicon). For practical applications, the width of the BG is particularly important, as well as whether there are any energy levels within it, which may appear, for example, as a result of defects. These characteristics of the BG are closely related to the optical and electronic properties of materials. In addition to experimental methods, atomistic computer simulations are useful tools for studying these properties. This is also one of the research areas pursued at our institute. The output of such calculations often includes information about the atomic structure, as illustrated in Fig. 1, which specifically shows the PFO-DBT comonomer. We apply these computational approaches in cooperation with the Institute of Physics of the Slovak Academy of Sciences in Bratislava, where a unique method for measuring the density of electronic states of organic materials with a band gap has been developed. Our research using computer modelling helps to better understand the measured results, particularly through comparisons of calculated data with experimental results [1].

The second line of research being developed is cooperation with the Slovak Academy of Sciences and with international colleagues in Japan, China, and the United Kingdom. Within this collaboration, we investigate unique surface properties of rutile (TiO2) and its interactions. Our international partners carried out research using state-of-the-art KPFM instruments, which combine the capabilities of several microscopy techniques: atomic force microscopy (AFM), scanning tunnelling microscopy (STM), and surface electrostatic potential mapping. These instruments enabled, for example, manipulation of charge states of individual oxygen or gold atoms on the rutile surface (Fig. 2). The group at the Slovak Academy of Sciences and our institute both provide support for experimental results through calculations, simulations, and interpretation of measured data [2].

Fig. 1
Fig. 2

References
[1] Katarína Gmucová, Martin Konôpka, Karol Vegso, Peter Bokes, Vojtech Nádaždy, Tomáš Váry: Correlation between Molecular Stereostructure, Film Microstructure, and Electronic Structure of Polyfluorene and Fluorene-Based Alternating Copolymers F8BT and PFO−DBT, J. Phys. Chem. C 125, 8045 (2021),
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c10725
[2] Yuuki Adachi, Ján Brndiar, Martin Konôpka, Robert Turanský, Qiang Zhu, Huan Fei Wen, Yasuhiro Sugawara, Lev Kantorovich, Ivan Štich, Yan Jun Li: Tip-activated single-atom catalysis: CO oxidation on Au adatom on oxidized rutile TiO2 surface, Science Advances 9, eadi4799 (2023), https://doi.org/10.1126/sciadv.adi4799

Čítať viac

Spektroskopická elipsometria tenkých vrstiev a fotonických pokrytí

Jedna z najkomplexnejších meracích metód, ktorou možno merať hrúbky tenkých vrstiev, ale aj ich fyzikálne vlastnosti je spektroskopická elipsometria. Dokáže analyzovať anorganické aj organické vrstvy od jedného nanometra až po desiatky mikrometrov. Takéto štruktúry predstavujú základ technológie výroby mikro a nanoelektronických súčiastok. Aj keď je elipsometria pomerne stará metóda, postupne sa buduje od konca 19. storočia, má nenahraditeľné miesto vďaka neinváznemu charakteru, meraniu bez potreby referenčnej vzorky, ale najmä vďaka účinným metódam spracovania experimentálnych dát a vyhodnotenia množstva fyzikálnych parametrov materiálov.

V článku v časopise Optik sme analyzovali nesúvislú vrstvu gáliovo nitridových nanodrôtikov. Navrhli sme elipsometrický model takejto štruktúry a porovnali sme ho so záznamami zo skenovacieho elektrónového mikroskopu. Správne navrhnutý model možno neskôr použiť pri optimalizácii výroby podobných nanoštruktúr.

Viac v článku:

ŠKRINIAROVÁ, Jaroslava – HRONEC, Pavol – CHLPÍK, Juraj – LAURENČÍKOVÁ, Agáta – KOVÁČ, Jaroslav jr. – NOVÁK, Jozef – ANDOK, Robert. Investigation of volume fraction of GaP nanowires by SEM characterization and spectroscopic ellipsometry. In Optik. Vol. 234, (2021), art. no. 166572 [6] s. ISSN 0030-4026

Vrstva GaN nanodrôtikov na GaN substráte.
Elipsometrické meranie a vyhodnotenie vrstvy GaN nanodrôtikov.

Čítať viac

Pozitrónová annihilačná spektroskopia ako nástroj na sledovanie zmien vlastností materálov vplyvom externých faktorov

Pozitrónová anihilačná spektroskopia (PAS) je známa svojou vysokou citlivosťou na defekty vakančného typu a mono-vakancie v koncentráciach už od 0.1 appm. Medzi najrozšírenejšie techniky PAS patria meranie doby života pozitrónov (PALS) a sledovanie Dopplerovho rozšírenia anihilačnej čiary (DBS). Technika PALS je založená na implantácii pozitrónov z pozitrónového zdroja do vzorky a monitorovaní času, ktorý uplynie od tejto implantácie po anihiláciu pozitrónu s elektrónom. Tento čas, tzv. doba života pozitrónov závisí od typu, veľkosti a koncentrácie mriežkových defektov. Pomocou PALS možno kvantifikovať a kvalifikovať aj najmenšie objemové defekty, na ktoré nie sú citlivé iné techniky vrátane elektrónovej mikroskopie. Konvenčná metóda PALS využívajúca rádioizotopové pozitrónové zdroje sa dlhodobo úspešne využíva napríklad v programoch overovacích vzoriek jadrových reaktorov na posúdenie radiačného krehnutia. Techniky na báze pomalých pozitrónových zväzkov, na druhej strane, umožňujú vyšetrovanie veľmi tenkých povrchových vrstiev poškodených napríklad iónovou implantáciou alebo expozíciou korozívnemu prostrediu.

(Koincidenčné) sledovanie Dopplerovho rozšírenia anihilačnej čiary (C)DBS; poskytuje unikátne informácie o hybnosti elektrón-pozitrónového páru pred procesom ich anihilácie. Na základe vybraných parametrov W a S je možné stanoviť podiel anihilácií na voľných i viazaných elektrónoch, čím získame dodatočné informácie o koncentráciách defektov vakančného typu ako aj o chemickom prostredí v okolí miesta anihilácie.

Literatúra:

KRŠJAK, Vladimír – SHEN, Tielong – DEGMOVÁ, Jarmila – SOJAK, Stanislav – KORPAS, Erik – NOGA, Pavol – EGGER, Werner – LI, Bingsheng – SLUGEŇ, Vladimír – GARNER, Frank A. On the helium bubble swelling in nano-oxide dispersion-strengthened steels. In Journal of Materials Science and Technology. Vol. 105, apríl (2022), s. 172-181. ISSN 1005-0302 (2022: 10.900 – IF, Q1 – JCR Best Q, 2.130 – SJR, Q1 – SJR Best Q). V databáze: DOI: 10.1016/j.jmst.2021.08.004 ; SCOPUS: 2-s2.0-85115816122 ; WOS: 000797467000008 ; CC: 000797467000008.
Typ výstupu: článok; Výstup: zahraničný; Kategória publikácie do 2021: ADC

DEGMOVÁ, Jarmila – SONG, Yamin – LI, Bingsheng – SOJAK, Stanislav – CAO, Xingzhong – NOVOTNÝ, Radek – NOVÁK, Michal – EGGER, Werner – KRŠJAK, Vladimír. A slow positron beam study of the oxidation behaviour of 310S stainless steel and alloy 800HT exposed to supercritical water. In The Journal of Supercritical Fluids. Vol. 202, (2023), Art. no. 106057 [16] s. ISSN 0896-8446 (2022: 3.900 – IF, Q2 – JCR Best Q). V databáze: SCOPUS: 2-s2.0-85168596868 ; WOS: 001066683800001 ; CC: 001066683800001 ; DOI: 10.1016/j.supflu.2023.106057.
Typ výstupu: článok; Výstup: zahraničný; Kategória publikácie do 2021: ADC

KRŠJAK, Vladimír – SOJAK, Stanislav – PETRISKA, Martin – STRÍBRNSKÝ, Branislav – HINCA, Róbert – HÚSKA, Matúš – SLUGEŇ, Vladimír – KOLLURI, Murthy – MARTIN, Oliver – DEGMOVÁ, Jarmila. Positron annihilation study of the reactor pressure vessel model steels irradiated in the high flux reactor. In Journal of Nuclear Materials. Vol. 584, (2023), Art. no. 154563 [11] s. ISSN 0022-3115 (2022: 3.100 – IF, Q1 – JCR Best Q, 1.002 – SJR, Q1 – SJR Best Q). V databáze: DOI: 10.1016/j.jnucmat.2023.154563 ; WOS: 001024839800001 ; CC: 001024839800001 ; SCOPUS: 2-s2.0-85162175812.
Typ výstupu: článok; Výstup: zahraničný; Kategória publikácie do 2021: ADC

SLUGEŇ, Vladimír – ŠIMEG VETERNÍKOVÁ, Jana – DEGMOVÁ, Jarmila – SOJAK, Stanislav – PETRISKA, Martin – NOGA, Pavol – KRŠJAK, Vladimír. Positron annihilation studies of Eurofer97/ODS steels after helium ion implantation. In Nuclear Materials and Energy. Vol. 34, (2023), Art. no. 101369 [10] s. ISSN 2352-1791 (2022: 2.600 – IF, Q1 – JCR Best Q, 1.184 – SJR, Q1 – SJR Best Q). V databáze: DOI: 10.1016/j.nme.2023.101369 ; WOS: 000990088500001 ; CC: 000990088500001 ; SCOPUS: 2-s2.0-85146714737.
Typ výstupu: článok; Výstup: zahraničný; Kategória publikácie do 2021: ADC

Čítať viac

Detektory latentných stôp v pevnej fáze

Detektory latentných stôp v pevnej fáze (SSNTD, z ang. solid-state nuclear track detector) slúžia na pasívnu detekciu ionizujúceho žiarenia. SSNTD sú vhodné pre detekciu ťažkých nabitých častíc, ako sú protóny, alfa častice a ďalšie, prípadne pre detekciu rýchlych neutrónov. Ako materiál detektora môžu byť využité minerály, sklo alebo plasty, v súčasnosti je najviac využívaným materiálom polymér poly-allyl diglykol carbonate (PADC), známy aj pod obchodnou značkou CR-39. Tento materiál je vďaka vysokému obsahu atómov vodíka vhodný mimo iné aj na detekciu rýchlych neutrónov. Princíp fungovania je založený na odovzdávaní energie dopadajúcej častice materiálu detektora. Ťažká nabitá častica pri dopade na povrch detektora spôsobuje zmeny v štruktúre materiálu pozdĺž svojej dráhy a vzniká tzv. latentná stopa o veľkosti v ráde nanometrov. Následne je stopa zväčšená chemickým leptaním na veľkosť v ráde desiatok mikrometrov. Vyleptané stopy a ich počet je možné pozorovať pod optickým mikroskopom. Medzi výhody PADC detektorov patrí napríklad kompaktnosť, možnosť dlhodobého merania (aj niekoľko mesiacov), lineárna odozva pri meraní rýchlych neutrónov a nízka cena. SSNTD z PADC materiálu sú celosvetovo využívané na meranie koncentrácie radónu, vďaka možnosti dlhodobého zhromažďovania signálu od alfa žiarenia. Ďalej sú tieto detektory využívané v osobnej dozimetrii, alebo napríklad pri určovaní parametrov zväzkov častíc pre rádiobiologické účely. Naša skupina využíva PADC detektory typu TASTRAK, v spojení so systémom na leptanie a analýzu od výrobcu Track Analysis Systems Ltd. [1]. Systém pozostáva z termostatickej leptacej vane, sady držiakov z nerezovej ocele, a mikroskopu, prepojeného cez CCD kameru k počítaču so softvérom TASLImage, ktorý slúži k vyhodnocovaniu meraného signálu. Prvé experimenty našej skupiny boli zamerané na overenie vlastností detektorov TASTRAK pri meraní rýchlych neutrónov z PuBe neutrónového zdroja [2], na overenie vplyvov prostredia na odozvu systému, alebo na skúmanie parametrov leptania. V súčasnosti sa venujeme mimo iného meraniu priestorového rozloženia rýchlych neutrónov v okolí neutrónových zdrojov, alebo overeniu odozvy pri použití rôznych radiátorov (napr. PE) a degradérov (napr. hliník). Naša skupina sa tiež zapojila do experimentov, zameraných na zlepšovanie kvality PADC materiálu, v rámci združenia EURADOS. Ďalšou oblasťou, ktorej sa naša skupina venuje, je meranie koncentrácie radónu. Prebiehajú aj kalibračné merania v radónovej komore v spolupráci so slovenským metrologickým ústavom [3].

Obrázok 1: Povrch detektora TASTRAK po meraní rýchlych neutrónov zo zdroja neutrónov PuBe (vľavo) a mikroskop pripojený CCD kamerou k PC s vyhodnocovacím softvérom TASLImage (vpravo).

Literatúra

[1] TRACK ANALYSIS SYSTEMS LTD. [online]. [cit. 2023-11-29]. Dostupné na internete: https://www.tasl.co.uk/

[2] FILOVÁ, Vendula, Branislav VRBAN, Pavol BLAHUŠIAK, Jakub LÜLEY, Štefan ČERBA a Vladimír NEČAS. The acceptance testing of PADC detectors for fast neutron dosimetry using PuBe neutron source. Radiation Physics and Chemistry [online]. 2023, 212 [cit. 2024-1-22]. DOI: 10.1016/j.radphyschem.2023.111181. ISSN 0969806X.

[3] LÜLEY, J., V. FILOVA, P. BLAHUŠIAK, B. VRBAN, Š. ČERBA, I. BONKOVÁ a V. NEČAS. CR-39 detector-based Radon dosimetry system calibration in the self-decay mode. The European Physical Journal Special Topics [online]. 2023, 232(10), 1493-1500 [cit. 2024-1-12]. DOI: 10.1140/epjs/s11734-023-00876-8. ISSN 1951-6355.

Čítať viac

Röntgenová fluorescenčná spektrometria

Röntgenová fluorescenčná spektrometria je jadrovo-fyzikálna metóda slúžiaca na kvantitatívnu a kvalitatívnu analýzu prvkového zloženia rôznych materiálov. Je založená na princípe röntgenovej fluorescencie, ktorá je definovaná ako emisia charakteristického žiarenia materiálom excitovaným vysokoenergetickým röntgenovým alebo gama žiarením. Výhodou metódy je jej rýchlosť, nedeštruktívnosť a žiadne, resp. minimálne nároky na úpravu vzorky, takže analýzu neznámej vzorky je možné vykonať aj v teréne. Vďaka týmto výhodám nachádza metóda röntgenovej fluorescenčnej spektrometrie široké uplatnenie v oblasti metalurgie, biológie, chémie, environmentalistiky, mineralógie, archeológie a mnohých ďalších. ÚJFI disponuje modulárnym zariadením od firmy AMPTEK, ktoré pozostáva z mini-röntgenového zdroja a zo spektrometra s Si-PIN polovodičovým detektorom. Analýza zaznamenaných röntgenofluorescenčných spektier s cieľom stanovenia presného prvkového zloženia skúmaného materiálu môže byť vykonaná rôznymi spôsobmi, či už s použitím referenčných materiálov alebo fyzikálnych modelov rôznej zložitosti. UJFI v spolupráci so študentami odboru Aplikovanej informatiky vyvíja vlastný softvérový produkt na analýzu spektier založený na metóde fundamentálnych parametrov.

Čítať viac

Laboratórium polovodičových detektorov

Laboratórium slúži na výskum a vývoj detektorov na báze perspektívnych polovodičových zlúčenín a na pedagogické účely. Pozostáva z automatizovaného meracieho zariadenia určeného na zisťovanie elektro-fyzikálnych parametrov detektorov meraním ich volt-ampérových charakteristík v rozsahu napätí 0,1 V až 1000 V a prúdov 1 fA až 20 mA.

Laboratórium je ďalej vybavené spektrometrickými trasami na zisťovanie spektrometrických vlastností polovodičových detektorov: digitálnou spektrometrickou trasou InSpector2000 a spektrometrickou trasou s PX5 digitálnym pulzným procesorom  s integrovaným zdrojom vysokého napätia a mnohokanálovým analyzátorom. Meraním alfa a gama spektier 241Am a 133Ba sa určujú spektrometrické vlastnosti polovodičových detektorov. Pre porovnávacie merania je k dispozícii CdTe polovodičový detektor. 

Laboratórium disponuje hybridným pixelovým (256´256 pixelov, a= 55mm) detektorom typu Timepix s FITPix rozhraním predstavujúcim digitálnu röntgenovú kameru tretej generácie umožňujúcu registráciu stôp ionizujúceho žiarenia ako aj röntgenové zobrazovanie. K tomu je k dispozícii olovená tieniaca komora s röntgenovou trubicou MAGNUM so striebornou anódou, maximálnym urýchľujúcim napätím 40 kV a s ohniskom 0,4 mm. Ďalším prírastkom je digitálna röntgenová kamera MiniPIX-TPX3 od firmy Advacam s pixelovým detektorom na báze Timepix3 vyčítavacieho čipu, ktorá je vyššou verziou hybridných detektorov Timepix vyvinutých Medipix kolaboráciou. Pre pedagogické účely sú k dispozícii dve Minipix EDU kamery s rôznou hrúbkou Si senzora.

Praktickým využitím polovodičového detektora je aparatúra röntgenovej fluorescenčnej analýzy – XRF kit, ktorá pozostáva zo spektrometra s citlivým polovodičovým Si-PIN detektorom a z mini-röntgenky, ktoré sú ovládané cez USB port notebookom. Zariadenie disponuje aj programom pre kvantitatívnu a kvalitatívnu analýzu röntgenofluorescenčných spektier. Doplnkovým zariadením laboratória je aj mikroskop s digitalizáciou obrazu slúžiaci na fotodokumentáciu vzoriek detektorov a osciloskopy pre sledovanie signálu z detektora.

Čítať viac