Materials Physics

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].

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

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

Čítať viac

Každá látka pohlcuje istý typ elektromagnetického žiarenia. Zložité molekuly organických polovodičov
absorbujú často vo viditeľnej časti spektra. Pohltený fotón spôsobí zvýšenie energie (excitáciu) látky,
ktorá sa po čase zbavuje prebytočnej energie opätovným vyžiarením fotónu, ale s nižšou frekvenciou.
Meranie spektra žiarenia látky spôsobeného optickou excitáciou sa nazýva fluorescenčná spektroskopia. To, aké svetlo látka pohltí a následne vyžiari veľa napovie o štruktúre samotných molekúl, ale aj o ich vzájomnom pôsobení. Pracujeme s farbivami v tekutých rozpúšťadlách, ale aj s tenkými vrstvami na pevnom substráte. Meriame tzv. excitačné a emisné spektrá v rozsahu od 250 nm do 900 nm. Dokážeme zisťovať aj dobu života vzbudeného stavu molekuly metódou korelovaného počítania fotónov v časovej doméne od 100 ps.

Skúmali sme napríklad súvis medzi prítomnosťou defektných stavov v zakázanom páse vrstvy P3HT
na ITO a poklesom intenzity prechodu S 0 – S 1 v emisnom spektre vzorky. P3HT je látka, ktorá sa
študovala najmä v minulom desaťročí. Naše zistenie však umožňuje ďalší základný výskum podobných molekúl, ktoré majú potenciál využitia v modernej organickej mirkoelektronike a elektroenergetike.

Viac v článku:

KOTOROVÁ, Soňa – VÁRY, Tomáš – CHLPÍK, Juraj – TOUŠEK, Jiří – TOUŠKOVÁ, Jana – RUTSCH, Radka – VÉGSÖ, Karol – ŠIFFALOVIČ, Peter – NÁDAŽDY, Vojtech – MAJKOVÁ, Eva – CIRÁK, Július. The influence of surface roughness on the presence of polymorphs and defect states in P3HT layers. In Applied Surface Science. Vol. 573, (2022), Art. no. 151539 [7] s. ISSN 0169-4332

Čítať viac

Röntgenová difrakcia je metóda, ktorá hrá kľúčovú úlohu pri štúdiu štruktúry materiálov na mikroskopickej úrovni. Technika je založená na princípe prenikania röntgenového žiarenia hmotou, ktoré prejde cez materiál a je rozptýlené na atómových rovinách skúmaného materiálu. Difraktovaný röntgenový lúč obsahuje informácie o vzdialenostiach medzi atómami v kryštáli, ako aj o ich usporiadaní. Laboratórium RTG difrakcie je vybavené RTG difraktometrom D8 Advance s vysokým rozlíšením, ktorý môže byť konfigurovaný pre všetky RTG práškové aplikácie, vrátane fázovej identifikácie, kvantitatívnej fázovej analýzy a analýzy kryštálovej štruktúry, zvyškového pnutia a vyšetrovania textúr, RTG reflektometrie a mikrodifrakcie. Zariadenie umožňuje merania Bragg-Brentanovou geometriou ako aj geometriou paralelného lúča, pričom prepínanie medzi týmito geometriami je plne motorizované (softvérovo ovládané). Difraktometer umožňuje merania pri dvoch vlnových dĺžkach v závislosti od typu RTG lampy. K dispozícii je Cu a Co lampa.

Medzi hlavné oblasti výskumu patrí:

• skúmanie kryštalickej štruktúry polovodičov, ktoré môže a pomôcť pri vývoji nových materiálov s lepšími elektrickými vlastnosťami.
• kontrola kvality materiálov, ako napr. kovy, polyméry a keramika používaných pri výrobe elektronických zariadení.
• výskum materiálov pre elektrochemické zariadenia, ako sú batérie, solárne a palivové články.

Viac v článku:

DOBROČKA, Edmund – NOVÁK, Patrik – BÚC, Dalibor – HARMATHA, Ladislav – MURÍN, Justín. X-ray diffraction analysis of residual stresses in textured ZnO thin films. In Applied Surface Science. Vol. 395, (2017), s. 16-23. ISSN 0169-4332 (2017: 4.439 – IF, Q1 – JCR Best Q, 1.093 – SJR, Q1 – SJR Best Q). V databáze: CC: 000390428300004.

Čítať viac