Denumirea Programului Nucleu: Cercetări avansate de laseri – plasmă – radiaţie – spaţiu

Acronim: LAPLAS V
Contractul nr.: 3N/2018
Denumirea obiectivului: „Cercetări avansate folosind laseri, plasmă şi radiaţii destinate domeniilor de specializare inteligentă şi de interes public”

Cercetări aplicative cu laseri, plasmă şi radiatii destinate dezvoltării de tehnologii noi
şi emergente, materiale şi dispozitive avansate


Codul proiectului: PN 18 13 01 01
Director de proiect: Dr. TISEANU Ion

1. Obiectivul proiectului:
Obiectivul principal al proiectului constă în creşterea recunoaşterii naţionale şi internaţionale a capabilităţii Institutului pentru inovare şi transfer tehnologic prin extinderea activităţilor CDI existente şi abordarea de tematici noi în următoarele domenii de specializare inteligentă:

• OG1. Materiale şi tehnologii pentru dezvoltarea de forme de energie noi și regenerabile
• OG2. Tehnologii noi şi emergente, metode şi dispozitive/instrumente avansate
• OG3. Materiale avansate pentru senzori de înaltă precizie

În cadrul tematicii generale „OG1: Materiale și tehnologii pentru dezvoltarea de forme de energie noi și regenerabile” sunt vizate următoarele obiective specifice:

• OS 1.1 Efectul incluziunilor gazoase de He în structuri compozite de interes pentru fuziunea nucleară cu conţinut de W obţinute prin HiPIMS/DCMS
• OS 1.2 Obţinerea și caracterizarea straturilor de WN utilizând metoda CMSII
• OS1.3 Realizarea și caracterizarea fotoelectrozilor de SnO₂ nanostructurat depuși prin doctor blade în vederea dezvoltării de tehnologii emergente pentru energie
• OS 1.4 Structuri fotovoltaice de tip Grätzel ce au drept componentă acoperiri pe bază de TiO₂

Aspectele care ţin de domeniul „OG2. Tehnologii noi și emergente, metode și dispozitive/instrumente avansate” vor fi abordate în cadrul următoarelor direcţii:

• OS 2.1 Producerea și funcţionalizarea materialelor prin tehnologii emergente cu plasmă
• OS 2.2 Tun coaxial cu plasmă pulsată pentru propulsie în spaţiu
• OS 2.3 Imprimare 3D de proteze prin depunerea directă cu laserul
• OS 2.4 Dezvoltarea unui sistem de metrologie industrială prin tomografie de raze X
• OS 2.5 Laseri cu corp solid cu mai multe fascicule pentru diferite aplicaţii industriale

Domeniul „OG3: Materiale avansate pentru senzori de înaltă precizie” este reprezentat de studii privind:

• OS 3.1 Sinteza de straturi subţiri de noi materiale avansate bazate pe perovskiti ecologici BCTZ şi BFO dopaţi cu pământuri rare (Pr³⁺, Eu³⁺, Gd³⁺ sau Dy³⁺) şi determinarea proprietăţilor funcţionale optice, electrice şi fotocatalitice ale acestora
• OS 3.2 Studii şi experimente preliminare pentru dezvoltarea unui model experimental de detector cu fotodiodă în avalansă
• OS 3.3 Nanostructuri obţinute prin metode laser formate prin auto-corelare, cu răspuns optic neliniar.

Principalele teme abordate în proiect au corespondenţă în obiectivele ştiinţifice strategice şi direcţiile de cercetare din Planul de Dezvoltare Instituţională pe perioada 2015-2020. În proiect ne propunem şi abordarea unor tematici noi precum: acoperiri dure, pentru funcţionare în condiţii extreme – acoperiri destinate interacţiilor cu plasmă ultrafierbinte din instalaţiile de fuziune; acoperiri destinate opticii care funcţionează în motoarele cu ardere internă, tomografie metrologică, sinteza şi procesarea de noi materiale cu proprietăţi fotocatalitice, senzoriale, celule fotosolare sau materiale pentru ecologizarea mediului. În general, tematicile abordate vor reprezenta direcţii de cercetare pentru următorii ani, cercetarea urmând să fie continuată în cadrul unor proiecte specifice ale planurilor naţionale şi europene.

2. Rezultate preconizate pentru atingerea obiectivului:
OG1. Materiale şi tehnologii pentru dezvoltarea de forme de energie noi și regenerabile

• OS 1.1 Elucidarea efectului incluziunilor gazoase de He în structuri compozite de interes pentru fuziunea nucleară cu conţinut de W obţinute prin HiPIMS/DCMS. Evaluarea modificărilor survenite la nivel morfo-structural asupra structurilor iradiate cu laseri de mare putere şi efectele acestor modificări aspura mecanismului de retenţie-desorbţie a He
• OS 1.2 Realizarea şi caracterizarea fotoelectrozilor de SnO₂ nanostructurat depuşi prin doctor blade în vederea dezvoltării de tehnologii emergente pentru energie. Obţinerea celulelor solare de tip DSSC plecând de la fotoelectrod de oxid de staniu (obţinut atât prin ablaţia laser cât şi din nanoparticule de SnO₂) precum şi determinarea performanţelor acestora;
• OS 1.3 Structuri fotovoltaice de tip Grätzel ce au drept componentă acoperiri pe bază de TiO₂. Identificarea și selecția de noi materiale cu potențial fotovoltaic ridicat. Obținerea de structuri fotovoltaice cu eficiență de conversie îmbunătățită. Obținerea unor structuri fotovoltaice cu durată medie de exploatare superioară celor deja existente.

OG2. Tehnologii noi şi emergente, metode şi dispozitive/instrumente avansate

• OS 2.1 Producerea şi caracterizarea straturilor de WN obţinute prin metoda CMSII (Pulverizare Magnetron combinată cu Implantarea Ionică).
• OS 2.2 Tun coaxial cu plasmă pulsată pentru propulsie în spaţiu. Optimizarea tunului coaxial (thruster-ului) pentru aplicaţii spaţiale. Studiu comparativ al folosirii diverselor gaze de propulsie (Ar, He, Xe).
• OS 2.3 Imprimare 3D de proteze prin depunerea directă cu laserul. Proteze cu design-uri variate obţinute prin tehnologia de imprimare LMD. Straturi milimetrice/submilimetrice de W. Marcaje laser în relief de logo-uri, litere, imagini/figuri.
• OS 2.4 Dezvoltarea unui sistem de metrologie industrială prin tomografie de raze X. Elaborarea unei proceduri complete (experimentală şi post-procesare) de tomografie computerizată pentru măsurări dimensionale de înaltă precizie. Validarea sistemului de metrologie prin tomografie prin intercomparare cu metode metrologice convenţionale: CMM şi/sau scanare laser. Elaborare de metodologii de prototipare rapidă pe baza modelului tomografic 3D al obiectului; Crearea premiselor autorizării metrologice a metodelor de măsurare coordonate prin tomografie de raze X.
• OS 2.5 Laseri cu corp solid cu mai multe fascicule pentru diferite aplicaţii industriale. Laseri cu mai multe fascicule în regim de generare liberă şi de comutare a factorului de calitate. Evaluarea posibilităţilor de utilizare în diferite aplicaţii: aprinderea amestecurilor de combustibili, laser ‘peening’.

OG3. Materiale avansate pentru senzori de înaltă precizie

• OS 3.1 Sinteza de straturi subţiri de noi materiale avansate bazate pe perovskiti ecologici BCTZ şi BFO dopaţi cu pământuri rare (Pr³⁺, Eu³⁺, Gd³⁺ sau Dy³⁺) şi determinarea proprietăţilor funcţionale optice, electrice şi fotocatalitice ale acestora. Se vor obţine filme subţiri cu proprietăţi predefinite de perovskiti ecologici BCTZ şi BFO dopaţi cu pământuri rare (Pr³⁺, Eu³⁺, Gd³⁺ sau Dy³⁺).
• OS 3.2 Studii şi experimente preliminare pentru dezvoltarea unui model experimental de detector cu fotodiodă în avalanşă. Se va realiza un dispozitiv prototip care să stea la baza unui produs comercial.
• OS 3.3 Nanostructuri obţinute prin metode laser formate prin auto-corelare, cu răspuns optic neliniar. Depunere prin PLD de materiale NC de tip NP metalice (Au) în matrice strat subţire oxid (Al₂O₃).

3. Schema de realizare a proiectului:

• Phase I
• Etapa a II-a
• Etapa a IV-a

Phase I

Faza nr. 1

Responsabil: Dr. C. Viespe

Termen de predare: 15.04.2018

Title: „Realizarea şi caracterizarea fotoelectrozilor de SnO₂ nanostructurat depuşi prin doctor blade în vederea dezvoltării de tehnologii emergente pentru energie”

Rezumat: Faza îşi propune depunerea prin metoda doctor blade şi caracterizarea filmelor de SnO₂ în vederea dezvoltării de tehnologii emergente pentru energie. Obţinerea filmelor de SnO₂ cu satisfacerea cerinţelor unor fotoelectrozi în celulele solare cu colorant. Din investigarea filmelor, compoziţie, morfologie, optic, grosime, porozitate, vom optimiza astfel încât să fie compatibile cu fotoelectrozii dintr-o celulă solară de tip DSSC.
A fost realizat obiectivul fazei şi anume: depunerea, caracterizarea filmelor de oxid de staniu plecând de la nanoparticule de oxid de staniu prin metoda doctor blade; în final ca şi rezultate livrabile ale fazei au fost asamblate şi măsurate celule solare sensibilizate cu colorant atât folosind fotoelectrozi depuşi prin metoda doctor blade cât şi prin ablaţie laser la două lungimi de undă în ultraviolet şi vizibil. Din imaginile de microscopie electronică s-a obţinut că dimensiunea particulelor a fost între câţiva zeci de nm şi câţiva microni. În ce priveşte grosimea filmelor depuse prin metoda doctor blade, a crescut cu creşterea numărului de straturi, de la 1,12 la 1,85 µm. Cea mai bună transmisie a fost obţinută pentru filmele depuse cu un singur strat de SnO₂. Au fost realizate trei tipuri de celule solare: doctor blade, ablaţie laser/355 nm şi 532 nm şi s-a dovedit faptul că oxidul de staniu este un material semiconductor ce poate fi folosit ca fotoelectrod într-o celulă solară de tip DSSC. Putem spune că răspunsul celulei depinde de mai mulţi factori precum: grosimea stratului, porozitatea filmului, întrucât aceasta are legatură directă cu cantitatea de colorant absorbită şi implicit cu randamentul celulei. Pe de altă parte, în cazul filmelor depuse prin ablaţie se poate spune în plus că răspunsul celulei depinde şi de presiunea de oxigen din camera în care au fost depuse filmele. Cel mai bun răspuns al celulelor în cazul filmelor depuse prin metoda doctor blade a fost în cazul în care fotoelectrodul a fost depus în două straturi.
În cazul filmelor depuse prin ablaţie laser atât la 355 nm cât şi la 532 nm, cel mai bun răspuns al celulelor a fost în cazul filmelor depuse la presiunea oxigenului de 450 mTorr. Acest lucru se explică prin faptul că la presiune mică, filmul este mult mai compact şi nu poate absorbi eficient colorantul, iar în cealaltă situaţie la presiune mare (900 mTorr) filmul este foarte poros şi particulele nu mai sunt aşa bine interconectate între ele. În concluzie, dioxidul de staniu s-a dovedit a fi un material ce poate fi folosit în dezvoltarea de tehnologii emergente pentru energie.

Faza nr. 2

Responsabil: Dr. S. Simion

Termen de predare: 15.04.2018

Title: „Studii şi experimente preliminare pentru dezvoltarea unui model experimental de detector cu fotodiodă în avalanşă”

Rezumat: Studiul realizat în această etapă a proiectului și-a atins obiectivul realizând punctual următorii indicatori:
– A realizat o aprofundare a domeniului detectorilor cu fotodiodă cu avalanșă permițând crearea unei imagini clare a dificultăților de dezvoltare de astfel de dispozitive;
– A identificat limitele tehnologice, direcțiile de dezvoltare și nevoile actuale pentru acest tip de foto-detectori;
– A permis stabilirea în detaliu a următoarelor activități în cadrul proiectului.
Legat de obiectivul general al proiecului (acela de realizare a unui model experimental de senzor cu fotodiodă cu avalanșă), studiul a identificat necesitatea realizării unei platforme care să permită caracterizarea senzorilor comerciali, măsurarea și compararea parametrilor fotodiodelor cu avalanșă produse de diverși producători (First Sensor, Excelitas Technologies, Hamamatsu, Laser Components, etc.). Aceeași platformă va putea fi folosită apoi la dezvoltarea propriu-zisă a modelului experimental pentru senzor cu fotodiodă cu avalanșă.

Faza nr. 3

Responsabil: Dr. E. Grigore

Termen de predare: 15.06.2018

Title: „Obţinerea şi caracterizarea straturilor de WN utilizând metoda CMSII”

Rezumat: În actuala etapă au fost derulate cercetări privind studiul sintezei şi analizei proprietătilor straturilor din sistemul W-N. Straturile au fost depuse prin metoda CMSII (Combined Magnetron Sputtering and Ion Implantation – Pulverizare magnetron combinată cu implantarea ionică). Analiza straturilor obţinute s-a făcut în scopul stabilirii corelaţiilor între structura-compoziţie şi proprietăţi. Studiul s-a focalizat pe stabilirea corelaţiilor care există între compoziţia chimică (procentul de azot) şi proprietăţile mecanice ale straturilor. Cercetările au evidenţiat faptul că pentru straturile obţinute microduritatea creşte odată cu conţinutul de azot atingând o valoare de 2229 HV0.05 pentru un conţinut de azot de 2.5 at.%. Aceeaşi evoluţie în funcţie de conţinutul de azot a fost observată şi în ceea ce priveşte coeficientul de frecare al straturilor, în schimb uzura specifică a înregistrat valoarea minimă la un conţinut de azot de 1.25 at.%.

Faza nr. 4

Responsabil: Dr. C. Ticos

Termen de predare: 15.06.2018

Title: „Tun coaxial cu plasmă pulsată pentru propulsie în spaţiu”

Rezumat: În această fază explorăm experimental potenţialul unui tun coaxial cu plasmă (plasma coaxial gun) cu geometrie cilindrică de a fi folosit în propulsia spaţială. Tunul este alcătuit din 2 electrozi din tungsten (lungime ~10 cm, diametrul exterior ~3 cm) alimentat de o baterie de condensatori încărcaţi la maximum 2 kV. Tunul coaxial funcţionează în regim pulsat cu durata pulsurilor de plasmă de ~400 microsecunde, la un curent de vârf pe puls de 13 kA. Plasma de argon expulzată la o viteză de ~3 km/s are o densitate de ~10²¹ particule/m³ măsurată cu o sondă triplă. Forţa jetului de plasmă (în Newtoni) este măsurată prin devierea unui pendul balistic poziţionat la gura tunului şi depinde de tensiunea de operare precum şi de presiunea gazului: de la ~1 N până la ~45 N. Comparat cu alte sisteme de propulsie electrică tunul coaxial cu plasmă dezvoltă forţe mult superioare, de ordinul a 1N şi până la 100 N faţă de un propulsor de tip Hall (Hall thruster) utilizat pe sateliţi care produce doar câţiva mN. Tunul coaxial cu plasmă este intens studiat pe plan internaţional şi este propus pentru utilizarea în viitoarele misiuni spaţiale interplanetare.

Faza nr. 5

Responsabil: Dr. A Popescu

Termen de predare: 15.06.2018

Title: „Imprimare 3D de proteze prin depunerea directă cu laserul”

Rezumat: Prezentăm un studiu de realizare de proteze metalice din Ti gr. 5 pentru tibie, prin metoda de imprimare 3D „Depunere Laser prin Topire”. Această tehnică utilizează o pulbere metalică drept precursor, care este suflată printr-o duză într-un spot laser care o topeşte. Duza şi spotul laser sunt deplasate concomitent de un braţ robotic, trasându-se astfel linii de material depus. Prin repetarea traseelor, se poate crea o formă 3D. Implanturile şi protezele ortopedice sunt dispozitive care se pretează excelent pentru imprimare 3D, pentru că necesită personalizare în funcţie de dimensiunile fracturilor, iar producţia în serie nu poate acoperi gama largă de nevoi ale pacienţilor. În această expunere vom discuta paşii tehnologici pentru creşterea rezoluţiei de imprimare şi producerea implanturilor, precum şi rezultatele testelor fizico-chimice pe materialul depus prin imprimare LMD.

Etapa a II-a

Faza nr. 6

Responsabil: Dr. M. Măgureanu

Termen de predare: 15.09.2018

Title: „Modificarea materialelor catalitice prin expunere la plasmă netermică”

Obiectivul fazei: Îmbunătăţirea activităţii catalitice a unor materiale în urma tratării în plasmă netermică.

Rezumat: Experimentele efectuate evidenţiază o creştere remarcabilă a activităţii catalitice a grafenelor ca urmare a modificării acestora în plasma de hidrogen generată într-o descărcare luminescentă. A fost investigată corelaţia între activitatea catalitică în reacţia de hidrogenare a alchenelor şi condiţiile de tratare în plasmă, mai precis durata de expunere şi tensiunea aplicată / puterea disipată.

Faza nr. 7

Responsabil: Dr. F. Gherendi/ Dr. M. Nistor

Termen de predare: 15.09.2018

Title: „Investigarea proprietăţilor electrice ale filmelor subţiri conductoare”

Obiectivul fazei: Investigarea proprietăţilor electrice ale filmelor subţiri conductoare de oxizi depuse prin metoda de ablaţie cu fascicul pulsat de electroni.

Rezumat: S-au investigat proprietăţile electrice ale filmelor subţiri conductoare de oxizi depuse prin metoda de ablaţie cu fascicul pulsat de electroni prin măsurări de efect Hall la temperatura camerei, corelate cu măsurări de stoichiometrie şi difracţie de raze X. S-au optimizat proprietăţile electrice ale filmelor subţiri depuse pe substraturi monocristaline în funcţie de presiunea de lucru în oxigen şi temperatura substratului. S-a evidenţiat o schimbare drastică a proprietăţilor electrice în funcţie de condiţiile de depunere, de la un comportament metalic la temperatura camerei la un comportament semiconductor, această particularitate fiind datorată metodei de depunere.

Faza nr. 8

Responsabil: Dr. N. Pavel

Termen de predare: 15.11.2018

Title: „Laseri cu corp solid cu mai multe fascicule pentru diferite aplicaţii industriale”

Obiectivul fazei: Realizarea unui laser cu corp solid cu mai multe fascicule, care ar putea fi utilizat în studii de aprindere a amestecurilor cu conţinut redus de combustibil.

Rezumat: A fost proiectat şi realizat experimental un laser Nd:YAG cu mai multe fascicule, fiecare fascicul având caracteristici ale pulsului laser (energie şi durată) suficiente pentru a obţine fenomenul de “air breakdown” (de spargere a aerului) prin focalizarea cu lentile cu lungimea focală de ordinul a 10 mm. A fost obţinută emisie laser de un dispozitiv miniatural Nd:YAG de tip ghid de undă cu funcţionare în regim de comutare a factorului de calitate, folosind cristal Cr⁴⁺:YAG cu absorbţie saturabilă.

Diseminare
a) Articol publicat:
G. Croitoru (Salamu) and N. Pavel, “Passive Q-Switching by Cr⁴⁺:YAG Saturable Absorber of Buried Depressed-Cladding Waveguides Obtained in Nd-Doped Media by Femtosecond Laser Beam Writing”, Materials 11(9), 1689 (2018).
b) Prezentari la conferinte internationale:
1. N. Pavel, O. V. Grigore, G. Croitoru, and M. Dinca, “A high-peak power passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG compact laser with multiple-beam output”, The 6th Laser Ignition Conference, 23-27 April 2018, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan, paper LICp6-1.
2. N. Pavel, G. Croitoru, O. V. Grigore, M. Dinca, T. Dascalu, “Laser ignition – A review of laser spark plug development and achievements on engine ignition,” Joint International Student Conference on Photonics & Modern Laser Application Conference 2018, ISCP-INDLAS 2018, September 3-7, 2018, Alba-Iulia, Romania; Book of abstracts ISBN 978-606-16-1001-3; pages 19-21.
3. G. Croitoru and N. Pavel, “Passive Q-switch by Cr⁴⁺:YAG saturable absorber laser operation of circular, buried depressed-cladding waveguides inscribed by fs-laser beam in Nd:YAG and Nd:YVO₄”, 8th EPS-QEOD EUROPHOTON CONFERENCE, Solid State, Fibre, and Waveguide Coherent Light Sources, 02-07 September, 2018, Barcelona, Spain; Europhysics Conference Abstracts Volume 42C, ISBN 979-10-96389-10-0; paper WeP.16.

Faza nr. 9

Responsabil: Dr. D. Miu

Termen de predare: 15.11.2018

Title: „Nanostructuri obţinute prin metode laser formate prin auto-corelare, cu răspuns optic neliniar”

Obiectivul fazei: Obţinerea de nanostructuri prin metode laser, formate prin auto-corelare, cu răspuns optic neliniar. Nanostructurile de tip nanocompozite se obţin prin PLD sub formă de NP (nanoparticule) metalice (Au) în matrice strat subţire oxid (Al₂O₃).

Rezumat: Au fost obţinute nanostructuri cu răspuns optic neliniar, care prezintă auto-corelare, prin metode laser. Nanostructurile de tip nanocompozite obţinute prin PLD au fost sub formă de NP metalice (Au) în matrice strat subţire oxid (Al₂O₃). Nanostructurile sunt alcătuite din NP sferice de Au de 1 – 4 nm înglobate în strat subţire de Al₂O₃. Au fost obţinute condiţiile de auto-corelare între NP metalice după direcţia predominant normală pe suprafaţa substratului, la succesiuni de NP despărţite de straturi subţiri de Al₂O₃.
Au fost determinate proprietăţle optic liniare ale NC. În spectrul absorbţiei liniare a probelor apare în maxim la circa 530 nm, în cazul probelor cu succesiuni de Al₂O₃ suficient de subţiri. Maximul rezonanţei plasmonilor este mai mare când straturile de NP sunt mai apropiate.
Au fost realizate măsurări ale proprietăţilor neliniare (absorbţie şi refracţie neliniară de ordin 3) cu ajutorul unui montaj de tip z-scan în montaj OA şi CA. Rezultatele se fitează relativ bine cu modelul Sheik-Bahae pentru toate probele care au maxim în absorbţia liniară. Din rezultatele măsurărilor în montaj OA şi fitare au rezultat coeficienţi de absorbţie neliniară β de ordinul 10^-6 m/W, iar din cele în montaj CA indici de refracţie neliniari de ordinul 10^-13 m²/W. Coeficienţii de absorbţie şi refracţie neliniari sunt mai mari la succesiuni de NP mai apropiate.

Faza nr. 10

Responsabil: Dr. C. Porosnicu

Termen de predare: 15.11.2018

Title: „Efectul incluziunilor gazoase de He în structuri compozite de interes pentru fuziunea nucleară cu conţinut de W obţinute prin HiPIMS/DCMS”

Obiectivul fazei: Studiul condiţiilor optime de depunere a filmelor subţiri cu conţinut de wolfram cu incluziuni de heliu prin pulverizare magnetron.

Rezumat: Au fost realizate structuri de wolfram cu incluziuni gazoase de heliu cu grosimea de 500 nm. Depunerile au fost realizate prin două metode de interes, pulverizare în regim continuu şi în regim HiPIMS. Un alt aspect ce trebuie menţionat este acela că substraturile folosite au fost încălzite atât la temperatura camerei cât şi la 100°C. Toate filmele subţiri obţinute au fost studiate din punct de vedere morfostructural, precum şi din perspectiva retenţiei-desorbţiei combustibilului nuclear. Rezultatele acestei faze au fost elucidarea efectului incluziunilor gazoase de He în structuri compozite de interes pentru fuziunea nucleară cu conţinut de W obţinute prin HiPIMS/DCMS şi evaluarea modificărilor survenite la nivel morfo-structural asupra structurilor iradiate cu laseri de mare putere şi efectele acestor modificări aspura mecanismului de retenţie-desorbţie a He.

Etapa a IV-a

Faza nr. 11

Responsabil: Dr. N. Scărişoreau

Termen de predare: 10.12.2018

Title: „Sinteza de straturi subţiri de noi materiale avansate bazate pe perovskiti ecologici BCTZ şi BFO dopaţi cu pământuri rare (Pr³⁺, Eu³⁺, Gd³⁺ sau Dy³⁺) şi determinarea proprietăţilor funcţionale optice, electrice şi fotocatalitice ale acestora”

Rezumat: În cadrul acestei faze au fost obţinute straturi subţiri de noi materiale avansate bazate pe perovskiti ecologici dopaţi cu pămanturi rare (Pr³⁺, Eu³⁺, Gd³⁺ sau Dy³⁺) şi au fost determinate proprietăţile funcţionale optice, electrice şi fotocatalitice ale acestora. Astfel, au fost efectuate următoarele:
– studiul proceselor fizico-chimice implicate în evoluţia proprietăţilor funcţionale optice, electrice şi fotocatalitice în urma inducerii controlate de constrangeri structurale prin dopaj cu elemente de pământuri rare şi tipul de substrat utilizat.
– integrarea straturilor subţiri în dispozitive de test senzoristice bazate pe cuplajul de proprietăţi funcţionale piezoelectric-luminiscentă.
Filmele subţiri de Eu:BFO au fost obţinute utilizând tehnica de depunere laser pulsată (PLD) plecând de la o ţintă ceramică de Eu:BFO, iradierea fiind făcută cu ajutorul unui laser excimer cu emisie la lungimea de undă 193 nm. Substraturile folosite au fost de asemenea oxizi perovskitici şi anume: SrTiO₃ (STO) şi SrTiO₃ dopat cu Nb (STON).
Analizele AFM şi PFM (piezoelectric force microscopy) confirmă ipoteza că introducerea dopantului europiu (Eu) contribuie la perturbarea cristalinităţii materialului depus. Acest lucru se traduce prin prezenta unor cristalite având dimensiuni relativ mici în raport cu cele ale materialului nedopat (BFO). Tehnica de catoduluminescenţă in situ FE-SEM (CL-SEM) a fost utilizată pentru verificarea proprietăţilor electronice, i.e. emisie fotonică prin excitare cu fascicol de electroni, precum şi a calităţii şi a modului de acoperire a substraturilor de către straturile subţiri de Eu:BFO depuse prin PLD în diferite condiţii experimentale, e.g. număr de pulsuri laser de iradiere ţintă, natura substratului.
Au fost testate în cazul reacţiei fotocatalitice de descompunere fotochimică a moleculei de apă în vederea producerii de hidrogen (H₂) şi oxigen (O₂). Pentru iradierea probelor, s-a folosit atât o dioda laser cu emisie la 404 nm având o putere de ~5.7mW, cât şi un monocromator cu filtre, având emisie pe un domeniu mai larg al spectrului 370-700nm. S-a urmărit, de asemenea, studiul comparativ al probelor de BFO şi BEFO, cât şi influenţa lungimii de undă şi puterea fluxului luminos asupra probelor iradiate. Rezultatele experimentale obţinute, confirmă rezultatele teoretice, eficienta filmelor subţiri ce conţin dopantul Eu³⁺ în structura sa este crescută, în comparatie cu oxidul pur de BFO.

Faza nr. 12

Responsabil: Dr. I. Tiseanu

Termen de predare: 10.12.2018

Title: „Dezvoltarea unui sistem de metrologie pentru industrie şi cercetare prin tomografie de raze X”

Rezumat: Tomografia de raze X 3D cantitativă este o metodă relativ nouă de măsurare a dimensiunilor, unghiurilor, formelor şi a abaterilor de la acestea.
În România nu există în prezent sisteme tomografice 3D autorizate să ofere măsurări dimensionale de precizie pentru o gamă diversă de materiale şi componente industriale. Cercetările privind realizarea unor astfel de sisteme sunt încă la început şi pe plan internaţional. Principiile utilizării tomografelor industriale la măsurări coordonate sunt marginal descrise în standardul internaţional ISO 15708-2. Recomandări mai avansate privind asigurarea calităţii în practicile de măsurări dimensionale prin tomografie 3D sunt prezentate în standardul german VDI/VDE 2630.
În această lucrare s-a realizat proiectarea şi construcţia unui sistem tomografic de mare rezoluţie spaţială şi cu mare putere de penetrare prin materiale şi componente relevante pentru cercetare şi industrie. Pentru controlul manipulatorului tomografic şi achiziţia de imagini de mare rezoluţie spaţială s-au realizat pachete de programe în mediul de programare LabView. De asemenea, s-au implementat pachete de programe comerciale şi proprietare pentru reconstrucţia tomografică.
Validarea conceptului de sistem tomografic cu performanţe metrologice s-a făcut prin intercompararea măsurărilor de dimensiuni, forme şi abateri de formă realizate prin tomografie 3D şi prin metode metrologice convenţionale (scanare optică şi triangulaţie) pe probe etalon. Probele etalon au fost concepute pentru evaluarea preciziei de măsură a sistemului tomografic în aplicaţii de microtomografie (voxel <3 µm) şi de tomografie pe probe industriale (voxel >10 µm). Măsurările de coordonate pe volumul reconstruit s-au realizat cu modulul de metrologie din pachetul de programe commercial VGSTUDIO MAX 3.2. Software-ul de reconstrucţie 3D şi analiză oferă posibilitatea de a compara automat dimensiuni cheie din cadrul proiectelor CAD ale probelor cu dimensiunile actuale ale obiectelor respective.
În această fază de realizare şi validare a metodei metrologice prin tomografie 3D s-au obţinut în mod consistent precizii de măsurare a dimensiunilor probelor etalon mai bune decât 1/5 de voxel, în bun accord cu predicţiile teoretice şi cu toleranţele nominale prezentate de producători de top.

Faza nr. 13

Responsabil: Dr. G. Socol

Termen de predare: 10.12.2018

Title: „Structuri fotovoltaice de tip Grätzel ce au drept componentă acoperiri pe bază de TiO₂„

Rezumat: Am sintetizat prin depunerea laser pulsată (PLD), în diferite atmosfere gazoase (O₂, N₂, Ar și He), patru loturi de acoperiri TiO₂ (TiO₂-O₂, TiO₂-N₂, TiO₂-Ar și respectiv TiO₂-He) cu rol de fotoanod în structura celulelor solare ce au colorantul drept sensibilizator (DSSC). Pentru fiecare lot au fost depuse două straturi de TiO₂ (unul subțire nanostructurat și unul mai dens) utilizând un laser cu excimer KrF* (λ= 248 nm și τ_FWHM = 10 ns) la o rată de repetiție de 10 și respectiv 40 Hz. Morfologia, topografia și structura cristalină a acoperirilor au fost analizate prin microscopie electronică de baleiaj (SEM), microscopie de forță atomică (AFM) și respectiv difracție de raze X (XRD). Din micrografiile SEM s-a putut observa că, în funcție de natura gazului ambiant din timpul depunerilor PLD, apar diferențe morfologice între probele studiate. Mai mult, rezultatele AFM sunt în concordanță cu cele de SEM. Evaluarea cristalografică a probelor de TiO₂ a evidențiat prezența unui amestec de faze anatas și rutil, cu cristalinitate scăzută. Studiile privind performanțele fotovoltaice au fost efectuate pentru a înțelege și evalua efectele bistratului TiO₂ (în urma interacției cu moleculele de colorant) asupra eficienței celulei.