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”
Micro şi nanostructuri din materiale avansate obţinute prin tehnologii cu laser,
plasmă şi fascicul de electroni
Codul proiectului: PN 18 13 01 02
Director de proiect: Dr. CRĂCIUN Valentin
1. Obiectivul proiectului:
Tematica abordată în cadrul acestui proiect este structurată în trei obiective principale:
- Obiectivul specific 1. Micro-fascicule laser, spectroscopie optică, nano şi microstructuri fotonice
- Obiectivul specific 2. Filme subţiri nanostructurate şi multistraturi
- Obiectivul specific 3. Fizică şi aplicaţiile microparticulelor şi nano-obiectelor
În fiecare obiectiv sunt cuprinse câteva proiecte de cercetare în care sunt angrenate colective multi şi interdisciplinare din INFLPR, pentru a rezolva cu succes problemele complexe abordate, care includ cunoștințe de fizică, chimie, biologie şi inginerie. Folosind metodele avansate de sinteză, procesare şi caracterizare existente în INFLPR, unice la nivelul României, se va urmări:
a) obținerea de structuri micronice şi nanometrice cu proprietăți optice, electronice, mecanice şi chimice noi pentru aplicații în fotonică, chimie, fizica microlaserilor şi micro-optofluidică
b) obținerea de filme subțiri, multistraturi şi materiale nanostructurate pentru înțelegerea rolului structurii, dimensionalităţii şi compoziției în determinarea proprietăților lor
c) obţinerea de microparticule şi nano-obiecte cu dimensionalitate şi compoziţie controlată şi proprietăţi funcţionale noi şi investigarea interacţiunii lor cu radiaţia laser, plasmă şi fascicule de electroni
d) caracterizarea optică, structurală şi compoziţională avansată a materialelor şi structurilor cu potenţial aplicativ în industrie
Obiective complementare ale acestui nou proiect propus sunt
a) menţinerea şi consolidarea rolului de lider ştiinţific naţional al INFLPR în fotonică, procesare laser-plasmă-electroni a nanomaterialelor şi a materialelor avansate
b) dezvoltarea competenţelor ştiinţifice şi tehnologice ale cercetătorilor din INFLPR
c) descoperirea de noi materiale utilizând tehnici de sinteză cu laseri-plasmă-electroni, dezvoltarea de metode de procesare avansate şi îmbunătăţirea tehnicilor de caracterizare cu aplicaţii în industriile de vârf
d) acordarea de asistenţă tehnică pentru sinteza şi procesarea avasantă şi de servicii ştiinţifice de caracterizare de înalt nivel în domenii prioritare ale industriei româneşti;
e) iniţierea şi dezvoltarea colaborărilor viabile cu IMM-uri participante în Clusterul Măgurele;
Echipele de lucru fiind semnificativ mai mari decât cele întâlnite uzual în cadrul altor proiecte finanţate (Idei, Parteneriate, TE, etc) permit integrarea şi colaborarea atât a cercetătorilor cu experienţă cât şi a tinerilor cercetători şi studenţi doctoranzi, cu efecte benefice asupra educării şi formării acestora din urmă. Se realizează astfel un transfer eficient de cunoştinţe şi bune practici de lucru de la cercetătorii cu experienţă către cei tineri, pregătindu-i pentru o viitoare carieră în cercetare sau industrii de vârf. Componenţa tânără a echipelor interdisciplinare de cercetare conduce la creşterea dinamismului, a entuziasmului, a abordărilor originale şi neconvenţionale, asigurând generarea unui flux de idei inovatoare. De asemenea, prin multitudinea de tematici complexe şi interdisciplinare abordate, care necesită echipe mixte, din mai multe colective şi laboratoare ale INFLPR programul are o componentă sinergetică majoră, care contribuie la dezvoltarea ştiinţifică a tuturor cercetătorilor din INFLPR.
2. Rezultate preconizate pentru atingerea obiectivului:
Ţinte propuse pentru spre îndeplinire în cadrul acestui proiect/program sunt:
a) Ţinte de performanţă ştiinţifică care vor fi atinse prin:
- creşterea cu 5% faţă de 2017 a numărului de articole în jurnale de specialiate, în special al celor cu factor de impact mare, situate în „zona roşie”;
- creşterea cu 5% faţă de 2017 a numărului de citări prin publicarea unor articole de interes pentru comunitatea ştiinţifică din domeniul proiectului/programului;
- creşterea cu 5% faţă de 2017 a numărului de brevete;
- creşterea cu 5% faţă de 2017 a numărului de cărti de specialiate şi a proceedingsurilor;
- obţinerea de două premii şi distincţii în urma cercetărilor pe direcţiile proiectului/programului;
- lansarea unui jurnal de specialitate editat de INFLPR;
- creşterea numărului de lucrări invitate la conferinţe internaţionale;
- creşterea numărului de conferinţe internaţionale organizate de cercetătorii din INFLPR.
b) Ţinte de eficientizare/îmbunătăţire a competitivităţii cercetătorilor în aria de cercetare a proiectului/programului care vor fi atinse prin:
- încurajarea şi stimularea sinergiilor inter-laboratoare şi interdisciplinare dintre grupuri de cercetare din cadrul INFLPR în aria tematică a proiectului/programului;
- încurajarea şi stimularea colaborărilor naţionale şi internaţionale;
- creşterea numărului de cercetători din INFLPR implicaţi în organizarea de conferinţe internaţionale în aria tematică a proiectului;
- utilizarea eficientă şi la nivel superior a infrastructurii de cercetare a INFLPR;
- îmbunătăţirea infrastructurii de cercetare de vârf a INFLPR;
- continuarea şi dezvoltarea unor teme de interes la nivel naţional şi european în domenii prioritare pentru populaţie;
- educarea şi formarea de tineri cercetători prin realizarea de lucrări de diplomă, masterat şi doctorat; specializarea lor în tematicile propuse în cadrul proiectului/programului; finalizarea a cel puţin o teză de doctorat în aria tematică a proiectului;
- creşterea recunoaşterii internaţionale, expertizei (know-how-lui) şi dobândirea de noi competenţe în domeniile propuse în proiect/program ce vor creşte şansele de succes la competiţiile de programe de cercetare şi inovare ale Uniunii Europene.
c) Ţinte financiare/economice ce vor fi atinse prin:
- asigurarea unei finanţări ce va permite un nivel decent de salarizare a cercetătorilor şi întreţinerea, consolidarea şi completarea infrastructurii de cercetare existente;
- găsirea unor soluţii tehnologice cu impact direct asupra standardului şi a calităţii vieţii populaţiei, ce conduc la creşterea PIB-ului;
- atragerea de fonduri pentru cercetare din colaborarea cu agenţi economici din ţară şi străinătate.
d) Ţinte de realizare a obiectivelor specifice ale proiectului ce vor fi îndeplinite prin:
- obţinerea de straturi subţiri, multistraturi şi nanoparticule procesate şi funcţionalizate prin tehnici cu laser, cu plasmă, fascicul de electroni şi cu radiaţie pentru aplicaţii de vârf;
- microstructuri şi nanostructuri fotonice pentru aplicaţii în optica neliniară;
- dezvoltarea de microdispozitive laser şi componente miniaturale laser pentru dispozitive optice integrate;
- sinteza de noi materiale avansate şi structuri cuantice pentru depoluare şi ecologizare;
- dezvoltarea de noi metode bazate pe tehnici cu plasmă şi radiaţii pentru creşterea aderentei filmelor depuse;
- înţelegerea mecanismelor interacţiei microparticulelor din plasmă cu fascicule de electroni;
- dezvoltarea de noi materiale optice pentru iluminat, diagnostic, producere de energie şi reducerea poluării;
- dezvoltarea surselor de radiaţie optofluidice capabile să emită multidirecţional cu aplicaţii atât tehnologice cât şi biomedicale;
- dezvoltarea de filme protectoare biocompatibile cu proprietăţi mecanice excelente.
Experienţa celorlalte proiecte NUCLEU desfăşurate în INFLPR cu îndeplinirea în totalitate a obiectivelor asumate constituie o garanţie a îndeplinirii cu succes a temelor de cercetare incluse în obiectivele specifice din acest proiect. În plus, tematicile sunt conduse de cercetători cu experienţă recunoscută şi dovedită în aria de aplicaţii a propunerii. De asemenea, infrastructura de cercetare performantă şi managementul din INFLPR permit abordarea şi îndeplinirea ţintelor propuse spre realizare. Ne propunem ca indicatori de performanţă complementari acestui program NUCLEU elaborarea şi conducerea a cel puţin 1 proiect la competițiile organizate prin programul H2020, a 2 proiecte prin alte tipuri de competiţii europene şi a cel puțin 3 proiecte naționale prin programul PNCDI III. Tematicile abordate demonstrează interesul şi implicarea INFLPR pentru transpunerea în practică a direcțiilor din strategia națională şi europeană şi pentru dezvoltarea economico-socială prin creșterea competitivităţii mediului privat şi a calității vieții populației.
3. Schema de realizare a proiectului:
Phase I
Faza nr. 1
Responsabil: Dr. C. Gheorghe
Termen de predare: 15.05.2018
Title: „Caracterizarea spectroscopică a ionului Pr3+ dopat în monocristale laser şi ceramici de tip CNGG şi CLNGG şi evaluarea schemelor de emisie în vizibil”
Rezumat: Investigaţii spectroscopice pe ioni Pr3+ dopaţi în Ca3(Nb,Ga)5O12 (CNGG) şi Ca3(Li,Nb,Ga)5O12 (CLNGG) monocristale şi ceramici au fost efectuate în scopul evaluării ca materiale laser pentru emisie în vizibil, pentru prima data. Monocristalele au fost crescute prin metoda Czochralski iar probele ceramice au fost obţinute prin metoda reacţiei în stare solidă. Toate probele au fost investigate din punct de vedere spectroscopic (static şi dinamic). Parametrii de intensitate Judd-Ofelt obţinuţi din tranziţiile f-f ale Pr3+ în monocristale de tip CNGG şi CLNGG au fost utilizaţi pentru a determina ratele totale ale tranziţiilor radiative Ar, rapoartele de ramificare ß şi timpii radiativi τr ai nivelelor fluorescente ale ionilor Pr3+. Pe baza spectrelor de absorbţie şi emisie la temperaturi joase a fost obţinută o schema parţială de nivele pentru Pr3+ în CNGG şi CLNGG. A fost determinată secţiunea eficace de emisie în cazul tranziţiei 3P0→3H4 cu emisie în albastru.
Faza nr. 2
Responsabil: Dr. B. Sava/ L. Boroica
Termen de predare: 15.05.2018
Title: „Realizare de studii privind proiectarea, modelarea, obţinerea şi caracterizarea de straturi subţiri nanostructurate din materiale vitroase în matrice boro-fosfatică, co-dopate cu Dy sau Tb depuse prin metoda PLD”
Rezumat: Pentru realizarea de ţinte pentru depuneri de filme prin metoda PLD materialele vitroase trebuie să îndeplinească următoarele caracteristici: omogenitate înaltă, în tot volumul sticlei; lipsa defectelor de tip incluziuni sau pietre; număr redus de incluziuni gazoase și dimensiuni foarte mici ale acestora; transmisie optică în vizibil (funcție de utilizare și în UV apropiat sau IR apropiat) ridicată, de peste 80% în tot domeniul.
Ţintele din sticlă bloc boro-fosfatică dopate cu oxizi de disprosiu şi terbiu, pentru depuneri prin metoda depunerii cu laser cu pulsaţii – Pulsed Laser Deposition – PLD au fost realizate prin metoda neconvenţională, umedă, de obţinere a amestecului de materii prime. Topirea a fost realizată într-un cuptor cu bare de superkantal, în creuzete de alumină, pană la temperatura previzionată de 1300 oC, cu palier de 4 h. Pentru omogenizarea topiturii s-a utilizat un agitator ceramic, iar viteza de rotire a acestuia a fost proiectată în domeniul de turaţii de 150-250 rot/min. Sticla topită s-a turnat în matriţe speciale de grafit, iar blocurile obţinute s-au recopt într-un cuptor cu bare de silită, la temperatură superioară cu 10oC temperaturii de tranziţie vitroasă, obţinută din măsurările dilatometrice, de 510oC.
S-a proiectat o compoziţie complexă, care cuprinde, în % molare:
B2O3=20, P2O5=50, Li2O=10, Al2O3=9, ZnO=5 și dopanţi Dy2O3=3, Tb2O3=3.
Au fost măsurate proprietățile termice, structurale și optice pentru sticla bloc, boro-fosfatică dopată, utilizată pentru ţintele pentru depuneri PLD.
Au fost depuse filme PLD, parametrii de depunere (variabili) fiind: Laser KrF, Lungimea de undă 248 nm; Fluenţa: 1,5 J/cm2; Frecvenţa 40 Hz; Presiunea incintei: 0,012-0,3 Pa; Numărul de pulsuri: 13000 şi 25000; Temperatura substratului: 50 – 600oC.
Au fost analizate proprietățile filmelor vitroase subțiri nano-structurate depuse prin metoda PLD, utilizând spectroscopia Raman și FTIR. Corelația structură – parametri de depunere a fost realizată utilizând DRX şi AFM.
Faza nr. 3
Responsabil: Dr. C. Tiseanu
Termen de predare: 15.05.2018
Title: „Sinteza şi caracterizarea nanoparticulelor cu luminescenţă persistentă”
Rezumat: Datorită proprietăţilor de stocare eficientă a energiei de excitare în capcane şi a timpului lung de emisie, nanoparticulele cu luminescenţă persistentă reprezintă probe ideale pentru bioimagistică. Acestea au caracteristica unică de a nu necesita activare in situ care conduce la fenomenul de autofluorescenţă responsabil de scăderea raportului semnal-zgomot şi a contrastului. Raportul de faţă descrie studiile noastre privind luminescenţa persistentă în infraroşu apropriat a nanoparticulelor dopate cu lantanide şi metale tranziţionale pentru aplicaţii biologice.
Am sintetizat nanoparticule (Zn3Ga2GeO8) dopate cu ioni de tranziţie (Cr)/lantanide (Er şi Yb) prin metoda sol-gel: Zn3Ga2GeO8: 1Cr; Zn3Ga2GeO8: 1Cr, 1Er; si Zn3Ga2GeO8: 1Cr, (1/0.5)Er, 5Yb cu dimensiuni mici ale cristalitelor (20 – 30 nm). Nanoparticulele au fost caracterizate din punct de vedere structural prin difracţie şi fluorescenţă de raze X. Nanoparticulele prezintă luminescenţă persistentă în regiunea spectrală 700 – 800 nm prin excitare cu raze X şi UV. Emisia poate fi observată până la 4 h pentru proba cea mai intensă (Zn3Ga2GeO8: 1Cr). Am analizat, de asemenea, emisia în conversie superioară a nanoparticulelor co-dopate cu Er şi Er-Yb folosind excitare pulsată în jur de 970 şi 1500 nm.
Faza nr. 4
Responsabil: Dr. L. Duţă
Termen de predare: 15.07.2018
Title: „Influenţa temperaturii de depunere asupra proprietăţilor morfologice, structurale şi optice ale filmelor nanostructurate de AlN sintetizate prin tehnica de depunere laser pulsată”
Rezumat: Rezultatele acestei cercetări pot contribui la aprofundarea domeniului dedicat obţinerii acoperirilor dure, prin studiul asupra sintezei de filme AlN pe substraturi de Si(100) la temperaturi diferite (RT, 350 °C, 450 °C şi/sau 800 °C), într-un singur sau mai mulţi pasi tehnologici (structuri simple şi/sau bi/multistructuri).
Rezultatele obţinute în urma sintezei de filme nanostructurate (poli)cristaline sintetizate la temperaturi de depunere scăzute, îşi pot găsi potenţiale aplicaţii în domeniul micro- şi nanoelectronicii. De asemenea, doctoranzii şi postdoctoranzii implicaţi în realizarea obiectivelor propuse în această cercetare au avut posibilitatea să (i) interacţioneze cu cercetători cu experienţă, (ii) fie implicaţi activ în diseminarea rezultatelor obţinute, (iii) poată acumula cunostinţe teoretice şi competenţe experimentale noi, în vederea constituirii de echipe competitive la nivel naţional şi internaţional. Prin acest studiu am avut în vedere ca tehnologia de obţinere a filmelor de AlN în condiţii experimentale mult îmbunătăţite, cu aplicaţii în domeniul micro- şi nanoelectronicii, sa poată fi transferată către parteneri industriali interesaţi. Prin utilizarea unor temperaturi de lucru scăzute, se poate reduce semnificativ timpul dedicat obţinerii unor astfel de structuri, şi implicit costurile vor fi mult diminuate.
O parte din rezultatele prezentate în cadrul acestei faze au fost publicate sub forma unui manuscris (“Multi-stage pulsed laser deposition of aluminum nitride at different temperatures”, L. Duta, G.E. Stan, H. Stroescu, M. Gartner, M. Anastasescu, Zs. Fogarassy, N. Mihailescu, A. Szekeres, S. Bakalova, I.N. Mihailescu, Applied Surface Science 374 (2016) 143–150)), iar o altă parte va face obiectul unui nou manuscris care va fi publicat într-un jurnal cotat ISI. De asemenea, o serie de rezultate obţinute în cadrul acestei faze au fost prezentate sub forma unui poster (“Mechanical, optical and structural properties of aluminum nitride synthesized by Pulsed Laser Deposition”, L. Kolaklieva, V. Chitanov, K. Antonova, A. Szekeres, P. Terziyska, P. Petrik, Zs. Fogarassy, L. Duta, I.N. Mihailescu) la Conferinţa Internaţională “European Materials Research Society – EMRS”, Spring Meeting, Convention Centre, Strasbourg, Franţa, 18-22 iunie 2018.
Faza nr. 5
Responsabil: Dr. O. Toma
Termen de predare: 15.07.2018
Title: „Proprietăţi spectroscopice şi structurale ale sistemelor multi-site dopate cu ioni de pământuri rare”
Rezumat: Obiectivul fazei l-a constituit studiul proprietăţilor spectroscopice ale materialului oxidic multi-site CaSc2O4 dopat cu ioni de lantanide (Er3+, Yb3+) şi corelarea acestora cu proprietăţile structurale ale materialului.
Rezultate:
– Sinteza de probe ceramice din material oxidic CaSc2O4 cu poziţii multiple ce pot fi ocupate de ioni trivalenţi de lantanide, dopat cu diverse concentraţii de Er3+ şi Yb3+;
– Caracterizarea materialului Er:CaSc2O4 prin difracţie de raze X;
– Identificarea liniilor spectrale ale diverşilor centri luminescenţi Er3+ în CaSc2O4 şi studiul proprietătilor spectroscopice ale acestor centri;
– Publicarea unui articol într-o revistă cotată ISI.
Diseminare: 1 articol ISI publicat – S. Georgescu, A. Stefan, O. Toma, „Judd-Ofelt analysis of Er-doped CaSc2O4 revisited”, J. Luminesc. 199, 488-491 (2018).
Faza nr. 6
Responsabil: Dr. C. Surdu Bob
Termen de predare: 15.07.2018
Title: „Sinteza şi caracterizarea straturilor de nitrură de siliciu folosind o plasmă anodică de înaltă tensiune ( parţial)”
Rezumat: În acestă primă etapă am realizat sinteza şi caracterizarea straturilor de nitrură de siliciu folosind sursa de plasmă anodică de înaltă tensiune dezvoltată în cadrul laboratorului numită Plasmă anodică de înaltă tensiune pentru depuneri de filme de compuşi chimici – Compound-High Voltage Anodic Arc Plasma (C-HVAP). Au fost variate condiţiile experimentale şi s-a observat dependenţa compoziţiei şi proprietăţilor filmelor depuse de aceste condiţii. Pentru analiza straturilor depuse s-au utilizat următoarele metode: XPS, SEM, spectrometrie UV, Viz, IR, FTIR, XRD, XRR, RBS şi Raman. Rezultatele au arătat faptul că straturile depuse conţin Si3N4 ca singură formă alotropă şi sunt amorfe. Concentraţia de nitrură de siliciu şi energia benzii interzise Eg au fost mai mici în cazul filmelor depuse aproape de sursă decât la distanţă. Acest fapt a fost explicat prin încălzirea suplimentară ce are loc mai aproape de electrozii sursei de plasmă. Valori de 6.2 eV, competitive pe plan mondial, au fost obţinute pentru Eg. Acest fapt demonstrează încă o capabilitate de excepţie a acestei surse originale de plasmă.
Etapa a II-a
Faza nr. 7
Responsabil: Dr. A. Petriş
Termen de predare: 15.10.2018
Title: „Influenţa structurării periodice asupra răspunsului neliniar de ordinul trei al filmelor de As2S3„
Rezumat: As2S3 este un material semiconductor (Eg≈2.4eV) optic neliniar, promiţător pentru fotonica neliniară şi informaţională (holografie, stocare optică, conjugarea optică a fazei, procesarea optică a informaţiei, comutarea optică, ghidarea luminii, senzori). Materialul este transparent în domeniul spectral infraroşu, permite modificări mari ale indicelui de refracţie induse de lumină, informaţia înregistrată în el poate fi tranzitorie sau remanentă (cea din urmă putând fi eliminată termic), probele se pot obţine cu dimensiuni mari. Răspunsul neliniar al materialelor micro- / nano-structurate poate diferi sensibil de cel obţinut în absenţa structurării.
Am studiat răspunsul optic neliniar ultrarapid (electronic) de ordinul trei al unor filme semiconductoare de As2S3, nestructurate şi structurate periodic, prin experimente de generarea a armonicii a treia, cu pulsuri laser ultrascurte (~150 fs), la lungimea de undă de 1550 nm. Experimentele efectuate au permis analiza comparativă a influenţei grosimii filmului, a creşterii absorbţiei filmului (indusă de lumină) şi a structurării periodice asupra răspunsului optic neliniar. Am determinat susceptibilitatea optică neliniară de ordinul trei χ(3) şi indicele de refracţie neliniar n2 al filmelor de As2S3, nestructurate şi structurate periodic, parametri ce caracterizează răspunsul optic neliniar al materialului la lungimea de undă considerată, de interes în fotonică şi comunicaţii optice.
Studiul răspunsului optic neliniar al materialelor investigate este important atât pentru înţelegerea proceselor de interacţiune lumină – materie cât şi pentru conceperea unor funcţionalitaţi fotonice bazate pe procese optice neliniare.
Faza nr. 8
Responsabil: Dr. F. Sima
Termen de predare: 15.10.2018
Title: „Suprafeţe şi interfeţe prelucrate cu fascicul laser pentru ghidare şi orientare celulară”
Rezumat: Proiectul a propus dezvoltarea unor structuri 2D şi 3D de biomateriale prin metode hibride de procesare laser substractive şi aditive. Scopul urmărit a fost controlul şi înţelegerea mecanismelor de interacţie la interfaţa biomaterial-celulă. Am propus, astfel, sinteza de materiale anorganice şi organice cu geometrii şi compoziţii variabile prin tehnologii laser avansate, combinate.
Am obţinut structuri 2D cu gradient de compoziţie al căror efect a fost testat în interacţie cu celule umane. Răspunsul celulelor osteoblaste şi osteoclaste cultivate împreună pe aceste acoperiri combinatoriale a fost modulat de gradientul compoziţional. Compoziţii intermediare au evidenţiat efectele pozitive asupra osteoblastelor şi acţiuni inhibitoare asupra osteoclastelor, generând materiale funcţionale cu performanţe controlate, prin controlul parametrilor de procesare laser, pentru ca, în final, să îmbunătăţească şi să accelereze reconstrucţia osoasă.
Am efectuat studii de iradiere cu fascicule laser cu durate de puls în domeniul picosecundelor pe materiale de sticlă fotosensibilă. Am obţinut rezoluţii de procesare de ordinul a 2 microni. Am realizat canale microfluidice în volum, de diferite configuraţii, proiectate specific pentru aplicaţii biologice şi fabricate cu ajutorul unei măsuţe de translaţie 3D prin iradiere laser urmată de corodare chimică şi tratamente termice ulterioare pentru studii in vitro de proliferare şi diferenţiere celulară.
Faza nr. 9
Responsabil: Dr. Alexandra Palla
Termen de predare: 15.10.2018
Title: „Depunerea şi caracterizarea de monostraturi de WSe2 şi WS2 prin depunere laser pulsată şi/sau depunere laser pulsată asistată de radio-frecvenţă”
Rezumat: A fost realizat un montaj experimental de depunere a filmelor subțiri prin tehnica ablației laser pulsate. Prin optimizări succesive s-a reușit obținerea de filme alcătuite din câteva straturi atomice, cu o rugozitate foarte scăzută. Filmele 2D depuse prin PLD au fost caracterizate și au fost obținute proprietățile lor optice, structurale și morfologice.
Diseminare:
a) “Pulsed laser deposition of ultrathin two-dimensional nanomaterials”, A. Palla-Papavlu, M. Filipescu, N. Scarisoreanu, I. Valentin, M. Dinescu, Poster, ICPAM-12 (Septembrie 2018, Heraklion);
b) „Laser writing of nanomaterials for wearable sensors”, A. Palla-Papavlu, Invited lecture, NN18 (Salonic, Iulie 2018).
Faza nr. 10
Responsabil: Dr. Ştefan Amarande
Termen de predare: 10.12.2018
Title: „Generarea fasciculelor structurate cu ajutorul dispozitivului digital cu micro-oglinzi”
Rezumat: Propagarea fasciculelor Bessel cuasi-nedifractante prin medii cu împrăştiere multiplă a fost investigată experimental. Montajul experimental s-a bazat pe un modulator spaţial de fază a luminii, iar mediul împrăştietor a fost din microsfere de polistiren diluate în apă. Gradul de distorsionare cauzată de împrăştiere a fost evaluat prin suprapunerea dintre profilul fasciculului trecut prin soluţie de microsfere şi profilul aceluiaşi fascicul trecut prin apă distilată. Integrala suprapunerii celor două profile a fost calculată pentru fascicule Bessel având diferite valori ale diametrului la semi-înălţime al vârfului principal. Atunci când lărgimea vârfului principal al fasciculului Bessel este aproximativ egală cu diametrul microsferelor din polistiren suprapunerea profilelor este mai mare, ceea ce înseamnă o distorsionare mai redusă prin împrăştiere. Această observaţie sugerează că, prin adaptarea structurii fasciculului la proprietaţile mediului împrăştietor, este posibilă reducerea distorsionării fasciculelor.
Faza nr. 11
Responsabil: Dr. A. Staicu
Termen de predare: 10.12.2018
Title: „Laseri în picături cu medii active structuri coloidale”
Rezumat: În această etapă s-a investigat efectul laser obţinut prin pompajul optic al unei picături micro-volumetrice, suspendată de un capilar, care conține ca mediu activ o soluție apoasă de colorant laser, Rodamina 6G (Rh6G), sau emulsie formată prin amestecul vitaminei A uleioase cu soluţie apoasă de Rh6G. Pompajul optic se realizează cu un fascicul laser la lungimea de undă de 532 nm emis de un laser pulsat Nd: YAG. Micropicăturile care conțin emulsie prezintă un semnal de emisie îmbunătățit. Acest efect este datorat împrăștierii luminii de către picăturile de ulei cu diametre sub-micrometrice din emulsie și de geometria sferică a picăturii suspendate. În acest caz, picătura acționează ca un rezonator optic care amplifică semnalul de fluorescență până la stadiul în care apare emisia de tip lasing. De asemenea, a fost investigat și modul în care concentrația Rodaminei 6G, energia pulsului laser de pompaj și numărul de pulsuri laser influențează comportamentul emisiei picăturii. Rezultatele pot fi utile în imagistica optică, deoarece pot conduce la utilizarea unor cantități mai mici de fluorofori pentru a obține rezultate de aceeași calitate.
Faza nr. 12
Responsabil: Dr. C. Surdu Bob
Termen de predare: 10.12.2018
Title: „Sinteza şi caracterizarea straturilor de nitrură de siliciu folosind o plasmă anodică de înaltă tensiune -caracterizarea”
Rezumat: În cea de a doua etapă a lucrărilor am continuat sinteza filmelor cu conţinut de nitrură de siliciu astfel încât să se obţină reproductibilitatea compoziţiei. Pentru aceasta, un factor determinant a fost stabilitatea sursei de plasmă utilizate (Plasmă anodică de înaltă tensiune pentru depuneri de filme de compuşi chimici, C– HVAP). S-a observat faptul că stabilitatea sursei este influenţată de nivelul vidului din incintă la momemntul aprinderii plasmei. Analiza filmelor depuse în aceste condiţii a arătat o scădere semnificativă a oxidului de siliciu faţă de situaţia anterioară când nivelul vidului preliminar din incinta a fost mai mic.
Datorită faptului că pluma de plasmă este localizată în incintă – nu inundă tot volumul incintei de vid – s-au putut realiza depuneri de filme subţiri cu conţinut de nitrură de siliciu pe materiale sensibile la temperatură cum ar fi plasticul şi materialul textil. Au fost găsiţi parametrii optimi de depunere astfel încat substratul să nu fie afectat termic.
Rezultatele din această etapă arată – pentru prima dată – posibilitatea utilizării sursei originale de plasmă C-HVAP pentru depunerea de straturi subţiri cu conţinut de nitrura pe substrate din materiale sensibile la temperatură.
Etapa a III-a
Faza nr. 13
Responsabil: Dr. Sorin Vizireanu
Termen de predare: 10.12.2018
Title: „Identificarea unor configuraţii şi a condiţiilor experimentale de modificare în plasmă a materialelor pe bază de grafenă”
Rezumat: Scopul experimentelor din această etapă a fost realizarea şi testarea mai multor configuraţii experimentale care utilizează plasma pentru modificarea materialelor grafenice. Este bine cunoscut faptul că cea mai răspandită metodă de sinteză la scală mare a grafenelor este metoda Hammer simplă sau modificată. Prin folosirea acestei metode sunt obţinute grafene oxidate (GO), ulterior fiind parcurşi numeroşi paşi intermediari de reducere parţială sau totală a oxidului (rGO).
Până ȋn prezent au fost raportate numeroase procedee de reducere a GO la grafene, şi anume: a) reducere chimică cu diferiți agenți reducători (foarte toxici şi explozivi), b) reducere termică (la temperaturi foarte mari de peste 1000 oC), c) reducere electrochimică (foarte costisitoare), d) precum şi reducere în plasmă (care nu este la îndemana tuturor). In vederea evitării unor substanţe chimice periculoase, precum şi a folosirii unor instalații costisitoare şi mari consumatoare de energie, ne-am propus identificarea unor configuraţii cu plasmă simple şi eficiente de tratarea a GO în vederea reducerii.
Astfel, am folosit trei tipuri de instalaţii de descărcare în gaze la presiune joasă şi anume instalaţii cu: electrozi plan paraleli (de 5 şi respectiv 10 cm în diametru), cu tub de descărcare cu electrozi exteriori, realizat prin adaptarea unui cuptor de cuarţ care ajunge până la 1100 oC, precum şi un jet de plasmă direcţionat către un cuptor încălzit la 700 oC.
Plasma a fost generată folosind un generator RF (13,56 MHz), în diferite amestecuri de gaze (Ar, Ar/H2, Ar/NH3, etc). In plus pentru obţinerea filmelor pe bază de grafenă din suspensii şi intindere uniformă a acesteia, în prealabil au fost hidrofilizate substraturile de siliciu şi oxid de siliciu prin tratarea acestora cu sursa de plasmă DBD planară sau printr-o descărcare în vid între doi electrozi plan-paraleli. Au fost testate mai multe metode de depunere a GO din suspensii pe diferite substraturi, cel mai eficient mod fiind metoda drop-cast (din picături cu volum controlat).
În urma tratamentelor în plasmă a GO depuse pe substraturi s-a observat prin investigaţii XPS şi EDS o modificare a compoziţiei chimice a materialelor tratate, precum şi a grupărilor chimice de la suprafață. In schimb morfologia foliilor grafenice a rămas neschimbată aşa cum a reieşit din analizele SEM. Prin folosirea în descărcare a hidrogenului sau a amoniacului s-a reuşit reducerea în mare proporţie a oxigenului din GO. În urma tratamentului cu amoniac, pe lângă reducerea oxidului am observat şi introducerea azotului în stratul de grafenă, fapt ce poate aduce multe îmbunătățiri ale caracteristicilor materialului tratat, cum ar fi creșterea conductivităţii electrice sau a capacităţii de stocare a energiei, comparativ cu GO inițial (care poate fi chiar izolator electric în funcţie de cantitatea de oxid). Folosirea unui tratament termic (de 400 oC) în paralel cu tratamentul cu plasmă îmbunătăţeşte gradul de reducere, in schimb rezultate similare se pot obţine crescând timpul de tratament (de la 5 la 10 minute) şi puterea (de la 20W-la 50W), în acest ultim caz existând pericolul degradării structurii materialului grafenic.
Au fost elaborate protocoale de tratament al grafenelor pentru fiecare dintre configuraţiile testate. Instalațiile testate (realizate pe parcursul acestei etape sau deja existente) au fost eficiente în obţinerea materialelor grafenice reduse.
Faza nr. 14
Responsabil: Dr. Mihaela Filipescu
Termen de predare: 10.12.2018
Title: „Creşterea (prin PLD şi RF-PLD) şi caracterizarea de filme subţiri de ceria cu diferite arhitecturi şi morfologie controlată”
Rezumat: În prezent, oxidul de ceriu (CeO2) este intens studiat datorită multitudinii de aplicaţii în microelectronică, în optoelectronică sau în biologie. Numărul de aplicaţii posibile ar fi chiar mai mare dacă nanocristalele ar putea fi sintetizate în forme mai complexe decât cele obisnuite, cum ar fi sfere, tije, discuri, fibre.
În acestă etapă a fost identificată metoda potrivită de creştere de filme subtiri de oxid de ceriu cu morfologie controlată şi diferite arhitecturi; atât depunerea laser pulsată, cât şi depunerea laser pulsată asistată de o plasmă de radio-frecvenţă s-au dovedit a fi utile în obţinerea de structuri 3D sau 2D de oxid de ceriu.
Structurile de oxidice (structuri tringhiulare 2D, structuri piramidale 3D, structuri conice cu vârf rotunjit, structuri piramidale cu margini ascuţite, structuri de tip „ţepi”, structuri piramidale cu o faţetă netedă, lamelară) au fost complet caracterizate din punct de vedere morfologic, structural şi optic.
Faza nr. 15
Responsabil: Dr. Florian Dumitrache
Termen de predare: 10.12.2018
Title: „Sinteza de nanoparticule de carbon dopate cu N, B, S cu suprafaţă specifică ridicată şi caracterizarea morfo-structurală a acestora funcţie de parametrii de sinteză”
Rezumat: Doparea cu heteroatomi, în special a materialelor carbonice, a atras atenția în ultimii ani, fiind considerată ca fiind una dintre cele mai eficiente strategii de îmbunătățire a comportamentului capacitanţei materialelor carbonice poroase. În ceea ce priveşte heteroatomii de azot sau sulf, diferenţa de electronegativitate dintre atomii de N, S sau C conduce la o suprafaţă polarizată mai mare, asigurând în consecinţă umectabilitatea suprafetei carbonului, ceea ce va asigura o rată de transfer mai rapidă a ionilor electrolitici. Pe de altă parte, dopajul cu heteroatomi, cum ar fi azot, fosfor, sulf și bor, poate modifica mediul local de legatură și distribuția electronilor de pe suprafața carbonului, promovând astfel conductivitatea electronică și reactivitatea electrochimică. Obiectivul fazei a fost realizarea de studii parametrice privind sinteza de nanopulberi de carbon dopate cu N, B şi S prin tehnica de piroliză cu laserul. Experimentele au fost realizate pe o instalaţie de piroliză prevazută cu un laser cu CO2 de 350W care funcţionează în regim de lucru cvasi continuu la lungimea de undă de 10.6 microni. Particulele de carbon dopate cu azot cu dimensiuni nanometrice au fost obţinute prin piroliză indusă cu laserul din 1,3 diaminopropan (DAP) sau 1,2 diaminoetan (EDA), atât ca donor de carbon cât şi ca donor de azot, acetilena (donor de carbon), şi amoniacul (cu dublu rol: senzitivant şi donor de azot). Particulele de carbon dopate cu bor au avut ca sursă de dopant un amestec de B2H6 şi H2. Particulele de carbon dopate cu sulf au avut ca sursă de dopant S2(CH3)2. Pulberile obţinute au fost investigate exhaustiv prin: XRD, SEM, TEM, Raman, XPS, EDX, etc. Nanoparticulele elementare au dimensiuni de câţiva zeci de nm, o structură turbostratică şi o suprafaţă specifică BET cuprinsă între câţiva zeci şi până la 200 de m2/g.
Etapa a IV-a
Faza nr. 16
Responsabil: Dr. Florian Dumitrache
Termen de predare: 10.12.2018
Title: „Sinteza de nanoparticule de carbon dopate cu N, B, S cu suprafaţă specifică ridicată şi caracterizarea morfo-structurală a acestora funcţie de parametrii de sinteză – partea a- II -a”
Rezumat: Sunt avute în vedere îmbunătăţirea parametrilor de sinteză şi caracterizarea morfo-structurală amănunţită a nanostructurilor carbonice dopate cu B şi/sau N vizând obţinerea de nanomateriale cu suprafaţă specifică mare şi dopaj de heteroatomi ridicat. Experimentele au fost realizate utilizând tehnica de piroliză laser în care pentru prima dată se folosesc ca sensibilizatori principali (agenţi de transfer energetic) amoniacul şi diboranul. Ambele gaze au un rol dublu de donor de heteroatom şi de senzitivant. Sursa principală de carbon a fost acetilena uneori mixată sau înlocuită cu etena. Materialul obţinut are o structură turbostratică şi conţine nanopulberi cvasisferice organizate în agregate sub formă de lanţuri. În cazul nano-carbonului dopat cu N se observă că prin creşterea procentului de amoniac în amestecul reactiv se determină creşterea dopajului cu N, însă de la o anumită valoare rata de productivitate scade dramatic amoniacul blocând generarea de specii condensabile carbonice. Amestecul de acetilenă şi amoniac pare a fi soluţia optimă pentru a genera nano-carbon dopat cu N; introducerea vaporilor de EDA în special conduce la creşterea concentraţiei de N pană aproape de 10 at.%. Se raportează un dopaj cu N de până la 7 at.% şi o valoare BET de până la 31 m2/g. În contrast diboranul generează o rată de productivitate ridicată a pulberii de carbon dopate cu B indiferent ce combinaţie de hidrocarburi este aleasă (acetilenă-etenă); pentru un procent ridicat de B este recomandabil sinteza doar cu etenă ca sursă de carbon. Analizele XPS şi EDX confirmă dopajul intim al nanocarbonului cu B după eliminarea nanocristalelor bogate în B prin tratare termică şi spălare. Probele tratate şi spălate indică prezenţa B în legatură cu C dominant şi cu O minoritar cu un dopaj cu B de până la 7.5 at.% şi o valoare BET de până la 200 m2/g. Utilizarea amoniacului şi diboranului concomitent deşi dificilă conduce la sinteza de nanostructuri de carbon dopate simultan cu N şi B.
