Kompleksy ekscytonowe w dwuwymiarowych
strukturach van der Waalsa
Proponowane badania wpisują się w bujnie rozwijającą się
dziedzinę dwuwymiarowych kryształów półprzewodnikowych, która
została zapoczątkowana odkryciem grafenu.
Dotychczas zainteresowanie naukowców skupiało się w głównej
mierze na półprzewodnikowych materiałach warstwowych, takich
jak dichalkogenki metali przejściowych (np.: MoS2 , WS2)
lub monochalkogenki metali (np.: InSe, Gase), których
właściwości ekstremalnie zmieniają się przy przejściu od
kryształu objętościowego do pojedynczych warstwy atomowej. Celem
ćwiczenia jest pomiar widm fotoluminescencji oraz
kontrastu optycznego na jednym z dwóch typów próbek: (i)
wysokiej jakości cienkich płatkach materiałów
warstwowych otrzymywanych przez zamykanie ich w heksagonalnym
BN, (ii) sztucznie złożonych heterostrukturach van der Waalsa
(vdW) przynajmniej dwóch różnych materiałów warstwowych,
np.: WSe2 oraz InSe, w szerokim zakresie temperatur (5 K – 300
K) z wykorzystaniem do pobudzania laserów o różnej długości fali
oraz światła białego. Proponowane badania mają na celu zbadanie
wpływu grubości materiału oraz temperatury na właściwości
optyczne tych materiałów.
Opiekun dr Maciej Molas
Oddziaływania ekscyton-fonon w cienkich warstwach monochalkogenków metali
Kluczową rolę dla właściwości półprzewodników odgrywają elementarne wzbudzenia elektronowe i wibracyjne. Ich wzajemne oddziaływanie prowadzi do wielu interesujących efektów, np. pojawienia się dodatkowych bocznych pasm w widmach absorpcji i emisji optycznej ekscytonów. W szczególności,emisja optycznych fononów jest głównym mechanizmem relaksacji gorących nośników, wyjątkowo istotnym dla działania półprzewodnikowych laserów. Celem ćwiczenia jest pomiar widm fotoluminescencji oraz rozpraszania Ramana na cienkich warstwach monochalkogenków metali, tj. InSe, GaSe oraz GaS, zamkniętych między warstwami heksagonalnego azotku boru wytworzonych na Uniwersytecie w Manchesterze w szerokim zakresie temperatur (5 K – 300 K) z wykorzystaniem do pobudzania laserów o różnej długości fali (515 nm, 633 nm oraz 785 nm). Proponowane badania mają na celu zbadanie wpływu grubości materiału oraz temperatury na oddziaływania ekscyton-fonon w tych materiałach.
Opiekun dr Maciej Molas
Pomiary czasowo-rozdzielcze nanostruktur azotkowych.
Ćwiczenie będzie polegało na zmierzeniu czasowo-rozdzielonej fotoluminescencji przy użyciu kamery smugowej, a następnie na analizie otrzymanych danych. Badane mogą być nanostruktury typu GaN/AlGaN lub GaInN/GaN (studnie kwantowe, nanodruty, kropki kwantowe itp).
Opiekun prof. dr hab. Krzysztof Korona
Badanie własności optycznych heterostruktur złożonych z grafenu i heksagonalnego azotku boru (BN).
Heterostruktury oparte na materiałach dwuwymiarowych cieszą się rosnącym zainteresowaniem zarówno środowiska naukowego jak i przemysłu. Struktury te wykorzystywane są m.in. do transportu spinowego czy też w układach tunelowych. Istotnym problemem jest dokładne poznanie charakteru oddziaływań między grafenem i heksagonalnym azotkiem boru i poznanie zmian właściwości tych materiałów pod jego wpływem. W ramach ćwiczenia warstwy oraz heterostruktury zbudowane z grafenu i heksagonalnego azotku boru zostaną wytworzone za pomocą metody eksfoliacyjnej. Następnie wytworzone próbki zostaną poddane badaniom za pomocą technikispektroskopii ramanowskiej oraz mikroskopii sił atomowych.Wyniki uzyskane dla pojedynczych warstw jak i heterostruktur zostaną ze sobą porównane, co pozwoli na oszacowanie wpływu oddziaływania między pojedynczymi warstwami heksagonalnego azotku boru oraz grafenu na charakterystyki fononowe tych materiałów. Literatura: D.S. Abergel, J.R. Wallbank, X. Chen, M. Mucha-Kruczynski, V. Fal’ko, New Journal of Physics 15 (2013); E.E. Vdovin, A. Mishchenko, M.T. Greenaway, M.J. Zhu, D. Ghazaryan, A. Misra, Y. Cao, S.V. Morozov, O. Makarovsky, T.M. Fromhold, A. Patanè, G.J. Slotman, M.I. Katsnelson, A.K. Geim, K.S. Novoselov, L. Eaves, Physical Review Letters 116 (2016) 186603.
Opiekun dr Igor Własny, prof. dr hab. Andrzej Wysmołek
Pomiary magnetoluminescencji mikrownęk półprzewodnikowych.
Fizyka mikrownęk półprzewodnikowych jest szczególnie interesująca z powodu odkrycia kondensatu Bosego - Einsteina i stanu nadciekłego polarytonów. Polaryton jest kwazicząstką powstającą w półprzewodniku w wyniku silnego sprzężenia modu fotonowego mikrownęki i ekscytonu umieszczonego w studni kwantowej. Celem ćwiczenia jest zbadanie widma emisji polarytonów w przestrzeni rzeczywistej i w przestrzeni pędów. Pomiary będą przeprowadzone w niskich temperaturach i w polu magnetycznym. Pomiary będą zmierzały w kierunku otrzymania kondensatu Bosego - Einsteina i obserwacji efektów nieliniowych.
Opiekun dr hab. Barbara Piętka
Badania EPR grafenu.
Ćwiczenie będzie polegało na zbadaniu własności magnetycznych warstw grafenu otrzymanego z rozpadu SiC oraz grafenu epitaksjalnego wyhodowanego w ITME. Badania będą prowadzone przy użyciu techniki spektroskopowej Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego.
Opiekun dr hab. Aneta Drabińska
Badania optyczne struktur kwantowych wbudowanych w nanodruty GaN.
Struktury kwantowe (studnie kwantowe, kropki kwantowe) wbudowane w nanodruty GaN dająduże nadzieje na wykorzystanie w jako nanoźródław obszarze ultrafioletu, w tym również źródła pojedynczych fotonów na potrzeby kryptografii kwantowej. Takie złożone nanostruktury sąrównież bardzo obiecujące z punktu widzenia nanosensorów czy też ogniw słonecznych. Nanodruty z wbudowanymi studniami, czy też kropkami kwantowymi są też bardzo interesujce z punktu widzenia zrozumienia procesów rekombinacji promienistej w nich zachodzących. W ramach ćwiczenia proponowane są badania z wykorzystaniem spektroskopii ramanowskiej oraz mikroluminescencji na grupach oraz pojedynczych nanodrutach GaN, w szerokim zakresie temperatur, z różnymi energiami pobudzania (w zakresie UV-VIS). Literatura: J. Kierdaszuk P. Kazmierczak A. Drabińska K. Korona, A. Wolos, M. Kaminska, A.Wysmolek, I. Pasternak, A. Krajewska, K. Pakula, Z.R. Zytkiewicz, Physical Review B 92 (2015) 195403.
Opiekun prof. dr hab. Andrzej Wysmołek
Epitaksja i badanie właściwości optycznych struktur niskowymiarowych zbudowanych z półprzewodników II-VI.
Ćwiczenie jest związane z laboratorium MBE (Molecular Beam Epitaxy – epitkasja z wiązek molekularnych). Celem ćwiczenia jest wytworzenie i zbadanie właściwości optycznych próbek półprzewodnikowych. Przedmiotem badań będą studnie kwantowe, kropki kwantowe lub mikrownęki optyczne zbudowane z półprzewodników z grupy II-VI (np. ZnTe, ZnSe, CdTe, CdSe). Student weźmie udział w pracach przy MBE, we wstępnych pomiarach odbicia i transmisji nowych struktur, oraz w niskotemperaturowych pomiarach fotoluminescencji struktur kwantowych. Wnioski będą przydatne przy planowaniu nowych procesów wzrostu. Wybrane, najciekawsze próbki zostaną użyte do dalszych badań w laboratorium ultraszybkiej magnetospektroskopii.Laboratorium MBE mieści się w bud. IFD przy ul. Pasteura 7.
Opiekun dr hab. Wojciech Pacuski
Fotoluminescencja nanokrystalicznych warstw ZnO domieszkowanych jonami metali przejściowych.
Przedmiotem badań prowadzonych w ramach ćwiczenia są nanokrystaliczne warstwy ZnO domieszkowane jonami takimi jak: żelazo, nikiel, wanad, mangan, kobalt. W wyniku specjalnie dobranych warunków wzrostu część wprowadzonych jonów magnetycznych podstawia pozycje kationowe materiału podstawowego. Z punktu widzenia ewentualnych zastosowań spintronicznych istotne jest stwierdzenie czy jony sprzęgają się poprzez oddziaływanie wymienne z nośnikami pasmowymi, a także określenie stanu ładunkowego jonów. Aby uzyskać odpowiedź na te pytania wykonane zostaną pomiary zintegrowanej i rozdzielonej czasowo fotoluminescencji, także w polumagnetycznym. Badane próbki pochodzą z Narodowego Laboratorium w Gizie.
Opiekun dr hab. Jan Suffczyński
Badanie emisji ciemnego ekscytonu w płaszczyźnie w kropce kwantowej CdTe/ZnTe
Najnowsze badania magnetospektroskopowe samoorganizowanych kropek kwantowych CdTe/ZnTe wskazują, że ciemny ekscyton może pełnić bardzo istotną rolę w tworzeniu się wysokich kompleksów ekscytonowych. Jego czas życia w zerowym polu magnetycznym jest bardzo długi w porównaniu z czasami rekombinacji jasnych kompleksów ekscytonowych. Rozważania teoretyczne wskazują, że jego emisja powinna być silnie ukierunkowana w płaszczyźnie kropki. W trakcie eksperymentu zbadana zostanie taka emisja dla kilku kropek kwantowych pobudzanych nierezonansowowo przy pomocy lasera impulsowego o niskiej częstości repetycji impulsów (4 MHz).
Opiekun prof. dr hab Piotr Kossacki
Badania rentgenowskie warstw azotku boru otrzymywanych metodą MOVPE na podłożach szafirowych.
W ramach ćwiczenia należy określić jakość strukturalną warstwy azotku boru otrzymywanej metodą MOVPE na podłożu szafirowych (tj. odległość między warstwami, średnią liczbę warstw oraz orientację względem podłoża). W tym celu należy wykonać serię pomiarów dyfrakcji rentgenowskiej przy użyciu dyfraktometru rentgenowskiego i dokonać analizy otrzymanych danych.
Opiekun dr hab Grzegorz Kowalski, dr Mateusz Tokarczyk
Badania namagnesowania nanocząstek up-konwertujących
Nanocząstki up-konwertujące (NaYF4 z Er3+,Yb3+ i Gd3+ oraz Gd2O3:Er3+,Yb3+ i Y3Al5O12: Er3+,Yb3+) stanowią nową klasę materiałów wykorzystywanych w biologii i medycynie do obrazowania wnętrza komórek i badania zachodzących w nich procesów biochemicznych. Zsyntetyzowane w IF PAN nanocząstki zostaną poddane pomiarom namagnesowania w magnetometrze SQUID. W ramach pracowni studentka lub student wykona pomiar i dopasowując krzywe teoretyczne do wyników pomiarów wyznaczy koncentrację jonówmagnetycznych Yb, Er, Gd.
Opiekun dr hab. Jacek Szczytko
Spektroskopia impedancyjna struktur półprzewodnikowych.
Znaczna część współczesnych elektronicznych przyrządów półprzewodnikowych bazuje na heterostrukturach, złożonych z warstw różnych materiałów półprzewodnikowych. Jeśli na górze takiej kanapki zrobione zostaną kontakty elektryczne, a górna warstwa nie przewodzi prądu elektrycznego, lub kontakty są wysokooporowe, to prąd elektryczny pomiędzy takimi kontaktami nie popłynie, pomimo tego, że we wnętrzu może znajdować się materiał wysokoprzewodzący. Pomiary elektryczne wykonane dla prądu przemiennego umożliwiają dotarcie do takich przewodzących warstw i wyznaczenie ich własności elektrycznych. Głównym celem pracy będzie zbadanie własności galwanomagnetycznych warstw azotków galu i indu (oporność i efekt Halla) w zakresie częstości do około 200 kHz.
Opiekun prof. dr hab. Michał Baj
Wzrost metodą MBE i charakteryzacja heterostruktur GaAlSb/InAs oraz supersieci GaSb/InAs
Półprzewodniki GaSb, AlSb i InAs tworzą tzw. grupę związków o stałej sieci 6.1 Angstrema, która oferuje możliwości tworzenia heterostruktur o interesujących własnościach energetycznych, m.in. ze względu na ustawienie pasm energetycznych typu broken-gap. Supersieci o krótkim periodzie budowane z tych związków posiadają minipasma elektronowe i dziurowe o absorpcji międzypasmowej w zakresie średniej podczerwieni - długości fali kilku do kilkunastu mikrometrów. Jest to wykorzystywane do budowy detektorów podczerwieni konkurencyjnych wobec stosowanych materiałów II-VI z rtęcią. Celem ćwiczenia jest otrzymanie metodą epitaksji z wiązek molekularnych (MBE) heterostruktur GaAlSb/InAs oraz supersieci GaSb/InAs o krótkim periodzie oraz ich podstawowa charakteryzacja strukturalna, (mikroskop elektronowy SEM, mikroskop sił atomowych AFM), elektryczna (pomiary transportowe) i ew. optyczna. Będzie to w dużej części praca przy technologii MBE.
Opiekun dr Tomasz Słupiński
Badania izolatorów topologicznych przy użyciu spektrometru EPR
Ćwiczenie będzie polegało na udziale w pomiarach próbek izolatorów topologicznych przy użyciu spektrometru EPR oraz na opracowaniu danych pomiarowych. Izolatory topologiczne stanowią kwantową fazę materii. Badać będziemy topologiczne materiały czteroskładnikowe domieszkowane dodatkowo metalami przejściowymi (Mn, Fe, Cr).
Opiekun dr hab. Agnieszka Wołoś
Badania struktur hybrydowych grafen/TaS2
Kryształy 2D, w tym dichalkogenki metali przejściowych (TMDC) skupiają na sobie bardzo intensywne zainteresowanie naukowców z całego świata. Spowodowane to jest wyjątkowymi właściwościami pojedynczych warstw tych materiałów, ale również możliwości budowania złożonych struktur kwantowych z nakładanych na siebie kolejnych warstw tych materiałów. W ramach pracy licencjackiej proponowane są badania dwusiarczku tanatalu (TaS2) oraz jego oddziaływania z grafenem. TaS2 wykazuje przejścia fazowymi pierwszego rodzaju związane z falami gęstości ładunku (CDW), wyraźnym przejściem izolator-metal oraz relatywnie wysokąwartością sprzężenia spin-orbita. Połączenie grafenu z TMDC dajeunikalną możliwość stworzenia układu, który umożliwia generację imanipulowanie spinowo rozróżnialnymi nośników ładunku. Osobno TaS2 oraz grafen nie są w stanie spełnić wymagań stawianych urządzeniom spintronicznym, natomiast w połączeniu są realnym kandydatem do budowy materiału hybrydowego, który może stać się podstawą systemów komputerowych nowej generacji. Żeby zrealizować te idee, należy najpierw w sposób wyczerpującyrozpoznać zjawiska, które występująna złączu grafen oraz TaS2. W ramach ćwiczenia proponowane są badania ramanowskie oraz z wykorzystaniem mikroskopii sił atomowych (AFM), skaningowej mikroskopii tunelowej (STM) struktur grafen/TaS2. Planowane jest rozszerzenie badań na struktury hybrydowe z TaSe2 oraz innymikryształami TMCD. Literatura: G. Liu, B. Debnath, T.R. Pope, T.T. Salguero, R.K. Lake, A.A. Balandin, Nature Nanotechnology 11 (2016) 845.
Opiekun prof. dr hab. Andrzej Wysmołek, prof. dr hab. Roman Stępniewski
Badania grafenu płatkowego i jego pochodnych
Grafen płatkowy i jego pochodne uzyskiwane z grafitu metodami fizyko-chemicznymi ma wiele potencjalnych zastosowań, szczególnie tam, gdzie zdefektowanie jest raczej zaletą niż wadą. Płatkowy tlenek grafenu oraz zredukowany tlenek grafenu (w założeniu grafen) może byćwykorzystany w zastosowaniach np. do przewodzących tuszy, przezroczystych i przewodzących elektrod w ogniwach słonecznych, elektrod w bateriach, superkondensatorach, biosensorach selektywnie reagujących na zewnętrzne bodźce chemiczne w gazach i cieczach.Właściwości optyczne i elektryczne grafenu płatkowego i jego pochodnych są przedmiotem intensywnych badań. Ciągle jeszcze wiele procesów zachodzących w tym materiale jest niewyjaśnionych.Ćwiczenie obejmowałoby badania optyczne (efekt Ramana, luminescencja, odbicie w świetle spolaryzowanym) pojedynczych płatków oraz struktur warstwowych odkładanych na różnych podłożach (np. na Si, szkle, GaN, BN), które mogłyby być wykorzystane np. do pomiaru wilgotności, czy też detekcji gazów. Niezależnie od znaczenia aplikacyjnego badania te są bardzo interesujące z punktu widzenia zrozumienia podstawowych procesów zachodzących w grafenie płatkowym, tlenku grafenu i zredukowanym tlenku grafenu. Literatura: J. Binder, J.M. Urban, R. Stepniewski, W. Strupinski, A. Wysmolek, Nanotechnology 27 (2015); Y. Shin, M. Lozada-Hidalgo, J.L. Sambricio, I.V. Grigorieva, A.K. Geim, C. Casiraghi, Applied Physics Letters 108 (2016) 221907.
Opiekun prof. dr hab. Andrzej Wysmołek, prof. dr hab. Roman Stępniewski
Technologia wzrostu i właściwości optyczne warstw epitaksjalnych azotku boru
Azotki stanowią grupę związków chemicznych będących podstawą wielu najnowocześniejszych urządzeń optoelektronicznych takich jak efektywne źródła światła białego (Nagroda Nobla z fizyki 2014), lasery emitujące w zakresie światła niebieskiego i ultrafioletu czy tranzystory mocy pracujący w zakresie GHz.Azotek boru jest najmniej zbadanym materiałem w tej grupie. Właściwości strukturalne i optyczne tego materiału są przedmiotem intensywnych badań. Wyjaśnienia wymaga rola defektów i domieszek w procesach rekombinacji promienistej tych materiałów.Ćwiczenie obejmowałaby uczestnictwo w procesach wzrostu warstw BN i związków mieszanych Al1-xBxN z wykorzystaniem technologii MOVPE oraz badania optyczne (efekt Ramana, luminescencja, odbicie, absorpcja) otrzymanych warstw. Celem badań będzie poznanie fundamentalnych procesów zachodzących w tych materiałach i ich znaczenia dla możliwości zastosowania BN w optoelektronice. Literatura: Y. Stehle, H.M. Meyer, R.R. Unocic, M. Kidder, G. Polizos, P.G. Datskos, R. Jackson, S.N. Smirnov, I.V. Vlassiouk, Chem. Matter. 27 (2015) 8041.
Opiekun prof. dr hab. Roman Stępniewski, prof. dr hab. Andrzej Wysmołek
Własności elektryczne MnTe
Tellurek manganu (MnTe) jest antyferromagnetykiem. W fazie heksagonalnej, w której występuje naturalnie, ma temperaturę Néela około 310 K – nieco powyżej pokojowej, co daje możliwości zastosowań. Myśli się o użyciu antyferromagnetyków dla zapisu informacji, gdyż w odróżnieniu od ferromagnetyków antyferromagnetyki wykazują znikomą wrażliwość na pole magnetyczne, zatem przechowywany układ domen może być trwały. Zmianę stanu namagnesowania można jednak osiągnąć, na przykład przy pomocy prądu elektrycznego, czy też schładzając go w polu magnetycznym poniżej temperatury Néela.
Celem ćwiczenia jest zbadanie własności elektrycznych warstw MnTe, otrzymywanych od niedawna w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego. Warstwy te maja grubość kilkudziesięciu nm, otrzymane są na nieprzewodzącym GaAs, docelowo dla badania ich oddziaływania z MoTe2 (patrz sąsiednie ćwiczenie). W tej chwili nasz stan wiedzy dotyczący własności elektrycznych tych warstw jest bardzo niewielki. Chcemy wyznaczyć ich zależność oporu od temperatury oraz zbadać wpływ pola magnetycznego na opór elektryczny (zjawisko Halla). Doświadczenie będzie wykonywane w kriostacie z cewką nadprzewodzącą do 12T, z dostępnym zakresem temperatur do 320 K do 1.5 K.
Opiekun: dr hab. Marta Borysiewicz
Własności elektryczne MoTe2 na buforze MnTe
Dwutellurek molibdenu należy do grupy dichalkogenków metali przejściowych (DMP). Związki te znane są od dawna. Jednakże dopiero po odkryciu grafenu i jego fascynujących właściwości, zwrócono uwagę na właściwości ultra-cienkich warstw tych materiałów. Okazuje się ze monowarstwy DMP mają prostą przerwę energetyczną, co pozwala myśleć o ich zastosowaniu jako źródeł światła. Szczególnie interesująca jest tu grupa półmetali Weyl’a, do której należy MoTe2. W związku z brakiem symetrii inwersji, zależność dyspersyjna E(k) jest w postaci stożków (liniowa). Pojawia się też niezerowa faza Berry’ego, której obecność prowadzi do nowych zjawisk transporcie (np. nieliniowy efekt Halla, planarny efekt Halla, gigantyczny magnetopór).
Celem ćwiczenia jest zbadanie 1 monowarstwy MoTe2 wychodowanej na MnTe. Chcemy wyznaczyć zależność oporności od temperatury oraz zbadać wpływ pola magnetycznego na oporność (zjawisko Halla). Doświadczenie będzie wykonywane w kriostacie z cewką nadprzewodzącą do 12T, z dostępnym zakresem temperatur do 320 K do 1.5 K.
Opiekun: dr hab. Marta Borysiewicz
Zaliczenie i ocena ćwiczenia nie są zależne od sukcesu naukowego w/w przedsięwzięcia, ale od zaangażowania studenta w podjęte zadanie. Formalnym kryterium zaliczeniowym będzie raport z przeprowadzonego ćwiczenia.
dr. hab B. Piętka