Ćwiczenia III pracowni 2023/2024

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 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, prof UW

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, prof UW

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 

Opiekun dr hab. Wojciech Pacuski, prof UW

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, prof UW

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 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, prof UW

Własności elektryczne MnTe

Heksagonalny tellurek manganu (MnTe) to półprzewodnik o przerwie 1.3V, który jest antyferromagnetykiem. Ta grupa materiałów przeżywa aktualnie swój renesans, ze względu na sprzężenie własności magnetycznych i elektrycznych i potencjał zastosowania w zapisie informacji: w odróżnieniu od ferromagnetyków antyferromagnetyki wykazują znikomą wrażliwość na pole magnetyczne, zatem przechowywany układ domen może być trwały. MnTe jest tu szczególnie interesujący, gdyż wykazuje anomalny efekt Halla [1, 2]: pojawienie się poprzecznego napięcia związanego z namagnesowaniem. Zgodnie z modelem [2] wartość i znak tego napięcia zależą od koncentracji nośników. Celem ćwiczenia jest zbadanie własności elektrycznych nowej próbki z objętościowego kryształu MnTe, aby wyznaczyć koncentrację nośników, zmierzyć anomalny efekt Halla oraz zależność oporu od temperatury. Doświadczenie będzie wykonywane w kriostacie z cewką nadprzewodzącą do 12T, w temperaturach (1.5-320) K. 

[1] K. P. Kluczyk et al., arXiv: 2310.09134 (2023) 

[2] R. D. G. Betancourt et al., Phys. Rev. Lett. 130, 036702 (2023)

Opiekun: dr hab. Marta Borysiewicz 

Własności elektryczne ultracienkiej warstwy MoTe₂

Dwutellurek molibdenu (MoTe₂)  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. Nie jest specjalnie zaskakujące, że właściwości pojedynczych warstw atomowych zależą od otoczenia: stan ładunkowy powierzchni na której leży, naprężenia czy nawet atmosfera istotnie modyfikują przewodnictwo warstw. Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie pomiarów własności elektrycznych pojedynczych warstw MoTe₂, otoczonych azotkiem boru (BN), który stanowi dobrą izolację elektryczną oraz zmiana własności MoTe₂ poprzez bramkowanie. Doświadczenie będzie wykonywane w kriostacie z cewką nadprzewodzącą do 12T, w temperaturach (1.5-320) K.  

Opiekun: dr hab. Marta Borysiewicz 

Własności elektryczne struktur antyferromagnetycznego CoO pokrytego Pt

Pt jest szlachetnym metalem ciężkim wykazującym silne sprzężenie spinowo-orbitalne, które skutkuje występowaniem szeregu ciekawych efektów uwidaczniających się w badaniach magnetotrasportu takich jak spinowy efekt Halla. Kluczową rolę odgrywa w nim powierzchnia Pt. Z tego powodu pomiary elektryczne warstw Pt, które są napylane na izolujące materiały magnetyczne mogą dostarczać informacji o własnościach tych magnetycznych izolatorów. Taka metoda badań jest z powodzeniem stosowana dla ferri- lub antyferromagnetyków. Szczególnie interesujące są te materiały, które wykazują temperaturę krytyczną wyższą od pokojowej ze względu potencjał ich praktycznego wykorzystania w urządzeniach. Należy do nich antyferromagnetyczny CoO. Proponowane doświadczenie będzie polegało na wyznaczeniu zależności oporu w funkcji temperatury, w pobliżu temperatury pokojowej dla układu CoO|Pt (możliwe będzie wykorzystanie pola magnetycznego do 12 T w różnych konfiguracjach geometrycznych). Interpretacja wyników może pozwolić na wnioskowanie o temperaturze krytycznej CoO oraz na skonfrontowanie uzyskanego wyniku z rezultatami uzyskanymi za pomocą innych metod, które wykazują rozbieżności. Metody obrazowania magnetycznego wskazują na temperatury krytyczne powyżej 320 K, zaś w zależności kątowej magnetooporu histeretyczne zachowanie zanika około 270 K. Proponowana tematyka należy do aktualnych badań związanych ze spintroniką antyferromagnetyczną.

Opiekun: dr Michał Grzybowski

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, prof UW

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 

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, prof UW