O historii Zakładu Fizyki Ciała Stałego

• Pierwsze 49 lat (tekst Mariana Grynberga)
• Kierownicy
• Przeprowadzki
• Tematyka badań

Pierwsze 49 lat

Z historii Zakładu Fizyki Ciała Stałego

Marian Grynberg
tekst z tomiku "75 lat fizyki na Hożej" (drobne uzupełnienia oznaczone kursywą)

Po zakończeniu II wojny światowej powrócił z Anglii profesor Leonard Sosnowski, który znalazł się tam po wyzwoleniu z niemieckiego obozu jenieckiego. W trakcie swojego krótkiego pobytu w Anglii zetknął się z fizyką półprzewodników, pracując wspólnie z Jerzym Starkiewiczem nad związkami ołowiu, głównie w aspekcie detekcji promieniowania podczerwonego. Wykształcony przez Stefana Pieńkowskiego w optyce atomowej (praca magisterska w 1932 roku), tuż przed wojną zajął się fizyką jądrową (dysertacja doktorska 1939/44), a po wojnie związał się z fizyką ciała stałego, której pozostał wierny przez następne 40 lat.

Pod kierunkiem Leonarda Sosnowskiego (1 września 1947 roku) powstała Katedra Elektroniki i Radiologii, w której zajęto się fizyką półprzewodników: głównie problematyką związków ołowiu, luminescencją związków typu ZnS, cienkimi warstwami oraz badaniami rentgenowskimi. Stopniowo Katedra rozrastała się i "pączkowała". Jako pierwszy oddzielił się zespół kierowany przez Juliana Auleytnera, tworząc Zakład Badań Strukturalnych.

Od czasu utworzenia Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk, którego poważna część mieściła się na Hożej, zespoły uniwersyteckie i PAN-owskie pracowały w pełnej symbiozie, powiązane również licznymi więzami personalnymi. Bronisław Buras rozpoczął tworzenie zespołu, który współpracując z kolegami z Instytutu Badań Jądrowych w Świerku, zajmował się neutronografią oraz defektami radiacyjnymi w kryształach. Aniela Wolska starała się stworzyć laboratorium badań mikrofalowych, które jednak nie rozwinęło się w większy zespół naukowy. Najliczniejsza grupa fizyków skupiła się wokół Wiesława Wardzyńskiego, który po stażu naukowym w Anglii rozwijał badania optyczne półprzewodników II-VI w obszarze ekscytonowym.

Z drugiej polowy lat pięćdziesiątych pochodzą prace Ignacego Filińskiego na temat wpływu pola elektrycznego na podstawową krawędź absorpcji. Był to ważny rezultat, którego znaczenie w rozwijanych do dziś badaniach elektro- i fotoodbicia w ciele stałym jest trudne do przecenienia.

Stworzenie w ramach wspólnego laboratorium Instytutu Fizyki PAN (Witold Giriat) i Uniwersytetu (Wiesław Wardzyński) pracowni krystalizacji materiałów półprzewodnikowych otworzyło nowe i szerokie pole prac. Ze względu na ograniczone możliwości technologiczne wytwarzano początkowo materiały III-V (InSb), a następnie wyłącznie kryształy grupy II-VI, głównie CdTe, CdSe, HgTe oraz związki mieszane tych półprzewodników.

Stworzenie bazy technologicznej pozwoliło rozwinąć badania wpływu różnego typu domieszkowania oraz badanie prostych struktur do badań fotowoltaicznych. Zespół pracujący wokół Wiesława Wardzyńskiego zajmował się głównie badaniami optycznymi półprzewodników z szeroką przerwą energetyczną, podczas gdy koledzy z IF PAN interesowali się głównie półprzewodnikami z bardzo wąską i zerową przerwą energetyczną. Zespoły naukowe łączyła bardziej tematyka naukowa niż przynależność organizacyjna.

Z tego okresu datują się znaczące prace Jerzego Gintera (UW) i Wandy Szymańskiej (IF PAN) na temat zjawisk termomagnetycznych i galwanomagnetycznych, wnoszące istotny wkład do wiedzy o mechanizmach rozpraszania nośników prądu w półprzewodnikach z wąską przerwą energetyczną. Znaczącym rezultatem była praca R. Piotrzkowski, S. Porowski, Z. Dziuba, J. Ginter, W. Giriat, L. Sosnowski „Band Structure of HgTe" z 1965 roku, gdzie ^-wykazano eksperymentalnie, że HgTe jest półprzewodnikiem z zerową przerwą energetyczną.

W końcu lat pięćdziesiątych i latach sześćdziesiątych istotnym ograniczeniem w rozwoju naukowym Katedry, wówczas już Katedry Fizyki Ciała Stałego, był brak dostępu do cieczy kriogenicznych. Uniemożliwiało to badania w niskich temperaturach, co dla fizyki półprzewodników jest sprawą kluczową. Dzięki współpracy z IF PAN na początku lat sześćdziesiątych uzyskaliśmy skromny dostęp do ciekłego helu w budynku PASTY na ul. Zielnej (Jerzy Raułuszkiewicz IF PAN). Prowadził tam badania spektroskopowe ekscytonów Wiesław Wardzyński.

W połowie lat sześćdziesiątych uruchomiono na Hożej duży (5000 1) zbiornik ciekłego azotu, co umożliwiło dalszy rozwój kriogeniki. W drugiej połowie lat sześćdziesiątych "opleciono" Hożą instalacją odzysku gazowego helu i rozpoczęto pomiary helowe ze skraplanym w IF PAN helem. Otworzyło to nowe możliwości, ale też i wykazało skalę potrzeb i cenę, jaką przyszło zapłacić fizyce ciała stałego na Hożej za opóźnienia w rozwoju kriogeniki. Pojawiły się pierwsze magnesy nadprzewodzące, tematyka badań szybko zaczęła przybliżać się do poziomu europejskiego. Rozpoczęto badania optyczne z użyciem zewnętrznych pól, takich jak jednoosiowe naprężenia (Marian Grynberg) i pola magnetyczne (Jan Gaj i Michał Nawrocki), które umożliwiły rozszyfrowanie szczegółów struktury pasmowej półprzewodników II-VI.

W końcu lat sześćdziesiątych rozpoczęto zainicjowane przez Jacka Baranowskiego badania metodami optycznymi silnie zlokalizowanych stanów domieszek metali przejściowych w kryształach II -VI z szeroką przerwą energetyczną oraz wybranych kryształach III-V. Tematyka ta przez szereg lat była szeroko uprawiana w Zakładzie i doprowadziła do głębszego zrozumienia struktury energetycznej "głębokich" domieszek i ich sprzężenia z siecią krystaliczną.

W początkach lat siedemdziesiątych ze stosunkowo licznego już wówczas Zakładu Fizyki Ciała Stałego został wyodrębniony Zakład Spektroskopii Półprzewodników, kierowany p zez Wiesława Wardzyńskiego. Istotne zmiany nastąpiły po wyprowadzeniu się zespołu Instytutu Fizyki PAN z Hożej do nowozbudowanego budynku instytutu w Al. Lotników. Zakład odtwarzał z dużym wysiłkiem materialnym i ludzkim technologię wzrostu kryształów. Dotyczyło to wyłącznie kryształów II-VI na bazie związków kadmu. Technologia została odbudowana, ale nigdy nie osiągnęła już tej świetności, którą posiadała we wspólnym zespole IF PAN i Zakładu Fizyki Ciała Stałego.

Również na początku lat siedemdziesiątych, po emigracji z kraju Bronisława Burasa, do Zakładu dołączył Wacław Nazarewicz, który od szeregu już lat badał drgania własne domieszek w sieci krystalicznej półprzewodników. Podstawową metodą była spektroskopia w dalekiej podczerwieni. Wacław Nazarewicz własnymi siłami zbudował próżniowy spektrometr dalekiej podczerwieni o bardzo dobrych parametrach i nowoczesnych rozwiązaniach technicznych. W późniejszym czasie starał się rozszerzyć tą tematykę przez zastosowanie techniki Ramana. Zbudowany został dwusiatkowy spektrometr Ramanowski, jednakże okres największego rozkwitu tej tematyki przypadł na połowę lat siedemdziesiątych.

Po "odpączkowaniu" od Zakładu grupy Juliana Auleytnera, a następnie Bronisława Burasa, pozostały zespół, rozdzielony formalnie na dwa Zakłady: Ciała Stałego i Spektroskopii Ciała Stałego, miał wyraźnie określony profil doświadczalny. Dominowały badania spektroskopowe. Profesor Leonard Sosnowski, który jak mnie się wydaje z perspektywy lat, był bliżej związany z efektami kolektywnymi typu transportu bądź magnetotransportu, to ukierunkowanie naukowe Zakładu silnie popierał.

Ograniczone możliwości technologii wzrostu kryształów, połączone ze skromnym wyposażeniem spektroskopowym, wymuszały działania w stronę trudnych doświadczeń, które niechętnie podejmowane były w bogatych laboratoriach. Taką niewątpliwie trudną techniką są wysokie ciśnienia hydrostatyczne. We współpracy z grupą Sylwestra Porowskiego z IF PAN "zaimplantowano" tę technikę w Zakładzie. Początkowo były to tylko pomiary galwanomagnetyczne (Jolanta Stankiewicz), a następnie fotoprzewodnictwa i innych pomiarów optycznych, realizowane już przez Michała Baja. Rozpoczęto też badania struktury elektronowej metodami optycznymi i magnetooptycznymi w dalekiej podczerwieni (Marian Grynberg, Andrzej Witowski).

Doświadczenia zdobyte przy badaniach domieszek metali przejściowych w półprzewodnikach II-VI skierowały zainteresowania na silnie domieszkowane Mn kryształy oraz kryształy mieszane CdTe-MnTe i CdSe-MnSe. Dało to początek badaniom magnetooptycznym tzw. półprzewodników półmagnetycznych, która to dziedzina na długie lata stała się specjalnością grupy warszawskiej (Jerzy Ginter, Jan Gaj, Michał Nawrocki). Z wielu istotnych osiągnięć tej grupy warto wspomnieć badania polaronu magnetycznego na płytkim donorze, zaobserwowanym przez Michała Nawrockiego z kolegami z Paryża. Półprzewodniki półmagnetyczne z wąską przerwą energetyczną badane były głównie metodami magnetooptycznymi w dalekiej podczerwieni (Krzysztof Pastor, Roman Stępniewski).

Przez kilkanaście lat w Zakładzie działała grupa „Móssbauerowska", która utworzona została w Zakładzie Metod Jądrowych Fizyki Ciała Stałego przez Bronisława Burasa. Mimo licznych wysiłków Andrzeja Kotlickiego, aby zbliżyć tematycznie grupę do prac prowadzonych w pozostałej części Zakładu, zbliżenie takie nigdy nie nastąpiło. Specyficzna tematyka tego małego zespołu dotyczyła głównie problemów szkieł metalicznych zawierających żelazo. W końcu lat osiemdziesiątych zespól ten przestał istnieć w Zakładzie (pracownicy przeszli do pracy poza Uczelnią).

W połowie lat siedemdziesiątych prace Zakładu znajdowały się na dobrym europejskim poziomie i stan ten utrzymywał się przez szereg następnych lat. Jak się jednak później okazało, był to czas, w którym nastąpiło "rozejście" się tematyki uprawianej w Zakładzie z wiodącymi na świecie nurtami fizyki półprzewodników. Zapoczątkowany wówczas gwałtowny rozwój nierównowagowych metod wzrostu kryształów, takich jak epitaksja z wiązek molekularnych (MBE), czy metody osadzania ze związków metaloorganicznych, pozwoliły uzyskiwać struktury o kontrolowanych w skali atomowej grubościach. Otworzyło to pole badań układów o obniżonej wymiarowości. Brak środków materialnych nie pozwolił na "zabranie się do tego szybko odjeżdżającego pociągu". W miarę upływu lat tematyka z Hożej była coraz mniej konkurencyjna wobec tej nowej i pasjonującej fizyki. Istniejące ciągle pozostałości żelaznej kurtyny nie pozwalały korzystać w Warszawie z próbek wykonywanych za granicą i przenieść na nasz grunt prac, które realizowali pracownicy Zakładu w trakcie licznych staży zagranicznych.

W połowie lat osiemdziesiątych, wspólnie z Zakładem Wysokich Ciśnień oraz przy przychylności Instytutu Fizyki PAN, powstało w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego Laboratorium Fizyki Wzrostu Kryształów. Przy ul. Przyokopowej, w starej elektrowni tramwajowej, powstało laboratorium dysponujące wysokociśnieniowym układem do uzyskiwania monokryształów związków III-V metodą Czochralskiego (z myślą o podłożach dla epitaksji) oraz układem MOCVD. Ogromnym wysiłkiem finansowym i wielkim wysiłkiem ludzkim (Wojciech Kuszko, a następnie Roman Stępniewski) powstało laboratorium zdolne wytwarzać materiały i struktury o obniżonej wymiarowości. W okresie tworzenia tego laboratorium uczelnia nie dysponowała silami, które mogłyby zrealizować te ambitne plany, powołano więc spółkę "Laboratorium Fizyki Wzrostu Kryształów", której celem było stworzenie od podstaw laboratorium technologicznego. Jest to prawdopodobnie najpoważniejsze przedsięwzięcie organizacyjne w historii Zakładu.

Pojawienie się struktur i materiałów nowej generacji spowodowało silny nacisk na rozbudowę kriogeniki. Już nie tylko zaawansowane eksperymenty, ale nawet pomiary charakterystyk otrzymanych materiałów, wymagały znacznej ilości ciekłego helu. Sprowadzanie helu z wytwórni w Odolanowie w 1000 litrowym zbiorniku zakupionym w końcu lat siedemdziesiątych, stało się niewystarczające. Na początku lat dziewięćdziesiątych rozpoczęto starania o zakup skraplarki, która ruszyła w 1995 roku.

Badania półprzewodników półmagnetycznych doprowadziły do pojawienia się zagadnienia oddziaływań pomiędzy zlokalizowanymi "spinami" prowadzących do magnetycznych własności. Uzyskanie niezwykle czułego magnetometru SQUID-owego pozwoliło rozszerzyć badania na własności magnetyczne (Andrzej Twardowski). Czułość metod stosowanych pozwala badać już nie tylko lite kryształy półmagnetyczne, ale również studnie kwantowe (magnetyczne i niemagnetyczne) z barierami magnetycznymi. Struktury wytwarzane są metodami MBE w Instytucie Fizyki PAN (Jacek Kossut).

W badaniach magnetycznych, początkowo półprzewodników półmagnetycznych, a następnie nadprzewodników wysokotemperaturowych, wykorzystywano również precesję spinu mionów (Andrzej Golnik). Część doświadczalna prac wykonywana była w "fabryce" mionów w Villigen w Szwajcarii.

Szeroko rozwijane w latach siedemdziesiątych badania silnie zlokalizowanych domieszek, rozwinęły się w latach osiemdziesiątych w badania równie zlokalizowanych defektów, głównie w półprzewodnikach III-V. Opanowane w Zakładzie techniki pomiarowe przyniosły szczególnie spektakularny rezultat przy rozszyfrowaniu struktury podstawowego defektu w półizolacyjnych kryształach GaAs. Model zaproponowany przez Marię Kamińską na podstawie badań piezooptycznych, zyskał - po latach kontestacji - akceptację w środowisku fizyków pólprzewodnikowców. Jest to jeden z ważniejszych rezultatów drugiej polowy lat osiemdziesiątych.

Zakład Fizyki Ciała Stałego jest najliczniejszym w uczelniach polskich zespołem zajmującym się fizyką półprzewodników (mniej liczne zespoły pracują na Uniwersytecie Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu i w Politechnice Wrocławskiej). Najściślejsza współpraca naukowa występuje z dwoma warszawskimi instytutami PAN: Instytutem Fizyki i Centrum Wysokich Ciśnień "Unipress".

Od ponad 45 lat prowadzone jest seminarium z fizyki ciała stałego, które w każdy piątek gromadzi na Hożej ponad 50 uczestników z Zakładu, instytutów PAN oraz studentów i magistrantów. Seminarium to pełni istotną rolę integracyjną warszawskiego środowiska fizyków półprzewodnikowców.

Od 25 lat Zakład współorganizuje corocznie Międzynarodową Szkołę Fizyki Związków Półprzewodnikowych w Jaszowcu. Ta początkowo bardzo lokalna warszawska inicjatywa przerodziła się w ważne międzynarodowe spotkanie pólprzewodnikowców (ponad 200 uczestników, liczni zagraniczni referenci i uczestnicy).

Kontakty z laboratoriami zagranicznymi stanowiły zawsze istotny element w działalności Zakładu; bardzo zabiegał o nie profesor Leonard Sosnowski, a po jego przejściu na emeryturę - jego następcy. Już w końcu lat pięćdziesiątych, kiedy tylko została nieco "uchylona" żelazna kurtyna, Wiesław Wardzyński odbył staż w Anglii, a później Ignacy Filiński - w Stanach Zjednoczonych. Jako zasadę przyjmowano, że pracownicy, którzy po doktoracie pozostawali w Zakładzie, odbywali roczny (bądź dwuletni) staż naukowy w laboratoriach zagranicznych. Początkowo były to laboratoria angielskie i amerykańskie (Purdue, MIT, Stanford), a od początku lat siedemdziesiątych laboratoria francuskie (Uniwersytet Paryski, Ecole Normale, Ecole Polytechnique i inne) i laboratoria niemieckie. Stały kontakt z licznymi laboratoriami zachodnimi miał istotny wpływ na rozwój tematyk i metod badawczych w Zakładzie. W odróżnieniu od Instytutu PAN, Zakład nie posiadał praktycznie żadnych kontaktów naukowych w byłym ZSRR i innych krajach RWPG.

W roku 1972 i 1988 Zakład współorganizował Międzynarodowe Konferencje Fizyki Półprzewodników (ICPS) w Warszawie. Jest to ewenement, jako że praktycznie nie zdarza się, aby temu samemu ośrodkowi powierzać dwukrotnie organizację tej najpoważniejszej konferencji międzynarodowej w dziedzinie fizyki półprzewodników. Obecnie pracownicy Zakładu współpracują z dwudziestoma ośrodkami zagranicznymi w Europie, Stanach Zjednoczonych, Japonii, Chinach i Australii.

Kierownikiem Zakładu Fizyki Ciała Stałego był do 30 IX 1981 r. profesor Leonard Sosnowski, następnie, w okresie 1 X 1981 - 30 IX 1984 - profesor Jacek Baranowski, a od 1 X 1984 r. - Marian Grynberg.

Kierownicy

Zakładem kierowali kolejno: Leonard Sosnowski (1947-1981), Jacek Baranowski (1981-1984), Marian Grynberg (1984-2003), Michał Baj (2003-2006), Roman Stępniewski (2006-2009), Michał Nawrocki (2009-2013) , Andrzej Golnik (2014-2025), Andrzej Wysmołek (2025-).

Sekretarkami były: Halina Wiśniewska, Joanna Konwicka, Magda Białkowska (2006-2009), Olga Babicka (2009-), Agata Dębska i Ewelina Król (2023-).

Przeprowadzki

W roku 2015 nastąpiła przeprowadzka laboratoriów Zakładu do dwóch nowych budynków:
Laboratoria z Hożej 69 trafiły na Pasteura 5 (budynek główny Wydziału Fizyki, piętra -1 i 3) zaś większość laboratoriów z wyburzanego budynku warsztatów na Banacha 2c (laboratoria Wydziału Fizyki w budynku CeNT, piętro 1).