Pracownia Badania Powierzchni Tlenków

Pracownia Badań Powierzchni Tlenków wchodzi w skład Zakładu Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii. Zajmuje się przede wszystkim badaniem procesu adsorpcji i morfologii adsorbatów organicznych na powierzchniach tlenków.

Metodologia

Badania prowadzone są w warunkach ultrawysokiej próżni (UHV, 1x10^-10 mbar) w celu zachowania jak największej kontroli nad procesami zachodzącymi na powierzchni. Badana powierzchnia pozostaje niezmienna w takich warunkach przez długi czas, co pozwala na analizę jej struktury nawet w skali atomowej. Zasadniczym urządzeniem badawczym jest mikroskop bliskich oddziaływań STM/AFM firmy Omicron działający w temperaturze pokojowej. Metoda ta pozwala, dzięki skanowaniu powierzchni ostrzem, na obrazowanie topografii powierzchni poprzez pomiar prądu tunelowego płynącego pomiędzy ostrzem a powierzchnią (skaningowy mikroskop tunelowy, STM) lub poprzez pomiar siły działającej na ostrze z znajdujące się w pobliżu powierzchni (bezkontaktowy mikroskop sił atomowych, NC-AFM). Dzięki pewnym modyfikacjom możliwy jest również pomiar lokalnego potencjału kontaktowego (LCPD) dzięki zastosowaniu mikroskopii kelvinowskiej.

Przykłady badań

Porfiryny są jednym z najbardziej interesujących rodzin barwników organicznych. Ich struktura może być modyfikowana w kontrolowany sposób poprzez dobór odpowiedniego atomu metalu znajdującego się w centrum molekuły (zmienia to pasmo absorpcji promieniowania elektromagnetycznego) bądź poprzez dodawania grup modyfikujących ich mechaniczne właściwości. Dzięki temu porfiryny znajdują zastosowanie w wielu technologiach, na przykład w organicznych ogniwach słonecznych (dye sensitized solar cells, DSSC), gdzie aktualny rekord wydajności należy do ogniwa uczulonego zmodyfikowanymi porfirynami cynku. Morfologia warstwy molekularnej ma istotne znaczenie dla trwałości oraz właściwości transportowych warstwy. W naszych badaniach analizowaliśmy morfologię warstw porfiryn modyfikowanych poprzez dodanie grup kotwiczących na powierzchniach ditlenku tytanu, który jest najpopularniejszym podłożem przy konstrukcji DSSC. Dzięki badaniom prowadzonym na różnych powierzchniach rutyli i anatazu można było pokazać tendencje i zachowanie molekuł przy stosunkowo niskich pokryciach oraz ustalić mechanizm stabilizacji warstwy.

Więcej o porfirynach na ditlenku tytanu można przeczytać w:

• P.Olszowski et al., J. of Phys. Chem. C, 119, (2015) 21561
• Ł. Zając, et al. Appl. Surf. Sci., 379, (2016) 277
• Ł. Zając, et al. Appl. Surf. Sci., 443, (2018) 452

Ftalocyjaniny są również szeroko stosowanymi barwnikami organicznymi. Ich właściwości są w dużej mierze zdefiniowane przez atom metalu związany w ich strukturze. W przypadku mniejszych atomów, mieszczą się one w przestrzeni wewnątrz molekuły i molekuła pozostaje płaska. Jednak gdy wewnątrz struktury związany zostanie duży atom – na przykład cyny, nie mieści się on i molekuła traci swoją symetrie odbiciowa względem swojej płaszczyzny. Towarzyszy temu przesunięcie ładunku prowadzące do powstania momentu dipolowego. A to z kolei ma bardzo istotny wpływ na mechanizm adsorpcji – ftalocyjaniny cyny (SnPc) na mało reaktywnej powierzchni (011) tlenku tytanu wykazują dwie struktury, oraz można zaobserwować proces odwilżania – w temperaturze pokojowej z czasem molekuły przechodzą ze struktury współmiernej do struktury niewspółmiernej. Jednocześnie na powierzchni (110) obecność momentu dipolowego powoduje że są tak mocno związane z powierzchnią że nie są w stanie stworzyć zorganizowanej struktury, a jedynie pod wpływem temperatury orientują się atomem cyny w stronę podłoża.

Więcej o porfirynach na ditlenku tytanu można przeczytać w:

• L. Bodek, et al. J. of Phys. Chem. C, 123, (2019) 9209
• L. Bodek, et al. Beilstein J. Nanotechnol., 11, (2020) 821

Członkowie grupy:

• dr hab. Bartosz Such, prof. UJ - Kierownik

Kontakt