SCIENTIASCIENTIA

9 grudnia 2010 roku na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki

Stosowanej Uniwersytetu Jagielloń-skiego odbyło się uroczyste otwarcie Laboratorium Nanostruktur, wchodzą-cego w skład Zespołu Laboratoriów Nanotechnologii i Nauki o Powierzch-ni, powstającego w ramach projektu „Badanie układów w skali atomowej: nauki ścisłe dla innowacyjnej gospodarki (ATOMIN)”. Otwarcie było połączone z uruchomieniem zintegrowanego syste-mu do syntezy i diagnostyki nanostruktur – układu do obrazowania i manipulacji obiektami w skali nano [jeden nanometr (1 nm) to jedna miliardowa część metra (10-9m)], zwanego w skrócie Nano-Probe,który znajduje się w Zakładzie Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii Instytutu Fizyki kierowanym przez prof. Marka

Szymońskiego. Układ Nano-Probe jest urządzeniem

unikatowym w skali światowej – na świecie znajdują się jeszcze tylko dwa urządzenia o podobnym potencjale: w Tuluzie (Centre d’Elaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales, CEMES) oraz w Singapu-rze (Institute of Materials Research and Engineering of the Agency for Scien-ce, Technology and Research, IMRE A*STAR)). Każde z nich posiada jednak taką konfi gurację funkcjonalnych kompo-nentów, która czyni je szczególnym nawet

LABORATORIUM NANOSTRUKTUR

w tak unikatowym trio. Krakowski Nano-Probe, wyprodukowany przez fi rmę Omicron NanoTech-nology GmbH, składa się z trzech podstawowych segmentów: tzw. części multi-probe, niskotem-peraturowego mikro-skopu sondy skanującej (low-temperature scan-ning probe microscope,LT-SPM) oraz części preparacyjnej. Segment multi-probe zawdzię-cza swą nazwę temu, że składa się czteropróbni-kowego skaningowego mikroskopu tunelowego (4-probe scanning tunne-ling microscope, STM) dodatkowo sprzężonego z mikroskopem elektro-nowym oraz hemisfe-rycznym analizatorem energii elektronów. Ten ostatni moduł, będący na wyposażeniu jedynie układu krakowskiego, pozwala na przeprowadzanie badań przy wykorzystaniu spektroskopii elektronów Augera, która umożliwia otrzymanie informacji na temat składu chemicznego

badanej próbki. Zatem, prócz informacji na temat topogra-fi i próbki, którą uzyskuje się za pomocą mikroskopu tune-lowego bądź elektronowego, dostępna jest też informacja na temat zawartości poszcze-gólnych pierwiastków na powierzchni analizowanego materiału z wyjątkowo dużą przestrzenną zdolnością roz-dzielczą. Można powiedzieć, że w układzie krakowskim mamy do czynienia ze ska-ningowym mikroskopem

Augera. Z drugiej strony, mikroskop czte-ropróbnikowy w połączeniu z mikrosko-pem elektronowym pozwala na dokładne pozycjonowanie ostrzy skanujących mikro-skopu tunelowego, co otwiera możliwość przeprowadzania pomiarów przewodności elektrycznej nanostruktur z niespotykaną dotąd precyzją. Precyzja pomiaru dotyczy nie tylko możliwości uzyskania kontaktu elektrycznego z bardzo małymi obiektami o rozmiarach rzędu kilku-kilkudziesięciu nanometrów, lecz również natężeń mie-rzonych prądów, które są rzędu dziesią-tych części nanoampera. Tym, co jeszcze bardziej zwiększa potencjał badawczy Nano-Probe, jest jego kolejny segment: niskotemperaturowy mikroskop sondy skanującej. Pozwala on na przeprowadzanie pomiarów w modzie mikroskopu tunelowe-

Zintegrowany system do syntezy i diagnostyki nanostruktur – Nano-Probe fi rmy Omikron NanoTechnology GmbH

Otwarcie Laboratorium Nanostruktur. Od lewej: prof. Grażyna Stochel – dziekan Wydziału Chemii UJ, prof. Zbigniew Sojka – prodziekan Wy-działu Chemii, prof. Jarosław Koperski – prodziekan Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej, kierownik projektu ATOMIN, pre-zentujący układ Nano-Probe prof. Marek Szymoński – kierownik Zakła-du Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii Instytutu Fizyki

Otwarcie Laboratorium Nanostruktur – prezentacja układu Nano-Pro-be. Od lewej: dr Jakub Prauzner-Bechcicki – asystent w Zakładzie Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii, prof. Rafał Abdank-Kozubski – pro-dziekan Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej, oraz prof. Wojciech Gawlik – kierownik Zakładu Fotoniki Instytutu Fizyki

P. P

iątk

ow

ski

K. M

ag

da

K. M

ag

da

11ALMA MATER nr 132

go oraz bezkontaktowego mikroskopu sił atomowych (non-contact atomic force mic-roscope, ncAFM) w temperaturach od 4 K (0 K = –273,15° C) do temperatury pokojo-wej. Dzięki zanurzeniu zarówno skanera ze skanującą sondą, jak i uchwytu na próbkę w kriostacie wypełnianym na przykład cie-kłym helem pracujące urządzenie cechuje się wyjątkową stabilnością, która pozwala na przeprowadzanie pomiarów mikrosko-powych, spektroskopowych o wysokiej rozdzielczości oraz na manipulację w skali atomowej, na przykład przesuwanie ato-mów na badanej powierzchni(!). Co więcej, moduł ncAFM pozwala na pomiary próbek nieprzewodzących prądu elektrycznego (co nie jest możliwe w mikroskopie tunelo-wym), jak również na równoczesny pomiar siły oddziaływania pomiędzy skanującym ostrzem a badaną powierzchnią oraz pomiar prądu tunelowego. Dopełnieniem tego wysublimowanego układu badawczego jest segment preparacyjny służący do przygo-towywania badanych próbek. Składa się on z manipulatora umożliwiającego usta-wianie i obracanie próbki w przestrzeni, jej podgrzewanie do temperatury 1000 K (przy użyciu drobnej modyfi kacji w mon-towaniu próbki można osiągnąć tempera-turę do 1200 K) lub ochłodzenie do 100 K, działa jonowego, układu do badania dyfrakcji niskoenergetycznych elektronów oraz z wielu portów pozwalających na

Realizacja kierowanego przez prof. Jarosława Koperskiego projektu „Badanie układów w skali ATOMowej: nauki ścisłe dla INnowacyjnej gospodarki – ATOMIN” umożliwia Wydziałowi Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej oraz Wydziałowi Chemii zwiększenie swojego potencjału badawczego w niespotykanym dotąd stopniu. Projekt, którego budżet wynosi ponad 92 miliony złotych, jest realizowany w ramach Programu Operacyjnego Innowa-cyjna Gospodarka, priorytet 2. Infrastruktura Sfery B+R, działanie 2.1. Rozwój ośrodków o wysokim potencjale badawczym. Celem nadrzędnym projektu jest wzrost konkurencyjności obu wydziałów poprzez rozwinięcie krytycznego potencjału dla podjęcia zaawansowanych badań w obszarach info, techno i bio. Projekt ATOMIN umożliwi rozwój innowacyjnych prac aplikacyjnych w oparciu o gruntowną wiedzę podstawową z nauk ścisłych, wspartą zaawansowanym modelowaniem komputerowym. Oddziaływanie zewnętrzne powstałego w ten sposób ośrodka zintegrowanych badań w dziedzinie nauk ścisłych polegać będzie na intensyfikacji współpracy z instytucjami naukowymi, uczelnianymi w kraju i za granicą, jednostkami badawczo-wdro-żeniowymi, przedsiębiorstwami oraz z instytucjami użyteczności publicznej. W wyniku realizacji Projektu ATOMIN zostanie powołanych kilka między-wydziałowych zespołów laboratoriów (m.in. Zespół Zaawansowanych Materiałów, Nanotechnologii i Nauki o Powierzchni, w skład którego wchodzi Laboratorium Nanotechnologii, Zastosowań Biomedycznych Fizyki i Chemii; Fotoniki, Spektroskopii i Laserowych Technologii Kwantowych; Zaawanso-wanych Technologii Obliczeniowych), które zostaną wyposażone w nowoczesną aparaturę naukowo-badawczą (ponad 130 urządzeń), pozwalającą na prowadzenie innowacyjnych badań o charakterze podstawowym i aplikacyjnym. Projekt ATOMIN jest realizowany w latach 2009–2012.

wkomponowanie dodatkowych elementów wymaganych w danym eksperymencie, na przykład komórek efuzyjnych do de-pozycji molekuł organicznych. Wszystkie trzy segmenty składają się z elementów najwyższej jakości, dzięki którym możliwe jest przeprowadzanie bardzo złożonych eksperymentów w kontrolowanych warun-kach ultrawysokiej próżni (ciśnienie poni-żej 3 × 10-10 mbar), rozpoczynających się przygotowaniem próbki, a zakończonych wyczerpującą i pełną jej analizą.

Potencjał badawczy Laboratorium Nanostruktur oraz grupy naukowców kie-rowanej przez prof. Marka Szymońskiego został doceniony przez Komisję Euro-pejską poprzez przyznanie fi nansowania w ramach 7. Programu Ramowego Unii Europejskiej dla zintegrowanego projektu „Atomic Scale and Single Molecule Logic Gate Technologies (AtMol)”, zapropo-nowanego przez konsorcjum składające się z 11 strategicznych partnerów, w tym Uniwersytetu Jagiellońskiego. AtMol jest jedynym tego typu projektem fi nansowa-nym w ramach akcji „Future Emerging Technologies Proactive Information and Communication Technologies (FET Pro-active ICT Call 6)”. Warto zaznaczyć, że ośrodki w Tuluzie i Singapurze, dysponują-ce pozostałymi dwoma układami ekspery-mentalnymi o porównywalnej konfi guracji i możliwościach jak ten, który znajduje się w krakowskim Laboratorium Nanostruktur, są również członkami konsorcjum, które realizuje projekt AtMol. Przez wzgląd na ścisłą współpracę w ramach konsorcjum pracownicy Uniwersytetu Jagiellońskiego znajdują się w wąskim gronie ekspertów dysponujących zarówno doświadczeniem, jak i aparaturą, co umożliwia realizację badań o charakterze przełomowym. Stawia to nasz Uniwersytet w ścisłej czołówce światowej ośrodków zajmujących się badaniami struktur w skali nano, a kadrze badawczej i studentom Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej stwa-rza nieosiągalne dotąd możliwości pracy z urządzeniem unikatowym, pozwalającym na uzyskiwanie wyników na najwyższym światowym poziomie.

Otwarcie Laboratorium Nanostruktur – prezenta-cja układu nano-probe. Od lewej: prof. Grażyna Stochel – dziekan Wydziału Chemii, prof. Zbi-gniew Sojka – prodziekan Wydziału Chemii, oraz Mateusz Wojtaszek – doktorant w Zakładzie Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii Instytutu Fizyki

Górny panel: widok na uchwyt na próbkę w czte-ropróbnikowym systemie Nano-Probe; w górnej części zdjęcia widoczna jest kolumna mikroskopu elektronowego, a obok niej wlot do analizatora energii elektronów; poniżej kolumny widoczne trzy z czterech ostrzy mikroskopu tunelowego. Dolny panel: obraz czterech ostrzy mikroskopu tunelowe-go otrzymany za pomocą mikroskopu elektrono-wego (w widocznej konfi guracji odległość między ostrzami jest rzędu kilkudziesięciu mikrometrów)

Obraz próbki 220 nm × 270 nm składającej się ze srebra zdeponowanego na germanie. Kolejno od lewej: obraz z mikroskopu tunelowego, obraz z mikroskopu elektronowego i obraz z mikroskopu Augera. Na zdjęciu z mikroskopu tunelowego wi-doczne są jasne nanostruktury o wysokości 2,5 nm. Na zdjęciu z mikroskopu elektronowego te obszary są widoczne w kolorze jasnoczerwonym. Na zdjęciu z mikroskopu Augera te same obszary widoczne są jako ciemne obiekty. Obraz z mikroskopu Augera był rejestrowany przy takim zestawie parametrów, by uwidocznić rozkład germanu na badanej po-wierzchni, stąd też zidentyfi kowane struktury są wyspami srebra (ciemne obszary) na powierzchni germanu (jasne obszary) o rozmiarach kilkudzie-sięciu nanometrów i wysokości 2,5 nm

K. M

ag

da

M. W

ojta

sze

k

M. W

ojta

sze

k

Jakub Prauzner-Bechcickiasystent w Zakładzie Fizyki Nanostruktur

i Nanotechnologii Instytutu Fizyki UJMarek Szymoński

profesor zwyczajny kierownik Zakładu Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii Instytutu Fizyki UJ

Jarosław Koperskiprofesor nadzwyczajny w Zakładzie Optyki

Atomowej Instytutu Fizyki UJ, kierownik projektu ATOMIN