Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Linie badawcze

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Przykłady zastosowania

Rodzaje badań

  • badania nowy materiałów: spintronika, magnetoelektronika, izolatory topologiczne,
  • badania cienkich warstw i wielowarstw, włączając w to próbki wytworzone in situ,
  • badania powierzchniowe materiałów litych,
  • badania powierzchniowego magnetyzmu, stanów powierzchniowych spolaryzowanych spinowo,
  • reakcje chemiczne zachodzące na powierzchni, badania modelowych katalizatorów,
  • badania biomateriałów.

Przykłady badań

  1. Ewa Młyńczak z Instytutu Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN w Krakowie

Wstęp

Mimo że elektroniczne struktury pasmowe materiałów ferromagnetycznych są badane teoretycznie i eksperymentalnie od dziesięcioleci, wciąż istnieje wiele otwartych pytań i niedawno odkrytych niespodziewanych właściwości, które motywują do dalszych badań w tym kierunku. Przykładem mogą być niektóre ostatnio opublikowane prace teoretyczne, które wykazały, że żelazo o strukturze regularnej przestrzennie centrowanej (body centered cubic - bcc) jest topologicznie nietrywialnym metalem [1]. W ostatnich latach pokazano, że bcc Fe podlega niezwykłej interakcji elektron-magnon, co skutkuje pojawieniem się załamania wysokoenergetycznego w jednym z pasm mniejszościowych [2]. W szczególności eksperymentalnie wykazano również obecność oraz otwieranie/zamykanie się przerwy sprzężenia spinowo-orbitalnego (spin-orbit gap, SOG) w wyniku przełączania namagnesowania w warstwie Fe naniesionej na monokryształ Au(001) [3]. Istnienie SOG w pobliżu poziomu Fermiego jest kluczowe dla wielu zjawisk, takich jak anizotropia magnetokrystaliczna, magnetooporność anizotropowa czy samoistny anomalny efekt Halla [4].
 
Eksperyment
Fotoemisyjne pomiary kątowo-rozdzielczych widm (ARPES) zostały wykonane dla cienkiej warstwy Fe(001) osadzonej na monokrysztale Au(001). Warstwa Fe o grubości 40 warstw atomowych została naniesiona in situ w stacji końcowej PHELIX, w temperaturze ciekłego azotu, aby powstrzymać dyfuzję atomów Au w kierunku powierzchni Fe. Taka procedura przygotowania próbki skutkuje niemal idealną jakością krystaliczną otrzymanej warstwy Fe. Próbka została namagnesowana przed pomiarem. 
 
Wyniki
Rys.1 (a) przedstawia fragment powierzchni stałej energii w pobliżu poziomu Fermiego, odpowiadający części powierzchniowej strefy Brillouina Fe(001) wokół punktu M (zaznaczonego na schemacie niebieskim przerywanym prostokątem). Koncentryczne kształty reprezentują stany elektronowe studni kwantowej, które istnieją w warstwie Fe ze względu na jej ograniczoną grubość. Rys.1 (b) przedstawia dyspersję wzdłuż kierunku przecinającego punkt M zaznaczonego czerwoną przerywaną linią. Pomiary wykonano przy użyciu światła spolaryzowanego liniowo o energii 70 eV. Podczas tego eksperymentu badano zależne od magnetyzacji modyfikacje elektronowej struktury pasmowej Fe w pobliżu poziomu Fermiego.
 
Wyniki zostały udostępnione dzięki uprzejmości Ewy Młyńczak z Instytutu Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN w Krakowie.
 
Bibliografia:
[1] D. Gosálbez-Martínez, I. Souza, and D. Vanderbilt, “Chiral degeneracies and Fermi-surface Chern numbers in bcc Fe,” Phys. Rev. B, vol. 92, no. 085138, pp. 1–22, 2015, doi: 10.1103/PhysRevB.92.085138.
[2] E. Młyńczak et al., “Kink far below the Fermi level reveals new electron- magnon scattering channel in Fe,” Nat. Commun., vol. 10, no. 505, pp. 1–5, 2019, doi: 10.1038/s41467-019-08445-1.
[3] E. Młyńczak et al., “Fermi Surface Manipulation by External Magnetic Field Demonstrated for a Prototypical Ferromagnet,” Phys. Rev. X, vol. 6, no. 041048, pp. 1–13, 2016, doi: 10.1103/PhysRevX.6.041048.
[4] Y. Yao et al., “First Principles Calculation of Anomalous Hall Conductivity in Ferromagnetic bcc Fe,” Phys. Rev. Lett., vol. 92, no. 3, pp. 1–4, 2004, doi: 10.1103/PhysRevLett.92.037204.
Rys. 1. Widma APRES studni kwantowych w cienkiej warstwie Fe naniesionej na Au(001) zmierzone dla energii fotonów 70eV oraz horyzontalnej polaryzacji światła.
Rys. 1. Widma APRES studni kwantowych w cienkiej warstwie Fe naniesionej na Au(001): (a) fragment powierzchni stałej energii w pobliżu poziomu Fermiego, (b) dyspersja wzdłuż linii zaznaczonej czerwoną przerywaną linią, przecinającą punkt M. Pomiary zostały wykonanezmierzone dla energii fotonów 70eV oraz horyzontalnej polaryzacji światła.
 
  1. Grupa badawcza Łukasza Plucińskiego z Forschungszentrum Jülich w Niemczech
Wstęp
Uważa się, że półprzewodniki warstwowe 2D są doskonałymi kandydatami na komponenty urządzeń elektronicznych nowej generacji, które mogą przezwyciężyć ograniczenia konwencjonalnej elektroniki opartej na krzemie. Oprócz zmniejszenia rozmiaru w porównaniu do najnowocześniejszych urządzeń tranzystorowych, zredukowana grubość materiałów, takich jak diselenek wolframu (WSe2), daje początek nowym zjawiskom, które mogą zapoczątkować zupełnie inne podejście do zastosowań tych materiałów, takich jak spintronika, valleyotronika, ogniwa słoneczne lub czujniki optyczne [1]. Przede wszystkim ich większa odporność na efekty krótkokanałowe może sprawić, że będą one szczególnie obiecujące dla opracowania wysokowydajnych tranzystorów, które są kluczowymi komponentami we wszystkich urządzeniach elektronicznych [2].
 
Eksperyment
Pomiary kątowo-rozdzielczej fotoemisji elektronów (ARPES) próbki WSe2 wymagają stabilnej pozycji wiązki na jednym z atomowo płaskich tarasów podczas całego eksperymentu. To wymaganie spełnia spektrometr PHOIBOS 225 z deflektorami soczewkowymi zainstalowany w stacji końcowej PHELIX, ponieważ zapewnia dostęp do ±15° w obu kierunkach przestrzeni odwrotnej kx i ky bez konieczności obracania próbki. Dodatkowo tekstura spinu w WSe2 jest prawie całkowicie prostopadła do płaszczyzny próbki i jako taka nie może być zmierzona za pomocą dwuwymiarowego detektora spinu. Podczas gdy tekstury dichroizmu kołowego (CD) można skutecznie mierzyć na różnych liniach badawczych ARPES, możliwość wyznaczania składowej spinu Sz jest wyjątkowa.
 
Wyniki
Pasma WSe2 w pobliżu lokalnego maksimum pasma walencyjnego w punktach K' i K są spolaryzowane spinowo i wykazują blokowanie momentu spinowego o orientacji antyrównoległej dla obydwu gałęzi [3]. Rzeczywiście, mierząc na linii PHELIX wartości oczekiwane spinu w populacji emitowanych fotoelektronów okazało się, że rozszczepione przez sprzężenie spin-orbita gałęzie w punktach K' i K mają odwrócony znak polaryzacji spinu (rys. 2.). Z drugiej strony, mapowanie pasm w trybie dichroizmu kołowego (CD) jest wrażliwe na orbitalny moment pędu (Orbital Angular Momentum - OAM). Mapy CD wykazują antysymetrię związaną z odbiciem w płaszczyźnie w wybranej geometrii eksperymentalnej, jednak w tym przypadku obie gałęzie w punktach K' lub K mają ten sam znak sygnału dichroicznego (rys. 3.). Różnica między wykrywaniem spinu a pomiarami dichroicznymi jest widoczna również dla pasm w pobliżu punktu Γ, które wykazują duży dichroizm kołowy, ale zaniedbywalną polaryzację spinu.
Wyniki zostały udostępnione dzięki uprzejmości grupy badawczej Łukasza Plucińskiego z Forschungszentrum Jülich w Niemczech.
 
Bibliografia:
[1] A. K. Geim and I. V. Grigorieva, “Van der Waals heterostructures,” Nature, vol. 499, no. 7459, pp. 419–425, 2013, doi: 10.1038/nature12385.
[2] L. Dou, Z. Fan, and P. Xiao, “Suppression of short channel effects in 5 . 1 nm WTe2 in-plane Schottky barrier field-effect transistors by Mo-doping,” Mater. Sci. Semicond. Process., vol. 139, no. November 2021, p. 106327, 2022, doi: 10.1016/j.mssp.2021.106327.
[3] M. Gehlmann et al., “Quasi 2D electronic states with high spin-polarization in centrosymmetric MoS2 bulk crystals,” Sci. Rep., vol. 6, no. June 2015, pp. 1–6, 2016, doi: 10.1038/srep26197.
Rys. 1. Porównanie tekstur CD i spinu dla próbki WSe2 zmierzonych na linii PHELIX dla 100 eV energii fotonów.
Rys. 2. Porównanie tekstur dichroizmu kołowego i spinu dla próbki WSe2 zmierzonych na linii PHELIX dla energii fotonów równej 100 eV.
Rys. 2. Widma CD-ARPES zebrane na linii PHELIX dla próbki WSe2 dla 100 eV energii fotonów.
Rys. 3. Widma CD-ARPES zebrane na linii PHELIX dla próbki WSe2 dla energii fotonów równej 100 eV.
 
  1. Anna Bajorek z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach

Wstęp
Nanocząstki ferrytu spinelowego (SF-NP) są obecnie przedmiotem intensywnych badań ze względu na ich szeroki zakres potencjalnych zastosowań w elektronice, takich jak urządzenia pamięci magnetycznej lub urządzenia optoelektroniczne o częstotliwości mikrofalowej i radiowej. Stosuje się je również jako magnesy trwałe, w technologii płynów magnetycznych oraz w fotokatalizie i biomedycynie jako celowane systemy dostarczania leków, w rezonansie magnetycznym, czy leczeniu hipertermii i raka [1]. Ponadto w ciągu kilku poprzednich lat zaczęto badać nową generację zaawansowanych hybryd SF-NP/CNT o dostosowanych właściwościach magnetycznych, zachowujących jednocześnie właściwości poszczególnych składników, uwydatniających efekt synergiczny [2]. Mając na uwadze różne typy syntezy SF-NP i różną funkcjonalizację CNT [3], synteza hybryd może poszerzyć ich potencjalne zastosowania i uczynić je wysoce atrakcyjnymi dla rozwoju nowych materiałów.

Eksperyment
Analizując efekt synergiczny w wybranych nanokompozytach spinelowych/nanorurkach węglowych (SF-NPs/CNTs) w związku z ich strukturą elektronową, grupa badawcza badała kompozyty NZFO/f-MWCNTs (gdzie nanocząstki NZFO – Ni0,5Zn0,5Fe2O4 [4] z nominalnym składem 5% wag.) zsyntetyzowane ex-situ i in-situ oraz przebadane w postaci niewygrzanej i wygrzanej. Badania koncentrowały się na obszarze pasm walencyjnych w celu: (i) wyznaczenia charakterystycznych cech wynikających z atomów C i N, takich jak stany p i s; (ii) zbadania transferu ładunku między składnikami nanocząstek i nanorurek w oparciu o określenie pracy wyjścia; (iii) przeanalizowania linii poziomów rdzeniowych i ich modyfikacji w zależności od rodzaju zastosowanej syntezy.

Wyniki
Wśród różnych danych uzyskanych na podstawie widm absorpcyjnych zebranych w trybie pomiaru prądu próbki (TEY) przeprowadzono badanie rezonansowej spektroskopii fotoelektronów (ResPES). Poniższa mapa dla rezonansu Fe 2p-3d została zebrana dla niewygrzanego kompozytu in-situ NZFO/f-MWCNT jako pierwsza w historii linii badawczej PHELIX (rys. 4). Oba stany żelaza są widoczne, ale te przypisane do krawędzi Fe L3 są silniejsze i dominują w okolicach poziomu Fermiego. Pozorne wzmocnienie rezonansowe występuje dla stanów L3 między 15-2.5 eV. Region krawędzi Fe L2 wykazuje słaby efekt w porównaniu z Fe L3. Analizując widma z mapy ResPES dla krawędzi L3, można zauważyć dwie wyraźne energie wzbudzenia rezonansowego: słaby rezonans wokół hn = 707.8 eV w zakresie energii wiązania 10.6-3.4 eV oraz silny, szeroki pik rezonansowy dla 709.7 – 708.3 eV w zakres energii wiązania 13.4-2.9 eV. Przeprowadzona analiza pozwala stwierdzić, że stany żelaza reprezentują mieszaninę Fe3+ w miejscach tetraedrycznych i oktaedrycznych w ferrytach spinelowych i prawdopodobnie Fe2+ jako pozostałości katalizatora CNTs lub osady żelaza dla kompozytu in-situ.
Wyniki zostały udostępnione dzięki uprzejmości Anny Bajorek z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

Bibliografia:
[1] M. S. Seehra (Ed.), Magnetic Spinels - Synthesis, Properties and Applications, InTechOpen, 2017
[2] A. Bajorek et al., Materials 15(3) (2022) 977
[3] A. Bajorek et al., J. Magn. Magn Mater., 503 (2020) 166634
[4] A. Bajorek et al., J. Phys. Chem. Solids 129 (2019) 1-21

Rys. 1. Widma ResPES zebrane dla niewygrzanego kompozytu in-situ NZFO/f-MWCNTs.

Rys. 4. Widma ResPES zebrane dla niewygrzanego kompozytu in-situ NZFO/f-MWCNTs.