Cum ”citim” materia?

Anual, noi materiale cu cele mai îndrăznețe și fascinante aplicații fac subiectul lansărilor în târguri de specialitate, devenind tema marilor provocări în acerba concurență din cercetarea de avangardă.

Vrăjitorii, magicienii și al­chi­miștii au fost totdeauna personaje incredibile în vechile basme sau în povestirile fantastice, iar puterea lor de a modifica materialele, ori de a trimite mesaje nescrise, a fost, ani la rând, o înzestrare de neexplicat pentru copii. Dar astăzi nu ne mai mirăm, cel mult zâmbim puțin surprinși de cât de aproape eram de tâlcul poveștilor din copilărie.

Fizicienii, chimiștii și inginerii sunt, în prezent, capabili să „crească” materiale cu puritate înaltă, să modifice proprietățile magnetice, electrice și optice ale acestora prin tratamente locale, selective și versatile, pot lega atomi și molecule în materiale cu proprietățile funcționale proiectate, transformând idei îndrăznețe în aplicații cotidiene.

Laboratorul de analiză elementală – LanE

Laboratorul de analiză elementală – LanE – pentru analiza compozițională a materialelor solide și a straturilor subțiri, precum și pentru analiza morfologiei de suprafață sau volum a acestora prin imagistica cu electroni secundari este unic în țară și în sud-estul Europei. LanE este dezvoltat în jurul unui echipament de analiză elementală ultra-performant, „Nano-SAM”, bazat pe microscopia electronică (SEM) de înaltă rezoluție asociată cu analiza elementală prin spectrometrie de electroni Auger (AES) pe un domeniu de masă extins, cu sensibilitate mare și viteză mare de achiziție și analiză a datelor.

De asemenea, un nou microscop electronic cu baleiaj tabletop și micro-sondă de electroni pentru analiza elementală (SEM-EDX) TM 3030 Plus a fost recent achiziționat în cadrul proiectului INOVA-OPTIMA (vezi casetă). Acesta este dotat cu o coloană optică pentru electroni, având performanțe superioare, permite o mărire superioară (x 100.000) și are un procesor de imagine integrat de procesare a imaginii, astfel încât este obținută o calitate și o rezoluție superioare a imaginilor, chiar și pentru tensiuni de accelerare relativ mici.

De remarcat este faptul că nu sunt necesare operațiuni complementare pentru prepararea probelor analizate, întrucât microscopul poate lucra la presiuni relativ înalte (vid mediu). Sistemul este echipat cu o unitate integrată de analiză elementală prin spectroscopia de radiație-X cu dispersie în energie (EDS), utilizând sistemul Quantax70.

Laboratorul modern LanE pentru analiza de înaltă sensibilitate și mare productivitate a compoziției elementale a materialelor și straturilor subțiri, permite:

– realizarea de cercetări performante la nivel european, vizând analiza compozițională și morfologică a:

• straturilor subțiri multi-element, multifuncționale, cu aplicații în optoelectronică și domenii conexe;
• materialelor și dispozitivelor pentru conversia eficientă a energiei solare;
• materialelor multifuncționale pentru clădiri cu consum și pierderi reduse de energie;
• materialelor multifuncționale cu uzură redusă pentru mijloace moderne de transport;
• materialelor multifuncționale pentru sisteme/dispozitive de protezare organică; etc.

– prestarea de servicii high-tech factorilor interesați din industrie sau din mediul academic:

• investigarea compoziției elementale a diverse materiale;
• determinarea morfologiei straturilor subțiri pentru pre-evaluarea caracteristicilor mecanice și anticorozive ale materialelor cu diverse aplicații în medicină, agricultură și industria auto;
• teste avansate de controlul calității pentru piese și subansambluri cu defecte compoziționale.

Laboratorul de analiză structurală – LanS

Laboratorul de analiză structurală – LanS este un nou laborator creat pentru analiza structurală complexă a materialelor solide și a straturilor subțiri, de asemenea unic în țară, cuprinzând în aceeași locație atât sisteme de caracterizare prin difracție de raze X, cât și un sistem de analiză RHEED cu fascicul de electroni pentru controlul / vizualizarea in-situ a creșterii epitaxiale a straturilor subțiri într-un sistem de depunere existent, de tip Pulse Laser deposition – PLD.

Laboratorul LanS are în dotare:

• un sistem de caracterizare RHEED cu fascicul de electroni
• un sistem de caracterizare structu­rală prin difracție de raze X multimodular de rezoluție înaltă HR-XRD Rigaku SmartLab 3.

Prin utilizarea sistemului RHEED se asigură controlul ratei de creștere a filmului, controlul constantelor de rețea, respectiv al tensiunilor în film, al coerenței suprafeței și structurii / reconstrucției suprafețelor. De asemenea, prin monitorizarea formării interfețelor la scară micro și nanometrică se asigură cele mai bune performanțe la creșterea structurilor multistrat.

Având în vedere scara la care se raportează inițierea creșterii filmelor subțiri, implicarea unui sistem RHEED permite monitorizarea in-situ a proceselor PLD pentru obținerea unor informații vitale despre aranjarea periodică a atomilor pe suprafețe în timpul proceselor de depunere. Acest sistem complex de analiză și monitorizare de proces asigură controlul direct al numărului de celule din fiecare strat la depunerea unei structuri multistrat; precum și studiul efectelor cinetice de suprafață și al rugozității interfețelor.

Sistemul de caracterizare structurală prin difracție de raze X multimodular de rezoluție înaltă HR-XRD – Rigaku SmartLab 3, pentru măsurarea pulberilor și a filmelor subțiri, la scară micro și mezoscopică, este, de asemenea, singular în România. Sistemul integrează toate modulele necesare cercetărilor avansate pentru pulberi și filme subțiri.

Difractometrul funcționează atât în geometria de transmisie cât și în cea de reflexie. Sistemul de difracție de înaltă rezoluție Smartlab 3 reprezintă cel mai avansat și performant sistem de difracție modular, fiind complet automatizat, incluzând funcțiile de auto-aliniere în diferite configurații de lucru.

Difractometrul permite efectuarea următoarelor tipuri de măsurători pentru straturi subțiri:

• difracție de raze X la incidență razantă;
• reflectivitate cu raze X;
• difracție de raze X de înaltă rezoluție;
• analiza de textură și tensiuni;
• analiza de rocking curve și mapare în spațiul reciproc.

SmartLab 3 furnizează toate instrumentele pentru caracterizarea proprietăților structurale a unei game variate de materiale incluzând nanomateriale, metale și materiale compozite, materiale nano-magnetice, polimeri, probe biologice, materiale electronice și optoelectronice.

Laboratorul modern LanS pentru analiză structurală de înaltă sensibilitate și mare productivitate a materialelor și straturilor subțiri permite o seamă de operațiuni vitale în știința optoelectronicii:

• obținerea de rezultate valoroase la nivel european în cercetarea fundamentală și aplicativă, privind analize structurale de mare finețe a grafenelor, a materialelor pentru conversia foto-termică, a straturilor subțiri multi-element, a materialelor oxidice utilizate în conversia energiei calorice sau solare în energie electrică, a noilor materiale biocompatibile;
  < prestarea de servicii high-tech factorilor interesați din industrie sau din mediul academic: investigarea structurală a diferite materiale; determinarea rugozității la interfața în sisteme multistrat de tip oglinzi laser de mare putere sau oglinzi pentru litografie în ultraviolet în vid; teste avansate de controlul calității pentru piese și subansambluri cu defecte structurale ascunse.

Laborator de caracterizare functionala – LaC

LaC, laboratorul de caracterizare func­ți­o­nală a suprafețelor procesate, a straturilor subțiri depuse și a produselor realizate pe baza tehnologiilor cu plasmă și vid utilizate în cadrul institutului, a fost înființat în 1997, dotarea sa crescând în mod constant în timp, pentru a răspunde nevoilor din ce în ce mai diversificate, rezultate atât din activitatea de cercetare, cât și din cea de servicii efectuate pentru diverși beneficiari.

Dezvoltarea continuă a activităților de caracterizare funcțională a impus necesitatea diversificării analizelor de caracterizare a materialelor noi realizate. În cadrul proiectului INOVA-OPTIMA, laboratorul a fost dotat cu un echipament performant, unic în România – sistemul modular de caracterizare mecanică și electrochimică a materialelor, la scară micro și mezoscopică.

Pentru vizualizarea probelor și pentru înregistrarea datelor experimentale echipamentul este prevăzut cu două sisteme de calcul și un video-microscop cu interfață de utilizator adecvată, precum și cu pachete software de control și analiză dedicate pentru tribologie, aderență, indentare și tribocoroziune. Aceste pachete software sunt integrate pentru a fi utilizate atât la comanda sistemului cât și la analiza imaginilor și datelor.

Laboratorul modern LaC permite:

• obținerea de rezultate valoroase la nivel european în cercetarea fundamentală și aplicativă privind analiza funcțională din punct de vedere optic, mecanic, electric, tribologic, a rezistenței la coroziune sau tribo-coroziune atât a materialelor solide și a straturilor subțiri, cât și a unor repere/produse cu aplicabilitate bine definită;
• prestarea de servicii high-tech factorilor interesați din industrie sau din mediul academic: investigarea funcțională la scară adecvată a diferite materiale. Se au în vedere analize ale morfologiei de suprafață la scară nano și mezoscopică, analiza caracteristicilor optice și electrice ale materialelor sau componentelor, determinarea caracteristicilor hibrofobice sau hidrofile a diferite materiale; determinarea rezistenței la coroziune în diferite medii agresive, precum și determinarea caracteristicilor tribologice în medii corozive.
• dezvoltarea continuă a competențelor resursei umane prin implicarea studenților/ tinerilor doctori în activitățile de analiză structurală a materialelor și integrarea cu succes a acestora în activități de cercetare sau în companii high-tech.

Activitățile desfășurate în cadrul laboratorului LaC se subscriu preocupărilor privind obținerea de materiale și produse inovative pentru sisteme de transport inteligente, integrate și ecologice, dar și a celor legate de sănătatea populației, în contextul schimbărilor demografice, prin evaluarea noilor materiale bioactive/biocompatibile, așa cum prevăd cerințele incluse în programul european „Horizon 2020”.