KEGA Projekt č. 026STU‑4/2015
Ciele projektu
Cieľom projektu je modernizácie laboratória nanotechnológií so zámerom vytvorenia pracoviska, kde študenti získajú experimentálne a numerické skúsenosti z nanotechnológií, plazmónovej fotoniky, metamateriálov, biomimetických materiálov a bionsenzorov. Projekt prispôsobí výchovu študentov na FEI STU v integrovanej forme súčasným trendom materiálovej fyziky a má vyústiť do inovovaných učebných predmetov v študijnom programe Fyzikálne inžinierstvo v 2. stupni štúdia na FEI STU.
Nehmotné ciele
Poskytnutie vedomostí a skúseností pre študentov z vybraných oblastí nanotechnológií a nanovied na základe vytvorených laboratórnych úloh, kde študenti môžu bezprostredne v procese vlastného experimentovania detegovať a sledovať javy mikrosveta.
Rozšírenie spektra bakalárskych a diplomových tém z oblasti nanotechnológií, fotoniky, biosenzorov, metamateriálov a biomateriálov pre študentov v študijnom programe Fyzikálne inžinierstvo, ale aj v príbuzných programoch na FEI STU (Elektronika a fotonika, Telekomunikácie, Elektroenegetika, Aplikovaná mechatronika)..
Modernizáciou laboratórií nanotechnológií, bioelektroniky a optiky dosiahnuť pritiahnutie záujmu študentov o fyzikálne disciplíny na Fakulte elektrotechniky a informatiky STU a k zvýšeniu vzdelanostnej úrovne absolventov a ich schopnosti zapojiť sa do súčasného moderného materiálového výskumu.
Hmotné ciele
Modernizácia a rozšírenie integrovaného funkčného experimentálneho a numerického laboratóra so spracovanými učebnými textami a študijnými materiálmi k laboratórnym úlohám. Pre inžiniersky stupeň štúdia budú pripravené učebné texty pre predmety so zameraním na nanotechnológie, fotoniku, molekulárnu elektroniku a bioelektroniku.
Opis projektu
Súčasný stav problematiky
Technológie vždy musia byť postavené na aplikácii vedeckých poznatkov do ekonomickej produkcii tovarov a služieb. Význam nanomateriálov a nanotechnológií prudko narastá vzhľadom k širokému aplikačnému potenciálu a použitia v rôznych priemyslových odvetviach, konzumných produktoch a zdravotnej starostlivosti. V súčasnej dobe dochádza k extenzívnemu prieniku nanotechnológií do niekoľkých rozhodujúcich priemyslových odvetví: katalyzátory z nanoštrukturovaných materiálov, chemický priemysel a polovodičové štruktúry s rozmermi pod 100 nm. Ide teda o interdisciplinárnu problematiku, ktorá v sebe zahŕňa poznatky a technologické postupy z fyziky, chémie, biológie a tiež technických vied.
Materiálový výskum je v posledných dvoch desaťročiach výrazne ovplyvnený rozvojom fotoniky. Po fotonických kryštáloch [1] boli navrhnuté a skonštruované nové materiály s unikátnou odozvou na elektromagnetické žiarenie, od mikrovlnného žiarenia až po viditeľné svetlo. Optimisticky možno predpokladať, že systematický výskum týchto metamateriálov [2,3] umožní „konštruovať“ prostredia s požadovanými elektromagnetickými vlastnosťami: absorpciou, odrazivosťou a pod. Príkladom sú štruktúry so záporným indexom lomu (left-handed materials [4]) alebo materiály s priestorovo premenlivým indexom lomu [5].
Stavebnou štruktúrnou jednotkou metamateriálov sú kovové nanočastice alebo tenké kovové vrstvy. Vzhľadom na malý rozmer nanočastíc je odozva ovplyvnená nielen jej zložením, ale aj jej veľkosťou a tvarom. Nie je teda odvoditeľná z vlastností nekonečne veľkého systému. Pre elektromagnetickú odozvu malých nanočastíc sú podstatné lokalizované plazmónové excitácie. Pre odozvu metamateriálov sú rozhodujúce podmienky vzniku takýchto excitácií, ako aj vzájomnej interakcii lokalizovaných plazmónov, excitovaných v susedných nanočasticiach a v zložitejších štruktúrach, zostavených z nanočastíc. Výskum plazmónových excitácií v nanočasticiach je zaujímavý aj sám osebe. Vzhľadom na vysokú koncentráciou energie elektromagnetického poľa v malom priestore (lokalizované plazmóny v nanočasticiach) alebo na povrchu kovu (povrchové plazmóny), sú plazmónové excitácie vhodným objektom pre senzory a technologické aplikácie.
Ďalšou skupinou materiálov so zaujímavými optickými vlastnosťami sú organické polovodiče, polyméry s konjugovaným reťazcom, ktorých energetická medzera zodpovedá energii svetelných fotónov. Stále rastú možnosti ich uplatnenia v oblasti svetelných zdrojov v LED štruktúrach [6], tiež v solárnych článkoch pre konverziu slnečnej energie na elektrickú [7], ako aj pri konštrukcií nových biosenzorových rozhraní [8].
Výskumná aktivita na Oddelení fyziky Ústavu jadrového a fyzikálneho inžinierstva FEI STU bola dlhodobo zameraná na štúdium vlastností tuhých látok: polovodičov, amorfných kovov a v poslednom období aj organických molekulárnych štruktúr a nanoštrukturovaných materiálov pre aplikácie v elektronike a senzorike. Rozvinuli sa experimentálne metódy pre skúmanie mechanických, tepelných, elektrických a optických vlastností týchto materiálov. Vedecké kolektívy ÚJFI sa stali aj súčasťou centier excelentnosti a kompetenčných centier (Národné centrum pre výskum a využitie obnoviteľných zdrojov energie a Kompetenčné centrum pre nové materiály, pokročilé technológie a energetiku). Výrazným spôsobom bolo prebudované a kompletizované laboratórium optické a laboratórium bioelektroniky.
Tieto skutočnosti sa premietali aj do štruktúry výučby. V roku 1960 začala na FEI výchova špecialistov v oblasti fyziky tuhých látok, neskôr od r. 1992 to bol študijný odbor Elektromateriálové inžinierstvo, resp. v ostatnom období od r. 2003 akreditovaný program Fyzikálne inžinierstvo ako 2. a 3. stupeň vysokoškolského vzdelávania. Do študijného programu boli začlenené nové predmety, ktoré začali študentov pripravovať v nových oblastiach materiálového výskumu, ako napr. Nanotechnológie, Fotonika a metamateriály, Bioelektronika.
V súčasnosti v osnove predmetu Nanotechnológie je zakomponované poskytnutie teoretických vedomostí z fyzikálnych procesov na atomárnej a molekulárnej úrovni, oboznámenie s technológiami prípravy molekulárnych štruktúr s nanometrovou presnosťou a ich skladaním do funkčných elektronických a optických systémov. Ďalej ide o priamu informáciu o výskumných aktivitách v oblasti nanovied a nanotechnológií, ktoré sa rozvíjajú na vybraných pracoviskách v Bratislave, s demonštráciou metód a technológií v tamojších laboratóriách.
V rámci prebiehajúcej prípravy všeobecnej akreditácie univerzity pripravujeme obsahovú inováciu uvádzaných predmetov, ktorá by študentom umožnila bezprostredne sa zoznámiť s vybranými javmi odohrávajúcimi sa v nanosvete a efektívnejšie si osvojiť nadobudnuté poznatky.
Literatúra
1. J. Joannopoulos, S. G. Johnson, J. N. Winn, R.D. Meade: Photonic Crystals. Molding the Flow of Light. Princeton Univ. Press.
2. N. Engheta, R. W. Ziolkowski (editori): Metamaterials: Physics and Engineering
Explorations. J. Willey and Sons 2006
3. A. K. Sarychev, V. M. Shalaev: Electrodynamics of Metamaterials. World Scientific 2007
4. D. R. Smith et al. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity. Phys. Rev. Lett. 84 4184 (2000)
5. D. Schurig et al.: Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies. Science 314 977 (2006)
6. A. Dodabalapur: Organic Light Emitting Diodes. Solid State Commnucations 102 259 (1997)
7. S. Günes, H. Neugebauer, N. S. Sariciftci, Conjugated Polymer-Based Organic Solar Cells. Chem. Rev. 107 1324 (2007)
8. M. Gerard, A. Chaubey, B. D. Malhotra: Application of Conducting Polymers to Biosensors. Biosensors and Bioelectronics 17 345 (2002)