autoreferat - Izabela Szafraniak-Wiza

Autoreferat
1.1mi 3 i Nazwisko.
Izabela Szafraniak-Wiza
2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe
Dyplom doktora nauk fizycznych w zakresie fizyki
Uniwersytet im. A. Mickiewicza, Wydziat Fizyki, 12.01.2001
rozprawa doktorska pt: ,,Badanie wtasnosci fizycznych i przemian fazowych w wybranych
solach pirydyniowych z jednowartosciowymi anionami"
Dyplom magistra fizyki (specjalnosc: fizyka doswiadczalna)
Uniwersytet im. A. Mickiewicza, Wydziat Fizyki, 20.06.1995
praca magisterska pt. ,,Wtasnosci fizyczne czterofluoroboranu pirydyniowego"
3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu wjednostkach naukowych.
Od 1.10.2003 Politechnika Poznanska, Instytut Inzynierii Materiatowej (adiunkt)
29.11.2010-28.02.2013 - przerwa zwia^zana z ciajzq., urlopem macierzyhskim i
wychowawczym
5.10.2007-30.06.2009 - przerwa zwiajzana z ciavza_,, urlopem macierzyhskim i
wychowawczym
01.10 2004-17.06.2010 Instytut Fizyki Molekularnej PAN (staz podoktorski)
1.02.-30.09.2003 - Max Planck Institute of Microstructure Physics (staz podoktorski)
1.02.2001-31.01.2003 - Max Planck Institute of Microstructure Physics (stypendium Marie
Curie)
1995-2000 - Instytut Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza (doktorant)
1990-1995 - Studia magisterskie na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza
Parametryczne zestawienie osia_gniqc naukowych (stan na 20.02.2014):
Liczba publikacji (wg Web of science)'
Liczba cytowah (wg Web of science)'
^
Liczba cytowaii bez autocytowah (wp Web of science)'
Indeks Hirscha (wg Web of science)'
Sumaryczny impact factor (wg 2012) *
^
Liczba innych publikacji (poza Web of science)'
wyniki uzyskane dla ,,l. Szafraniak"i„/. Szafraniak-Wiza"
39
882
850
14
86,406
6
4. Wskazanie os/qgn/fc/'a* wynikafacego z art. 16 ust. 2 ustawyzdnia 14 marca 2003 r. o stopniach
naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.):
Osiajgni§cie habilitacyjne stanowi jednotematyczny zbior publikacji p. t. "Nanorozmiarowe
struktury perowskitowe o wiasciwosciach ferroelektrycznych i multiferroicznych"
[A1] I. Szafraniak, C. Harnagea, R. Scholz, S. Bhattacharyya, D. Hesse, M. Alexe,
"Ferroelectric epitaxial nanocrystals obtained by a self patterning method", Applied Physics
Letters, 2003, 83, 2211-2213
[A2] Y. Luo, I. Szafraniak, N.D. Zakharov, V. Nagarajan, M. Steinhart, R.B. Wehrspohn,
J.H.Wendorff, R. Ramesh, M. Alexe, "Nanoshell tubes of ferroelectric lead zirconate titanate
and barium titanate", Applied Physics Letters, 2003, 83, 440-442
[A3] Y. Luo, I. Szafraniak, V. Nagarajan, R.B. Wehrspohn, M. Steinhart, J.H. Wendorff,
N.D.Zakharov, R. Ramesh, M. Alexe, „Ferroelectric lead zirconate titanate and barium
titanate nanotubes", Integrated Ferroelectrics, 2003, 59, 1513-1520
[A4] I. Szafraniak, M.-W. Chu, C. Harnagea, R. Scholz, D. Hesse, M. Alexe, "Epitaxial lead
zirconate titanate nanocrystals obtained by a self patterning method", Integrated
Ferroelectrics, 2004, 61, 231-238
[A5] M.-W. Chu, I. Szafraniak, R. Scholz, C. Harnagea, D. Hesse, M. Alexe, U. Gosele,
"Impact of misfit dislocations on the polarization instability of epitaxial nanostructured
ferroelectric perovskites", Nature Materials, 2004, 3, 87-90
[A6] I. Szafraniak, S. Bhattacharya, C. Harnagea, R. Scholz, M. Alexe, ,,Self assembled
ferroelectric nanostructures", Integrated Ferroelectrics, 2004, 64, 279-286
[A7] I. Szafraniak, D. Hesse, M. Alexe, "Lateral size of self patterned nanostructures
controlled by multi step deposition", Diffusion and Defect Data Part B Solid State
Phenomena, 2005, 106, 117-122
[A8] M.-W. Chu, I. Szafraniak, D. Hesse, M. Alexe, U. Gosele, "Elastic coupling between 90°
twin walls and interfacial dislocations in epitaxial ferroelectric perovskites: a quantitative high
resolution transmission electron microscopy study", Physical Review B Condensed Matter
and Materials Physics, 2005, 72, 174112-1-5
[A9] I. Szafraniak, M. Polomska, B. Hilczer, "XRD, TEM and Raman scattering studies of
PbTiO3 nanopowders", Crystal Research and Technology, 2006, 41, 576-579
[A10] I. Szafraniak, M. Polomska, B. Hilczer, E. Talik, L. Kepinski, "Characterization of
PbTiO3 nanopowders obtained by room temperature synthesis", Ferroelectrics, 2006, 336,
279-287
[A11] I. Szafraniak, M. Polomska, B. Hilczer, A. Pietraszko, L. Kepinski, "Characterization of
BiFeO3 nanopowder obtained by mechanochemical synthesis", Journal of the European
Ceramic Society. 2007, 27, 4399-4402
[A12] I. Szafraniak-Wiza, B. Hilczer, A. Pietraszko, E. Talik, "Phase formations during
mechanochemical synthesis of PbTiO3", Journal of Electroceramics, 2008, 20, 21-25
[A13] I. Szafraniak-Wiza, M. Alexe, D. Hesse, ,,Nanosized ferroelectric crystals", "Handbook
of advanced dielectric, piezoelectric and ferroelectric materials: Synthesis, properties and
applications", ed. Z-G Ye, Woodhead Publishing Limited, Cambrigde 2008, 600-621
Omowienie celu naukowego/artystycznego ww. pracy/prac i osiajgniqtych wynikow
wraz z omowieniem ich ewentualnego wykorzystania.
Ferroelektryki ze wzgl^du na swoje liczne mozliwosci zastosowania (m. in. jako elementy
pami^ciowe, kondensatory o duzej pojemnosci, czujniki piroelektryczne, przetworniki
piezoelektryczne, przetqczniki optoelektroniczne itd.) byty przedmiotem intensywnych badah
w ubiegtym stuleciu. Pierwsze koncepcje zastosowania ferroelektrykow w pamieciach (czyli
ferroelektrycznych RAM ,,FeRAM"), pojawity si§ juz w latach pi^cdziesiajtych ubiegtego wieku
ale nie zostafy wprowadzone do masowej produkcji [1, 2]. Prawdziwy renesans badari
materiatow ferroelektrycznych nastapit w ostatnich dwoch dekadach wraz z rozwojem
nanotechnologii. Miniaturyzacja
urzavdzeri powoduje,
ze zawarte w
nich
elementy
ferroelektryczne posiadaja^ coraz mniejsze rozmiary. W zwia_zku z tym pojawiaja^ si§ pytania
zawiajzane z zagadnieniami stabilnosci fazy ferroelektrycznej oraz uzytecznych wtasciwosci
tych materiatow. Podczas badari wtasciwosci ferroelektrykow zaobserwowano efekty
rozmiarowe
(czyli
zmian§
wtasciwosci
fizycznych
tych
materiatow
spowodowanav
zmniejszeniem wymiarow badanych obiektow) [3-9]. Najcz^sciej obserwowanym zjawiskiem
jest obnizenie temperatury ferroelektrycznej przemiany fazowej (punktu Curie) wraz ze
zmniejszaniem rozmiarow krysztatow. Inne zmiany zwia^zane sa^ z obnizeniem maksymalnej
wartosci przenikalnosci dielektrycznej oraz poszerzeniem anomalii dielektrycznej w okolicy
punktu Curie, obnizeniem
deformacji tetragonalnej
w ferroelektrykach o
strukturze
perowskitowej czy wystepowaniem konfiguracji jednodomenowej, ktora jest energetycznie
korzystniejsza w nanomateriatach.
W ramach rozprawy habilitacyjnej zostaty podj^te badania roznych
nanostruktur
ferroelektrycznych. Zasadniczym celem prowadzonych prac byto doswiadczalne okreslenie
efektow rozmiarowych badanych obiektow.
Praca ta dotyczyta przede
wszystkim
opracowania niekonwencjonalnych metod wytwarzania nanostruktur takich jak nanowyspy,
nanorurki czy nanoproszki ferroelektryczne oraz okreslenia ich finalnych wtasciwosci
fizycznych.
Opracowane i udoskonalane w ciajgu ostatnich dwudziestu lat technologie wytwarzania
cienkich warstw ferroelektrycznych umozliwity uzyskanie wielu waznych informacji (np.
dotycza^cych efektow rozmiarowych). Jednak w realnych urzqdzeniach elektronicznych
wystepujq. raczej obszary o ograniczonych rozmiarach (wyspy) niz cienkie i nieskohczone
warstwy, ktorych wtasciwosci moga^ si§ roznic (np. podczas badania cienkich warstw nie
uwzgl^dnia si§ efektow zwiazanych z niejednorodnym rozktadem pola elektrycznego przy
brzegach struktur). Z tego powodu w ramach tej pracy zdecydowano si§ na badanie
wtasciwosci nanowysp,
ktorej najlepiej odzwierciedlajq. realnei sytuacj?. Za pomocav
tradycyjnych metod litograficznych nie mozna wytworzyc najmniejszych nanostruktur i
dlatego probuje si§ wykorzystac innowacyjne metody (procesy samoorganizacyjne lub
niekonwencjonalna_
Jitografi?"), W
ramach
tej
pracy
opracowana
zostata
metoda
wykorzystuja^ca niestabilnosc ultracienkiej warstwy podczas krystalizacji.
Juz w potowie lat dziewi^cdziesiajtych ubiegtego wieku zauwazono, ze trudno jest uzyskac
jednorodne ultracienkie warstwy, poniewaz podczas krystalizacji warstw o grubosci mniejszej
lub rownej wartosci krytycznej pojawiaja, si? w nich nieci^gtosci (pory) [10-11]. Dalsze
zmniejszanie grubosci naktadanej warstwy powoduje rozpadanie si? warstwy na pojedyncze
izolowane wyspy. Zasadniczym powodem powstawania nanowysp jest obnizenie energii
izolowanych obszarow w stosunku do cienkiej warstwy. Dodatkowo w wyniku krystalizacji
pojawiaja_ si? w nanowyspach sciany krystalograficzne o nizszej energii. W ramach tej pracy
niestabilnosc ultracienkich warstw podczas wysokotemperaturowej krystalizacji zostata
celowo wykorzystana do otrzymania nanowysp ferroelektrycznych. Przeprowadzone zostaty
szczegotowe badania w celu okreslenia warunkow powstawania wysp, ktorych wyniki zostaty
opublikowane w artykutach A1, A4, A6, A7 i A13.
Wtasciwosci ferroelektryczne sa_ scisle zwia^zane z kierunkiem krystalograficznym i dlatego
informacje dotycza.ce efektow rozmiarowych mozna okreslic tylko w przypadku znanej
orientacji krystalograficznej nanostruktury. Z tegp powodu zdecydowano si? otrzymac i
badac tylko nanoferroelektryki epitaksjalne, ktorych orientacja krystalograficzna jest scisle
zwia^zana z podtozem. Badania wykonano dla probek Pb(Zr1.xTix)O3 (PZT) o roznej
zawartosci cyrkonu i tytanu (0,48<x<1),
posiadaja_cych struktur? tetragonalna_. Jako
epitaksjalne podtoze dla tego typu materiatow stosuje si? zazwyczaj monokrysztaty SrTiO3,
LaAIO3 i MgO. W ramach tej pracy materiaty te (o roznej orientacji krystalograficznej) zostaty
wykorzystane do przygotowania nanowysp. Przeprowadzone zostaty badania, ktorych celem
byto okreslenie wptywu parametrow procesu otrzymywania nanowysp (takich jak grubosc
warstwy amorficznej, ilosc naktadanych warstw amorficznych, rodzaj podtoza, temperatura
krystaiizacji, wptyw defektow, wartosc niedopasowania epitaksjalnego pomi?dzy podtozem a
wyspaj na ich rozmiary i rozmieszczenie na podtozu, a ich wyniki zostaty szczegotowo
omowione w pracach A1, A4, A7, A13.
Typowa temperatura krystalizacji PZT wytwarzanego z roztworow metaloorganicznych
wynosi 600-650°C, jednak w tej temperaturze tworzyty si? tylko niewielkie nieregularne
wyspy, co potwierdzity wykonane badania mikroskopowe metoda. skaningowej (SEM) i
wysokorozdzielczej transmisyjnej (TEM) mikroskopii elektronowej. Dostarczona w takcie
wygrzewania energia termiczna byta zbyt mata, aby natozony materiat migrowat po
powierzchni podtoza. Podczas krystalizacji w wyzszej temperaturze powstaja. bardziej
regularne wyspy. Nanowyspy o regularnym ksztatcie otrzymywane byty w trakcie godzinnej
krystalizacji ultracienkiej warstwy amorficzna_ w temperaturze 800°C. W wyniku takiej
krystalizacji
powstaja^ nanowyspy o jednakowej wysokosci i jednakowym ksztatcie
rownomiernie roztozone na podtozu. Dtuzszy proces krystalizacji nie wptywa na morfologi?
nanowysp. Natomiast wygrzewanie w jeszcze wyzszej temperaturze zwiazane jest z
podwyzszonym
ryzykiem
pojawienia
si?
niepoza.danych
(nieferroelektrycznych)
faz
pyrochlorowych, ktore zwiazane sa^ ze zmiana. stechiometrii wywotana. przede wszystkim
dyfuzja. otowiu. Z przeprowadzonych badari wynika, ze energia termiczna niezb?dna do
formowania nanowysp jest wyzsza niz potrzebna do ich krystalizacji [12].
Nanowyspy PZT przygotowane ta. metoda. miaty wysokosc od 3-4 nm do 25-30 nm w
zaleznosci od parametrow procesu (grubosci naktadanej warstwy amorficznej, podtoza czy
stechiometrii). Wykonane badania strukturalne potwierdzify obecnosc fazy perowskitowej
otrzymanych nanostruktur, ktorych orientacja krystalograficzna zalezy od orientacji podtoza.
W ramach tej pracy przeprowadzono rowniez badania mikroskopowe, na ktorych podstawie
mozna stwierdzic, ze wszystkie wyspy PZT na podtozu SrTiO3 o orientacji (001) maja.
jednakowy ksztatt sci?tych piramid o takiej samej wysokosc, ktora zalezy od parametrow
procesu. Sciany piramid sa_ wyraznie wyksztatcone: gorne sciany sa. utworzone z ptaszczyzn
krystalograficznych {001} a sciany boczne z {111} lub {110}. W catej obj?tosci nanowyspy
jest obecna faza krystaliczna (perowskitowa). Na granicy pomi?dzy wyspq a podtozem
widoczne s^ dyslokacje, ktore zwiazane sa^ z relaksacja^ napr^zen wynikaja^cych z
niedopasowania sieci krystalicznej wyspy i podloza. Wyznaczona na podstawie zdj^c
mikroskopowych odlegtosc pomiedzy dyslokacjami jest zgodna z wartosciami teoretycznymi
wynikaja_cymi z niedopasowania sieci krystalicznej. W nanowyspach nie zaobserwowano
efektow zwia^zanych z dyfuzja. atomow przez granic? ferroelektryk-podtoze lub innych
defektow (poza dyslokacjami).
Najwazniejsza^ cz^scia, pracy byto okreslenie wtasciwosci fizycznych uzyskanych
nanostruktur. Do badan cienkich warstw lub nanomateriatow najcz^sciej wykorzystuje si?
mikroskop sit atomowych (AFM). W przypadku wtasciwosci ferroelektrycznych stosowana
jest modyfikacja AFM zwana mikroskopem dziataja^cym w modzie piezoodpowiedzi (PFM,
ang. piezoresponce force microscope). Aby mozliwe byto wykonanie badan wtasciwosci
ferroelektrycznych niezb§dny jest uktad elektrod, pomi^dzy ktorymi znajduje si? badany
materiat. Podczas badah metoda, PFM zazwyczaj jednq_ elektroda. jest przewodza^ce ostrze
mikroskopu a druga. przewodza.ce podtoze. Z tego powodu jako podtoze stosowany byt
monokrystaliczny SrTiO3 domieszkowany niobem (o koncentracji 0,5 %), na ktorym zostaty
natozone nanowyspy.
Podczas badan metoda^ PFM zaobserwowane zostaty p?tle histerezy ferroelektrycznej dla
wysp PbZro,52Ti0i48O3 o wysokosci wi?kszej i rownej 15 nm, co ostatecznie potwierdza
istnienie wtasciwosci ferroelektrycznych w tych strukturach [A1, A4, A5, A13]. Z punktu
widzenie struktury domenowej pojedyncza wyspa jest jedna. domena. (wyst^puja. tylko
domeny a), co jest zgodne z informacjami otrzymanymi na podstawie wykonanych badan
mikroskopowych. Dla mniejszych nanowysp nie udato si? zarejestrowac charakterystycznych
p?tli histerezy ferroelektrycznej. Przeprowadzona analiza ujawnita, ze siec dyslokacji
(obserwowana przy granicy podtoza i wyspy), ktora jest zwia^zana z relaksacja^ napr?zeri
wynikaja^cych z niedopasowania sieci krystalicznej nanowyspy i podtoza, deformuje
znajduja^ce si? w jej otoczeniu komorki elementarne ferroelektryka. Na podstawie wykonanej
analizy napr?zeri oszacowano, ze znaczna cz?sc komorek elementarnych nanowysp jest
zdeformowana i z tego powodu nie posiadaja_ one symetrii krystalograficznej, ktora umozliwia
istnienie wtasciwosci ferroelektrycznych. Cata wyspa zawiera tetragonalne (ferroelektryczne)
i zdeformowane (nieferroelektryczne) komorki perowskitowe. W przypadku nanowysp
PbZr0,52Tio,48O3 na podtozu SrTiO3 o wysokosci 9 nm, objetosc takich zdeformowanych
komorek perowskitowych wynosi co najmniej potow? obj?tosci catej nanowyspy. Nose
prawidtowych tetragonalnych komorek elementarnych w takich wyspach jest zbyt mata, aby
charakteryzowaty si? one wtasciwosciami ferroelektrycznymi. Powoduje to zanikanie
wtasciwosci
ferroelektrycznych
tych
nanostruktur
(czyli
obserwowany
jest
limit
superparaelektryczny). W ramach tej pracy uzyskano rowniez nanowyspy o wysokosci 9 nm,
w ktorych nie wyst?puja^ dyslokacje. Taka sytuacja wyst?puje w przypadku nanowysp PbTiO3
na podtozu SrTiO3, gdy epitaksjalne niedopasowanie sieci krystalicznej podtoza i
ferroelektryka jest duzo mniejsze niz w przypadku PbZr0i52Ti0,48O3 na tym samym podtozu i
wynosi tylko 0,2 %. W tym przypadku p?tle histerezy PFM byty rejestrowane nawet dla wysp
o wysokosci rz?du 9 nm [A5, A13].
Wyjajtkowa^ sytuacj? zaobserwowano w nanowyspach PbZr0,4Ti0,6O3 [A8, A13]. Wykonane
badania mikroskopowe ujawnity, ze pojedyncze nanowsypy nie posiadaja^ konfiguracji
jednodomenowej (charakterystycznej dla nanostruktur). W tych nanowyspach niewielki
obszar zajmuje domena c, ktora jest oddzielona 90° sciany domenowa^ od domeny a, ktora
zajmuje przewazajavca^ cz?sc nanowyspy PZT. Szczegotowa analiza ujawnita, ze pod tymi
wyspami znajduja^ si? na podtozu dodatkowe ptaszczyzny sieciowe rownolegte do
powierzchni podtoza SrTiO3, ktore sa^ zrodtem dyslokacji brzegowej. W takich wyspach
wystepuja^, oprocz dyslokacji zwiazanych z roznica^ statych sieci podtoza i ferroelektryka,
dyslokacje brzegowe przy granicy mi?dzy podtozem a ferroelektrykiem zwia^zane z
istnieniem dodatkowej ptaszczyzny podtoza pod wyspa^. Na podstawie przeprowadzonej
analizy napr^zen mozna stwierdzic, ze w okolicy sciany domenowej obecne sa_ napr^zenia
sciskaja^ce. Wystepuja^ce napr^zenia deformuja^ siec krystaliczna^ w obszarze o odlegtosci
okoto 1,5 nm od sciany domenowej. Pozostata cz?sc nanowyspy jest wolna od napr^zen.
Zupetnie inna sytuacja wyst^puje przy granicy nanowyspy z podtozem. Dodatkowa
ptaszczyzna podtoza (rownolegta do granicy) i zwia^zana z nia_ dyslokacja powoduje
powstanie naprezeii rozciajgaja^cych w PZT w jej poblizu. Sciana domenowa nie koriczy si?
(nie jest zamocowana) w miejscu gdzie wyst?puje dyslokacja brzegowa, ale jest od niej
oddalona o 2 nm. Istnieja^ce sprz?zenie pomi?dzy napr?zeniem sciskaja^cym (w okolicy
sciany domenowej) i rozciqgaj^cym (wywotanym przez dyslokacj? brzegowaj jest przyczyna^
zablokowania ruchu 90° sciany domenowej pod wptywem przytozonego pola elektrycznego.
Konsekwencjav takiej
sytuacji jest
utrudnienie
lub
nawet
uniemozliwienie
proces
przepolaryzowania catej nanostruktury. Obszary zamocowanych scian domenowych nie sa_
aktywne w polu elektrycznym i faktycznie podczas badah za pomoca^ PFM znaleziono
fragmenty nanowysp, ktorych wartosc sygnatu wynosita zero. Obserwacje te sa_ niezwykle
wazne z punktu widzenia potencjalnych mozliwosci aplikacyjnych, poniewaz wyspy, ktorych
nie mozna przepolaryzowac nie b§da_ mogty spetnic swojej roli w urza^dzeniach
elektronicznych.
Innym typem nanostruktur, ktore byty przedmiotem badaii prowadzonych w ramach tej
pracy
byty
nanorurki
ferroelektryczne.
Badania
ferroelektrycznych
nanostruktur
jednowymiarowych sa_ niezwykle wazne z powodu zwi^kszaja^cej si§ miniaturyzacji urzajdzeri.
W rozwoju pami^ci typu FeRAM przewidywana jest zmiana ich architektury (na
trojwymiarowaj, ktora zwiazana jest z wykorzystaniem nanorurek lub nanopre^ow [13]. Ich
zastosowanie umozliwi zwi^kszenie pojemnosci pami^ci FeRAM w wyniku g^stszego
upakowania mniejszych struktur. Dodatkowy wzrost g^stosci upakowania zwiqzany b^dzie z
wyeliminowaniem powierzchni zajmowanej przez boczne scianki heterostruktur, ktore
powstaja^ w
wyniku
selektywnego
trawienia
(w
trakcie
procesu
litograficznego)
poszczegolnych elementow uktadow elektronicznych. Dodatkowy zaleta_ zastosowania
nanorurek/nanopr^tow b^dzie obnizenie kosztow zwia^zanych z unikni^ciem procesu
litograficznego.
W ramach tej pracy do przygotowania nanorurek ferroelektrycznych wykorzystana zostata
metoda matrycowa. Wczesniej metoda ta byta wykorzystywana przede wszystkim do
przygotowania nanorurek polimerowych [14-15] a wyniki przedstawione w pracach A2 i A3
byty
jednymi
z
pierwszych
opublikowanych
na
swiecie
dotycza^cymi
nanorurek
ferroelektrycznych. Metoda matrycowa polega na zwilzaniu powierzchni porowatej matrycy
przez ciekty prekursor oraz pozniejszej obrobce termicznej i chemicznej. Jako matryce
stosowac mozna porowaty krzem lub tlenek glinu o uporza^dkowanym rozktadzie porow,
ktorych srednica moze miec wymiary od kilkudziesi^ciu nanometrow do kilku mikrometrow.
W pierwszym etapie na powierzchni^ takiej matrycy naktadany jest ciekty prekursor
wybranego ferroelektryka lub innego materiatu. Prekursor zwilza scianki porow tworza^c
cienka^ warstw?. Po zakoiiczeniu procesu zwilzania amorficzny materiat na sciankach porow
zostaje wykrystalizowany w wysokiej temperaturze. Nast^pnie trzeba usuna_c nadmiar
prekursora, znajduja^cego si§ na powierzchni matrycy. W wyniku selektywnego trawienia
matrycy krzemowej otrzymuje si§ swobodne nanorurki. Proces trawienia matrycy mozna
przerwac
i wtedy
otrzymuje si?
nanorurki zamocowane w
podtozu
krzemowym
(,,nanoszczotki"). Nanorurki zamocowane w krzemie moga. z tatwoscia^ zostac wykorzystanie
we wspotczesnej technologii potprzewodnikowej.
Nanorurki otrzymane metodq. matrycowa^ maja^ rozmiary geometryczne, ktore zwiazane sa_
ze srednica, i gt?bokoscia^ porow wykorzystywanej matrycy. W ten sposob otrzymane zostaty
nanorurki PZT (PbZr0i52Tio,48O3) i BaTiO3 o zewn?trznej srednicy od 150 nm do kilku
mikrometrow (w zaleznosci od matrycy). Cz?sto, szczegolnie w przypadku, gdy nie zostata
catkowicie usuni?ta warstwa prekursora z powierzchni matrycy, otrzymywane byty wia^zki
nanorurek. Dtugosc tak przygotowanych nanorurek si?gata do 100 |jm jednak niektore z nich
tamaty si? na mniejsze fragmenty (szczegolnie podczas selektywnego trawienia). Na
podstawie analizy mikroskopowej (SEM i TEM) mozna stwierdzic, ze grubosc scianek
otrzymanych nanorurek wynosita 80-100 nm. W wielu przypadkach zaobserwowana zostata
pewna niejednorodnosc grubosci scianek nanorurek. Najprawdopodobniej ten efekt jest
zwia^zany z wysoka^ temperatura^ w ktorej krystalizowany byt materiat ferroelektryczny.
Wysoka temperatura umozliwita dyfuzj§ naniesionego materiatu po powierzchni porow.
Rowniez
proces
selektywnego
trawienia
moze
powodowac
cz^sciowe
zniszczenie
ferroelektryka i przyczynic si? do nierownomiernej grubosc scianek nanorurek.
Doktadna analiza morfologii ujawnita, ze nanorurki zbudowane sa^ z nanorozmiarowych
krystalitow oraz duzej cz^sci materiatu amorficznego. Faza amorficzna znajduje si? przede
wszystkim przy zewn^trznej i wewn?trznej powierzchni scianek nanorurek. Pojawienie si? tej
fazy zwia^zane jest prawdopodobnie z istnieniem duzych napr?zeh podczas krystalizacji.
Materiat amorficzny, ktory znajduje si? w ograniczonej i niewielkiej obj?tosci mikro- lub
nanoporow, charakteryzuja^cych si? duza^ krzywizna_ powierzchni,
nie ma mozliwosci
osia5ni?cia prawidtowej struktury krystalicznej podczas wygrzewania. Dodatkowym zrodtem
napr?zen sa_ efekty zwiqzane ze strukturalnymi przemianami fazowymi, ktore wyst?puja^
podczas chtodzeniem nanorurek w matrycy z temperatury krystalizacji do temperatury
pokojowej. Niestety dodatkowy proces wygrzewania, podczas ktorego mozliwe bytoby
usuni?cie napr?zeh oraz krystalizacja fazy amorficznej prowadzi do zniszczenia struktury
nanorurek.
Z punktu widzenia
ferroelektryczne
potencjalnych zastosowan najwazniejsze jest, aby nanorurki
posiadaty
swoje
uzyteczne
wtasciwosci.
Do
badah
wtasciwosci
ferroelektryczny wykorzystany zostat mikroskop PFM. Pomiary te wykonywane byty na
pojedynczych nanorurkach leza^cych na krzemowym podtozu pokrytym warstwa, platyny.
Podtoze to stanowito jedna^ elektrod? a rol? drugiej elektrody petnito przewodza^ce ostrze
PFM. Podczas badan nanorurek PZT jak i BaTiO3 zarejestrowane zostaty charakterystyczne
p?tle histerezy ferroelektrycznej.
Poza wtasciwosciami ferroelektryczny mi nanorurek mozliwe jest rowniez wykorzystanie
ich wtasnosci piezoelektrycznych. Nanorurka, na ktorej znajduje si? komplet elektrod
8
(najlepiej cztery zewne.trzne i jedna wewn?trzna), moze si? uginac pod wptywem
przytozonego zewn?trznego pola elektrycznego w wyniku efektu piezoelektrycznego. Jezeli
taka nanorurka zostataby dodatkowo wyposazona w sond? to taki uktad mogtby bye
wykorzystany jako ostrze skanujqce w AFM [16]. Uporzqdkowane wia/ki nanorurek
wykorzystac mozna do stworzenia krysztatow fotonicznych o zmiennych parametrach
(kontroluja^c potozenie poszczegolnych nanorurek mozna zmieniac odlegtosci pomi?dzy nimi
lub/i zmieniac symetri? catego uktadu) [16]. Uktad nanorurek (,,nanoszczotki") umozliwitby
zapis/odczyt informacji z duzej powierzchni jednoczesnie, co nie wymagatoby przesuwania
catego dysku i znacznie skrocitoby czas odczytu [16]. Inne zastosowania nanorurek
piezoelektrycznych zwiazane sa_ z przeptywem cieczy w takiej nanorurce [17-18].
Odpowiedni uktad elektrod i przyktadane do nich napi?cie powodowatby zmian? srednicy
nanorurki. Znajdujapy si? w srodku ptyn zostatby przepchni?ty przez nanorurk? a na jej
koncu utworzytaby si§ niewielka kropla. W ten sposob nanorurka mogtaby dziatac jako
precyzyjna pompa odmierzaja_ca/dawkuja_ca niewielkie obj^tosci cieczy (np. w bardzo
precyzyjnych
podajnikach
lekow
lub
w
wysokorozdzielczych
gtowicach
drukarek
atramentowych).
Kolejna cz^sc pracy habilitacyjnej zwia^zana byta z obnizeniem kosztow wytwarzania
nanorozmiarowych
ferroelektrykow.
Nanomateriaty
ferroelektyczne
o
strukturze
perowskitowej wymagaja^, w zaleznosci od stosowanych metod, albo wysokiej temperatury
podczas procesu ich wytwarzania, albo krystalizacji po ich otrzymaniu w celu osiajgni^cia
prawidtowej struktury krystalicznej i zwia^zanych z nia^ dobrych wtasciwosci fizycznych.
Niestety koniecznosc wygrzewania wptywa na podwyzszenie kosztow produkcji tych
materiatow. W zwia_zku z tym od wielu lat prowadzone sa^ badania w celu obnizenia
temperatury niezb^dnej do uzyskania dobrej jakosci ferroelektrykow perowskitowych. W
ramach tej pracy poczajkowo probowano wykorzystac metod? hydrotermalnq [19] jednak
ostatecznie zdecydowano si? wybrac syntez? mechaniczna,, ktora umozliwia otrzymanie
wtasciwej struktury krystalicznej w temperaturze pokojowej. Mechaniczna synteza, pomimo,
ze jest znana i wykorzystywana od wielu lat (gtownie do otrzymywania stopow metali)
niedawno zostata wykorzystana do otrzymywania ferroelektrykow. Mozliwosc uzyskania
perowskitow w temperaturze pokojowej, poza obnizeniem kosztow produkcji, utatwia kontrol?
stechiometrii materiatu, ktora moze ulegac zmianie z powodu wyst^pujqcej w wysokiej
temperaturze dyfuzji niektorych pierwiastkow (np. otowiu lub bizmutu). Dodatkowa^ zaleta^
mechanicznej syntezy jest zastosowanie prostych tlenkow metali jako substraty do reakcji,
ktore zazwyczaj sa^ tansze i chemicznie
stabilniejsze
od zwia^zkow chemicznych
wykorzystywanych do produkcji identycznych nanomateriatow innymi metodami takimi jak
zol-zel lub osadzanie z fazy gazowej.
W ramach tej pracy metoda^ mechanicznej syntezy otrzymano ferroelektryki (BaTiO3,
PbTiO3 lub PZT) i mutiferroik BiFeO3 i jego roztwory state [A9, A10, A11, A12]. Wykonane
badania rentgenowskie po poszczegolnych etapach syntezy umozliwify monitorowanie
przebiegu reakcji. Dla badanej grupy zwia^zkow synteza przebiegata podobnie. W pierwszym
etapie nast^powato rozdrabniania tlenkow wykorzystywanych do syntezy. W czasie
dtuzszego mielenia (po okoto 10-15 godzinach) pojawiaty si§ stabe piki zwiazane z
powstaniem nowej struktury krystalicznej zidentyfikowanej jako faza perowskitowa. Brak
jakichkolwiek niezidentyfikowanych pikow dyfrakcyjnych potwierdzit, ze uzyskany material
posiada tylko jedna^ faz? krystaliczna^. Wydtuzanie czasu mielenia powodowato wzrost
intensywnosci obserwowanych pikow dyfrakcyjnych, co swiadczy o coraz wi^kszym udziale
fazy perowskitowej w badanym materiale. Dalsze wydtuzanie czasu reakcji (powyzej 50-70
h) wptywa na zmniejszenie intensywnosci pikow dyfrakcyjnych i zwi^kszenie ich szerokosci.
Zmiany te sa_ efektem rozdrobnienia proszku ferroelektrycznego. Sposrod badanych
zwiqzkow tylko w przypadku PbTiO3 zaobserwowano pojawianie sie. faz posrednich podczas
syntezy. Widma dyfrakcyjne proszku otrzymanego po dwugodzinnym mieleniu zwierajav
dodatkowe piki, ktore mozna zwiqzac z obecnosciajaz Pb3O4 i Ti10Oi8 [A12].
Badania wykonane za
pomoca_ SEM
potwierdzity, ze
proszek ztozony jest z
nanorozmiarowych krystalitow, ktore tworza^ luzrio upakowane aglomeraty. Wielkosc tych
aglomeratow ma rozmiary od kilkudziesi^ciu nanometrow do nawet 200-250 nm. Na
podstawie badari wykonanych za pomoca^ TEM mozna stwierdzic, ze poszczegolne
aglomeraty zbudowane sq_ z krystalitow o wielkosci od kilku nanometrow do 30-40 nm.
Szczegotowa analiza ujawnita istnienie serii ptaszczyzn krystalograficznych, ktore zwiazane
sa^ z grupa^ ptaszczyzn sieciowych struktury perowskitowej, na co jednoznacznie wskazuja^
wyznaczone odlegtosci pomi^dzy poszczegolnymi ptaszczyznami sieciowymi. Dodatkowo
badania te ujawnify, ze poszczegolne krystality otoczone sa^ amorficzna_ otoczka^. Ta
amorficzna (strukturalnie
nieuporza^dkowana) otoczka o grubosci okoto 1-2 nm ma
decyduja_cy wptyw na finalne wtasciwosci nanoproszkow.
W celu okreslenia wtasciwosci fizycznych nanoproszku BaTiO3 wykonane zostaty badania
dielektryczne. Aby wyznaczyc temperature przemiany fazowej wykonano badania kompozytu
zlozonego z polimeru PVDF oraz nanoproszku BaTiO3,w ktorym krystality BaTiO3 mozna
traktowac jako izolowany nanomateriat. Wyznaczona na podstawie badania przenikalnosci
dielektrycznej nanokompozytu temperatura przemiany fazowej wynosi okoto 330 K i jest
nizsza
niz
uzyskiwana
w
badaniach
tradycyjnych
materiatow
(ceramicznych
lub
monokrystalicznych). Widmo dielektryczne w poblizu temperatury przemiany fazowej jest
bardzo szerokie i rozmyte. Podobny charakter ma temperaturowa zaleznosc przenikalnosci
dielektrycznej zmierzona dla probek wykonanych z nanoproszku sprasowanego w
temperaturze pokojowej. W tym przypadku widoczne jest rowniez szerokie maksimum w
10
poblizu temperatury przemiany fazowej, ktora wynosi okoto 341 K. Obnizenie temperatury
przemiany fazowej oraz rozmycie anomalii dielektrycznej sa_ najprawdopodobniej zwia^zane z
efektami rozmiarowymi wyst^pujapymi w nanoproszkach ferroelektrycznych.
Istnienie fazy amorficznej wpfywa na wtasciwosci nanoproszkow i widoczne jest np. w
widmach otrzymanych na podstawie badaniach spektroskopii ramanowskiej. Porownuja^c
widma Ramana otrzymane podczas badari tradycyjnych materiatow i nanoproszkow mozna
stwierdzic, ze tto (szczegolnie w zakresie 100-300 cm"1) jest zdecydowanie podwyzszone dla
probek nanorozmiarowych. Rowniez piki, obserwowane podczas badaii nanoproszkow, sa^
zdecydowanie szersze. Zaobserwowano takze, ze niektore drgania wyst^pujq. przy nizszych
cz^stosciach niz podczas badan tradycyjnych materiatow [A9]. Poszerzenie pikow byto
rowniez widoczne podczas badari nanoproszkow metoda^XPS [A12]. Charakterystyczne linie
obserwowane dla nanomateriatow sa^ ztozeniem piku charakterystycznego dla danego
materiatu oraz mniejszego piku o nieco nizszej energii wia^zania. Najdoktadniej to zostato
zbadane dla nanoproszku PbTiO3 otrzymanego melody mechanicznej syntezy. W przypadku
kazdej z linii Pb4f, Ti2f lub O1s wystepowaty dodatkowe piki o nizszej energii niz linii
gtownych. Zaobserwowano brak tych dodatkowych pikow w materiale nanokrystalicznym, z
ktorego wyeliminowano faz? amorficznav w takcie krystalizacji. Z tych powodow obecnosc
dodatkowych linii XPS mozna zwia^zac z istnieniem strukturalnie nieuporza^dkowanego
materiatu, z ktorego zbudowana jest otoczka krystalitow.
Najwi^kszy wptyw amorficznej otoczki i efektow rozmiarowych obserwowany byt podczas
badari nanoproszku BiFeO3 otrzymanego metoda^ mechanicznej syntezy. Podobnie jak w
przypadku ferroelektrykow, nanoproszki BiFeO3 tworza_ nieregularne luzno upakowane
aglomeraty. Wielkosc pojedynczych ziaren ma dose duzy rozrzut (od kilku nanometrow do
30-40 nm) a krystality otoczone 53. amorficzna_ (strukturalnie nieuporzqdkowanaj otoczka_ o
grubosci okoto 1-2 nm. Faza amorficzna moze osi^gna^c az do ~30 % obj^tosci catego
materiatu (w przypadku ziaren o srednicy 10 nm). Amorficzny materiat moze zostac
wykrystalizowany w trakcie wygrzewania w wysokiej temperaturze, co potwierdzajX wyniki
pomiarow kalorymetrycznych, w ktorych podczas pierwszego grzania, poza anomaliami
zwia^zanymi z przemianami fazowymi, widoczne sa^ dodatkowe anomalie cieplne w zakresie
380-450°C. Przeprowadzone badania mikroskopowe potwierdzity ten wniosek [20]. W
wygrzanym nanoproszku znajduja, si§ ziarna, ktore w catosci posiadaja, struktur?
perowskitowa.. Procesowi krystalizacji towarzyszy proces rozrostu ziaren, ktore po wygrzaniu
maja^ sredni rozmiar 40-50 nm. Dodatkowym zaobserwowanym efektem wygrzewania jest
zmiana morfologii krystalitow. Bezposrednio po syntezie otrzymywane 33. owalne ziarna a
wygrzewanie powoduje, ze pojawiaja^ si? krystality z wyraznie zarysowanymi scianami.
Na
podstawie
przeprowadzonych
badari
magnetycznych
mozna
stwierdzic,
ze
nanoproszki zbadane bezposrednio po syntezie posiadaja^ lepsze wtasciwosci magnetyczne,
11
ktore zwia,zane sa, zarowno z efektem rozmiarowym jak i obecnoscia, amorficznej otoczki
krystalitow. W BiFeO3 dtugosc okresu cykloidalnego uporza,dkowania magnetycznego wynosi
okoto 62 nm. W nanoproszkach, w ktorych krystality maja, rozmiary mniejsze niz 62 nm,
spiny nie moga, wykonac petnej rotacji wzdtuz wektora falowego, co prowadzi do powstania
dodatkowego wktadu do namagnesowania. Badania magnetyczne wykonane dla probek
wygrzanych sa, bardzo podobne jak otrzymywane dla materiatow tradycyjnych. Zaieznosc
magnetyzacji od zewn^trznego pola magnetycznego moze swiadczyc o istnieniu stabego
uporza_dkowania magnetycznego lub uporza,dkowania antyferromagnetycznego.
Zasadnicza, wada. BiFeO3 jest duze przewodnictwo elektryczne, ktore wzrasta wraz ze
wzrostem temperatury. Wykonane badania dielektryczne przeprowadzone na probkach
ceramicznych otrzymanych z nanoproszkow potwierdzity istnienie duzego przewodnictwa
elektrycznego [21]. Prawdopodobnie tak duza wartosc przewodnictwa jest spowodowana
istnieja,cymi w materiatach otrzymanych w wyniku wysokoenergetycznego
mielenia
wakansami tlenowymi, ktore moga. bye zwiazane z fluktuacjami walencyjnosci jonow zelaza
(3+ lub 2+).
W chwili obecnej, sposrod badanych materiatow, BiFeO3 jest najatrakcyjniejszym
materiatem, ktory jest mozliwy do wykorzystania w urza,dzeniach elektronicznych nowej
generacji. Obecnosc w jednej fazie jednoczesnie co najmniej dwoch uporza.dkowari
ferroicznych
(ferroelektryczne,
ferromagnetyczne,
ferroelastyczne)
mogtoby
zostac
wykorzystane do tworzenia catkowicie nowych urz^dzeri takich jak np. elementy pami^ci o
czterech stanach (do tej pory wykorzystywane sa, pami^ci 2-stanowe); pami^ci nowego typu,
w ktorych informacje b§da, zapisywane za pomoca, pola elektrycznego a odczytywane za
pomoca, pola magnetycznego; wysokocz§stotliwosciowe filtry, ktore moga, bye dostrajane
polem magnetycznym itp. Wzrost zainteresowania
poszukiwaniami
nowego
materiatu
BiFeO3 zwiazany byt rowniez z
o dobrych wtasciwosciach
piezoelektrycznych i
ferroelektrycznych, ktory mogtby zastapic w elektronice PbTiO3 i jego roztwory state (przede
wszystkim czysty i domieszkowany PZT). Ceramiki te zawieraja, zwia,zki otowiu, ktory, w celu
ochrony srodowiska naturalnego, nalezy wyeliminowac (zgodnie z dyrektywa, UE Nr.
2002/95/EC obowiazuja,ca, od 2006 roku). Jednym z potencjalnych nastepcow PZT mogtby
bye BiFeO3, jednak nie posiada on (jako tradycyjny materiat) dostatecznie dobrych
wtasciwosci funkcjonalnych
(np. wielkosc
polaryzacji
spontanicznej
i wspotczynniki
piezoelektryczne sa, zbyt mate). Prowadzone na catym swiecie badania ujawnity, ze ten sam
zwia,zek ale jako nanomateriat ma zupetnie inne wtasciwosci. Cienkie warstwy epitaksjalne
BiFeO3 maja, nawet kilkadziesiaj razy wi^ksza, wartosc polaryzacji spontanicznej niz
materiaty tradycyjne [22]. Podobnie wartosc namagnesowania rosnie wraz ze zmniejszaniem
grubosci
cienkiej
warstwy
(ponizej
120
nm)
[23].
Pomimo
intensywnych
badari
prowadzanych na catym swiecie, ktorych celem jest wyjasnienie tych zmian (m. in.
12
podejmowane byty proby okreslenia wptywu defektow, napr^zen, obecnosci zanieczyszczen,
wptywu magnetycznych i ferroelektrycznych scian domenowych, zasi^gu uporzajjkowania
magnetycznego
itd.) do tej
pory
nie udato w
petni wyjasnic
si§
mechanizmu
odpowiedzialnego za wzrost polaryzacji spontanicznej i namagnesowania tego materiatu w
nanoskali.
[I] O.Auciello, J.F. Scott, R. Ramesh, Physics Today, 1998, 7, 22-27
[2] J. F. Scott, Ferroelectric memories, Berlin, Springer, 2000
[3] K. Ishikawa, K. Yoshikawa, N. Okada, Physical Review B, 1988, 37, 5852-5855.
[4] K. Uchino, E. Sadanaga, T. Hirose, Journal of the American Ceramic Society, 1989, 72, 1555-1558.
[5] S. Chattopadhyay, P. Ayyuby, V. R. Palkar, M. Multani, Physical Review B 1995, 52, 13177-13183.
[6] S.B. Ren, C.J. Lu, H.M. Shen, Y.N. Wang, Physical Review B 1997, 55, 3485-3489.
[7] S. Chattopadhyay, Nanostructured Materials, 1997, 9, 551-554.
[8] B. Jiang, J. L. Peng, Journal of Applied Physics, 2000, 87, 3462-3467
[9] R. Waser, Nanoelectronics and information technology: advanced electronic materials and novel devices,
Weinheim, Wiley-VCH, 2003.
[10] A. Seifert, A. Vojta, J.S. Speck, F.F. Lange, Journal of Materials Research, 1996, 11, 1470-1482.
[II] L. Zhao, AT. Chien, F.F. Lange, J.S. Speck, Journal of Materials Research, 1996, 11,1325-1328.
[12] M. Dawber, I. Szafraniak, M. Alexe, J.F. Scott, Journal of Physics: Condensed Matter, 2003, 15, L667-L671.
[13] www.itrs.net ("International Technology Roadmap for Semiconductors")
[14] M. Steinhart, J.H. Wendorff, A. Greiner, R.B. Wehrspohn, K. Nielsch, J. Schilling, J. Choi, U. Gosele,
Science, 2002, 296, 1997.
[15] M. Steinhart, J.H. Wendorff, R.B. Wehrspohn, ChemPhysChem, 2003, 4, 1171-1176.
[16] M. Alexe, Y. Luo, I. Szafraniak, R.B. Wehrspohn, M. Steinhart, "Piezoelectric actuators, transducers and
storage device based on piezoelectric nanotubes and a method of fabrication", European Patent 03000969.3,
17.01.2003
[17] J.F. Scott, F.D. Morrison, M. Miyake, P. Zubko, X. Lou, V.M. Kugler, S. Rios, M. Zhang, T. Tatsuta, O. Tsuji,
T.J. Leedham, Journal of the American Ceramic Society, 2005, 88, 1691-1701.
[18] J.F. Scott, F.D. Morrison, M. Miyake, P. Zubko, Ferroelectrics, 2006, 336, 237-245.
[19] I. Szafraniak, M. Alexe, Ferroelectrics, 2003, 291, 19-26
[20] I. Szafraniak-Wiza, W. Bednarski, S. Waplak, B. Hilczer, A. Pietraszko, L. K?piriski, Journal of Nanoscience
and Nanotechnology. 2009, 9, 3246-3251.
[21] S.Greicius, J. Banys, I. Szafraniak-Wiza, Processing and Application of Ceramics, 2009, 3, 85-87.
[22] J. Wang, J.B. Neaton, H. Zheng, V. Nagarajan, S.B. Ogale, B. Liu, D. Viehland, V. Vaithyanathan, D.G.
Scholm, U.V. Waghmare, N.A. Spaldin, K.M. Rabe, M. Wuttig, R. Ramesh, Science, 2003, 299, 1719-1722.
[23] J. Wang, "Ph.D. thesis. Deposition and characterization of multiferroic BiFeOa thin films" University of
Maryland, College Park, 2005
13
5. Omowienie pozostatych osiqgniqc naukowo - badawczych.
W 1995 roku ukoriczytam studia na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza
w
Poznaniu.
W
ramach
pracy
magisterskiej
pt.
,,Badanie
wtasnosci
fizycznych
czterofluoroboranu pirydyniowego" ([C5NH6]"[BF4]+) zajmowatam si§ badaniem wtasciwosci
fizycznych nowoodkrytego krysztatu molekularno-jonowego, w ktorym wyst^puje faza
ferroelektryczna. W czasie pracy magisterskiej zaangazowana bytam w otrzymywanie
monokrysztatow z roztworow wodnych. Wyniki wykonanych badari dielektrycznych (w
szerokim zakresie temperatury i cz^stotliwosci pola mierza_cego) oraz p^tli histerezy
dielektrycznej stanowity podstaw? mojej pracy magisterskiej.
W latach 1995-2000 byfam stuchaczem Studium Doktoranckiego na Wydziale Fizyki
DAM.
W
ramach
pracy
doktorskiej
kontynuowatam
badanie
nowych
zwia_zkow
ferroelektrycznych (czterofluoroboranu i nadchloranu pirydynowego) oraz prostych soli
pirydynowych. Zasadniczym celem prowadzonych badaii byto okreslenie mechanizmu
strukturalnych przemian fazowych, wyznaczenie ich diagramow fazowych p-T oraz
okreslenie dynamiki kationu
pirydyniowego znajduja^cego si§ w
roznym
otoczeniu
krystalicznym. W ramach tej pracy wykonatam przede wszystkim pomiary kalorymetryczne,
dielektryczne i dylatometryczne w szerokim zakresie temperatur (80-400 K) i cisnienia
hydrostatycznego (do 1GPa). Prac§ doktorska: ,,Badanie wtasnosci fizycznych i przemian
fazowych w wybranych solach pirydyniowych z jednowartosciowymi anionami" obronitam w
grudniu 2000 roku. Dnia 12.01.2001 Rada Wydziatu Fizyki Uniwersytet im. A. Mickiewicza
nadata mi tytut doktor nauk fizycznych. Uzyskane w czasie doktoratu wyniki zostaty
zaprezentowane w 5 artykutach (z listy filadelfijskiej) oraz przedstawione na konferencjach
krajowych i mi^dzynarodowych jako 16 prezentacji plakatowych.
W trakcie doktoratu odbyta staze w Niemczech: szesciomiesi^czny w roku 1996 na
Uniwersytecie w Dim (w ramach stypendium DAAD) i jednomiesi^czny w roku 2000 w
Instytucie Maxa Plancka w Halle oraz pi^ciomiesifczny staz na Uniwersytecie Umea w
Szwecji w roku 1998 (w ramach programu Socrates-Erasmus). Bratam tez udziat w sesji
pomiarowej podczas badan neutronowych prowadzonych w Berlinie w Hahn-Meitner Institute
(w roku 1997). Badania naukowe stanowia.ce podstaw? doktoratu byfy finansowane w
ramach grantu promotorskiego ,,Badanie wtasnosci fizycznych i przemian fazowych w
wybranych solach pirydyniowych z jednowartosciowymi anionami" (KBN-2P03B00816), ktory
byt realizowany od 01.01.1999 do 30.09.2000. Ponadto od 01.07.1996 do 30.11.1997 bytam
wykonawca. w grancie ,,Badanie struktury i anizotropowych wtasnosci dielektrycznych
krysztatow czterofluoroboranu pirydyniowego" (KBN-2 P03B07811).
Po doktoracie kontynuowatam swoje zainteresowania materiatami ferroelektrycznymi,
jednak gtowna tematyka moich badan zwia_zana byta z nanoskala^. Z tego powodu
14
zdecydowatam si§ na kontynuowanie mojej pracy naukowej w grupie prof. Marina Alexe w
Instytucie Maxa Plancka w Halle (Max Planck Institute of Microstructure Physics), w jednym z
najwazniejszych osrodkow badania ferroelektrykow w Europie. Od 1.02.2001-31.01.2003
swoJ3_ prac§ realizowatam w ramach prestizowego stypendium Marie Curie "Singlecrystalline Thin Films by Direct Wafer Bonding and Ion Induced Exfoliation" (Marie Curie
Host Development Fellowship HPMD-CT-2000-00015), ktore byto finansowane w ramach 5
Programu Ramowego Komisji Europejskiej. Zasadniczym celem projektu byto opracowanie
metody otrzymywania wysokiej jakosci cienkich warstw monokrystalicznych GaAs i InP oraz
wybranych ferroelektrykow na dowolnym podtozu (metoda_ analogiczna^ do technologii
,,smart-cut®" opracowanej dla krzemu). Metoda ta polega na implantowaniu jonow (H+ i/lub
He+) do ptytki wyci^tej z monokrysztatu na okreslonq gt^bokosc od jej powierzchni. Po
zakoriczonym procesie implantowania w czasie wygrzewania zgromadzone w cienkiej
warstwie jony migruja^ i gromadza^ si§ w okolicy istnieja^cych defektow. W trakcie dalszego
ogrzewania wzrasta napr^zenie w obszarach zgromadzonych jonow, co w konsekwencji
powoduje p^kanie materiatu. Jezeli powierzchnia krysztatu nie zostata usztywniona (np. w
wyniku pota^czenia z innym krysztatem) to
na jej
powierzchni obserwowane sa_
charakterystyczne ztuszczenia materiatu. Najciekawsze wyniki obserwowane byty dla
probek, ktore byty pota^czone z ptytkav krzemowa. metody bezposredniego ta^czenia (ang.
direct wafer bonding). Metoda ta polega na uzyskaniu wiajzari kowalencyjnych w wyniku
bezposredniego potqczenia dwoch idealnie ptaskich i czystych ptytek. Takie ptytki pota^czone
ze soba_ w temperaturze pokojowej przylegajq do siebie w wyniku pojawienia si§ pomi§dzy
nimi stabych wiajzari van der Waalsa lub wodorowych. W czasie wygrzewania stabe wia_zania
pomi^dzy ptytkami ulegaja^ zamianie na silne wia^zania kowalencyjne. Technologia ta
umozliwia otrzymanie dowolnych cienkich warstw monokrystalicznych na dowolnym podtozu
oraz wyeliminowanie ograniczeii wyst^puja^cych w warstwach epitaksjalnych (np. zwia^zanych
z niedopasowaniem sieci lub orientacja^ podtoza, istnieniem granic ziaren lub sieci dyslokacji
zwiavzanych z relaksacja_ napr^zeti epitaksjalnych czy istnieniem warstw przejsciowych przy
granicy z podtozem). W ramach projektu udato si§ okreslic warunki otrzymywania cienkich
warstw GaAs o roznej orientacji krystalograficznej oraz dokonac ich transferu na
monokrystaliczne ptytki krzemowe. Zbadano rowniez kilka ferroelektrykow (LaAIO3, LiNbO3,
PLZT i SrTiO3) i okreslono warunki powstawania cienkich warstw monokrystalicznych.
Jednak nie udato si§ przeprowadzic ich transferu bezposrednio na podtoze krzemowe.
Przyczyna^ tych trudnosci byty pojawiaja^ce si§ w heterostrukturze napr^zenia, ktore
wystepowaty podczas chtodzenia (po procesie wygrzewania) i zwiqzane byty z roznica_
wspotczynnikow rozszerzalnosci cieplnej krzemowego podtoza i ferroelektrykow. W zwia/ku
z tym podj^to skuteczne proby transferu ferroelektrycznej cienkiej warstwy na podtoze
krzemowe wykorzystuja_c warstwy posrednie.
15
W okresie 1.02.-30.09.2003 bytam zatrudniona w Instytucie Maxa Planck w Halle. W
tym czasie bytam wykonawca^ w projekcie "Nano-sized Ferroelectric Hybrids" Volkswagen
Foundation (Project No. 5/77737). W ramach tego projektu zaangazowana bytam w
przygotowanie i badanie wtasciwosci fizycznych nanostruktur ferroelektrycznych. W celu
otrzymania nanostruktur wykorzystywatam rozne metody: hydrotermalna^, mikroemulsje., zolzelowa^ itp. Najciekawsze wyniki osiajgni^te zostaty podczas badania
nanostruktur
uzyskanych w wyniku niestabilnosci ultracienkich warstw, ktore zostaty opisane w cze.sci 4.
W tym czasie przygotowywatam i badatam rowniez nanorurki ferroelektryczne. Po
zakohczeniu projektu kontynuowatam wspotprac? naukowa^ z grupe|_ prof. M. Alexe, a
wspolne badania realizowatam podczas miesi^cznych stazy naukowych, ktore odbytam w
roku 2004 i 2006 w Halle.
Od 1.10.2003 jestem zatrudniona w Instytucie Inzynierii Materiatowej Politechniki
Poznanskiej na stanowisku adiunkta. Pierwszy okres mojej pracy zwiazany byt z kontynuacja,
badan ferroelektrycznych nanorurek. Badania te realizowane byty w ramach projektu
,,Funkcjonalne nanorurki wytwarzane metoda_ matrycowsi" (kierownik projektu) KBN
3T08A00527. Kolejny etap mojej pracy byt zwiazany z otrzymywaniem i badaniem
nanoproszkow ferroelektrycznych otrzymanych.metody mechanicznej syntezy.
W latach 2004-2010 w ramach wspotpracy z Instytutem Fizyki Molekularnej Polskiej
Akademii
Nauk
realizowatam
projekt
badawczy
pt.
,,Otrzymywanie
nanostruktur
ferroelektrycznych" (PBZ-MIN-012/KBN/2004). Badania realizowane w ramach tego projektu
dotyczyty
przede
wszystkim
okreslenia
wtasciwosci
fizycznych
nanoproszkow
ferroelektrycznych otrzymanych metody mechanicznej syntezy oraz ceramiki wykonanej z
tych nanoproszkow.
W ostatnim czasie przedmiotem moich badah jest czysty i domieszkowany BiFeO3, z
ktorym wiazane sa_ ogromne mozliwosci potencjalnych zastosowah w nowoczesnych
urzadzeniach. W przysztosci chciatabym kontynuowac prac§ w zakresie badan materiatow
multiferroicznych. Jednofazowe multiferroiki nie spetnity poktadanych im oczekiwah z
powodu niewielkiego sprz^zenie istnieja^cego pomi^dzy wtasciwosciami magnetycznymi i
ferroelektrycznymi. Z tego powodu podejmowane ss[ proby uzyskania multiferroicznych
kompozytow o duzym sprz^zeniu magnetoelektrycznym. Chciatabym wta^czyc si? w ten nurt
swiatowych badan wykonuja_c kompozytowe ceramiki multiferroiczne otrzymywane w wyniku
prasowania na gora^co piezoelektrycznych i magnetycznych nanoproszkow otrzymanych
metody mechanicznej syntezy. Zwiajzane jest to rowniez z ostatnimi inwestycjami
dokonanym przez Instytut Inzynierii Materiatowej, ktory zakupit odpowiedni^ pras§ do
prasowania na gora_co i spiekania iskrowego. Zazwyczaj materiaty ceramiczne przygotowane
metody prasowania na gora_co charakteryzuja_ si? bardzo dobra^ jakoscia^, co moze
decydowac o ich finalnych wtasciwosciach.
16
W latach 2010/2011 bratam udziat w Studiach Podyplomowych Menedzer Projektow
Badawczych organizowanych przez Uniwersytet im. Adama Mickiewicza dla pracownikow
naukowych ze stopniem doktora.
Jestem wspotautorem 36 prac z listy filadelfijskiej (i 9 prac spoza listy filadelfijskiej).
Wedtug bazy Web of Science (20.02.2014 r.) prace te byty cytowane 882 razy (bez
autocytowah 850), a indeks Hirscha wynosi 14. Sumaryczny impact factor wynosi 86,4.
Jestem wspotautorem dwoch rozdziatow w ksiazkach naukowych wydanych w jezyku
angielskim (1. M. Alexe, I. Radu, I. Szafraniak "Wafer bonding of ferroelectric materials" w
,,Wafer Bonding" M. Alexe, U. Gosele (red.) Springer, Berlin, 2004 (str 451-472); 2. I.
Szafraniak-Wiza, M. Alexe, D. Hesse, ,,Nanosized ferroelectric crystals", (str 600-621) w
"Handbook of advanced dielectric, piezoelectric and ferroelectric materials: Synthesis,
properties and applications" Z-G Ye (red.), Woodhead Publishing Limited, Cambrigde 2008).
Wyniki moim badah byty prezentowane na krajowych i miedzynarodowych konferencjach
(ponad 90 komunikatow). Przedstawitam 4 wyktady zaproszone podczas miedzynarodowych
konferencji naukowych:
•
"Nanosized ferroelectrics",
Spring Meeting of the German Physical Society
Division Condensed Matter, Regensburg, 2007
•
"Characterization of multiferroic nanopowders obtained by mechanochemical
synthesis", 9th International Symposium on Ferroic Domains and Micro- to
Nanoscopic Structures, Dresden, 2006
•
"Nanosized ferroelectric crystals", 11th International Meeting on Ferroelectricity,
Foz do Iguagu, 2005
•
"Nanosized ferroelectric crystals obtained by self-patterning method", XVI PolishCzech Seminar on Structural and Ferroelectric Phase Transitions, Wierzba, 2004.
Jestem wspotatorem jednego patentu europejskiego (M. Alexe, Y. Luo, I. Szafraniak, R.B.
Wehrspohn, M. Steinhart, "Piezoelectric actuators, transducers and storage device based on
piezoelectric nanotubes and a method of fabrication", European Patent 03000969.3,
17.01.2003)
Prac§ naukowa^ prowadzitam rowniez w osrodkach zagranicznych:
•
Anglia, Uniwersytet w Cambridge, 2006 (trzymiesi^czna wizyta naukowa w
ramach, stypendium R. Wasilewskiego)
•
Kanada,
Universite
du
Quebec,
INRS
-
Energie,
Materiaux
et
Telecommunications, Montreal 2003 - (tygodniowa wizyta naukowa)
•
Niemcy, Max Planck Institute, Halle 2001-2003 (staz podoktorski, stypendium
Marie Curie)
17
•
Niemcy, Max Planck Institute, Halle 2000, 2004, 2006 (jednomiesieczne wizyty
naukowe)
•
Francja, ESRF, Grenoble, 2003 (tygodniowa sesja pomiarowa)
•
Szwecja,
Umea
University,
1998/99
(pieciomiesieczna
wizyta
naukowa,
stypendium Socrates-Erasmus)
•
Niemcy, Hahn-Meitner Institute, Berlin, 1997 (tygodniowa sesja pomiarowa)
•
Niemcy, Ulm University, 1996 (szesciomiesieczna wizyta naukowa, stypendium
DAAD)
Bratam udziat w miedzynarodowych komitetach naukowych:
•
Stirring Committee "European Meeting on Ferroelectricity"
•
Management Committee COST Action 539 "Electroceramics from Nanopowders
Produced by Non-conventional Methods" ELENA, 2005-2009
•
Management Committee COST Action MP0904 "Single phase and multiphase
ferroics and multiferroics with restricted geometries" (SIMUFER), 13.01.20101.03.2014
•
International Advisory Committee "Micro- and Nano-scale Domain Structuring in
Ferroelectrics" (22 - 26.08.2007, Ural State University, Ekaterinburg, Russia)
Bratam udziat w miedzynarodowych projektach badawczych:
•
COST Action 539 "Electroceramics from Nanopowders Produced by Nonconventional Methods" ELENA, 2005-2009
•
COST Action MP0904, "Single- and multiphase ferroics and multiferroics with
restricted geometries (SIMUFER)", 2010-2014
W czasie swojej pracy w Instytucie Inzynierii Materiatowej Politechniki Poznariskiej (od 2003)
bratam udziat w realizacji nastepuja.cych projektow badawczych:
•
,,Funkcjonalne nanorurki wytwarzane metoda^ matrycowaj' (kierownik projektu)
KBN 3T08A00527 (2004-2007)
•
"Towards size effects in nanosized ferroelectrics - fabrication of nanocrystals by
self-assembling
methods"
FP6-2002-Mobility-11
Marie
Curie
European
Reintegration Grant MERG-CT-2004-006312 (2005-2006)
•
,,Otrzymywanie nanostruktur ferroelektrycznych" (kierownik projektu) KBN PBZMIN-012/KBN/2004 (2005-2010)
•
,,Efekty rozmiarowe ferroelektrykow: otrzymywanie nanostruktur metodami samoorganizuja_cymi" (dofinansowanie MERG-CT-2004-006312) 11/6.PR UE/2005/7
(kierownik projektu)
18
•
,,Elektroceramiki
otrzymywane
z
nanoproszkow
wytworzonych
metodami
niekonwencjonalnymi" 2006-2009, (finansowanie kosztow realizacji projektu
mi^dzynarodowego niewspotfinansowanego COST 539)
•
"Jedno i wielofazowe ferroiki i multiferroiki", 2010-2014, (finansowanie kosztow
realizacji projektu mi^dzynarodowego niewspotfinansowanego, COST MP0904)
•
,,Nanorozmiarowe struktury perowskitowe o wtasnosciach ferroelektrycznych i
multiferroicznych" (kierownik projektu), 3084/B/T02/2011/40 (2011-2014)
Za prac§ naukowa^ uzyskatam nast§puja_ce wyroznienia:
•
"Highlights of J. Phys.: Condens. Matter for 2003": M. Dawber, I. Szafraniak, M.
Alexe, J.F. Scott, "Self-patterning of arrays of ferroelectric capacitors: Description
by theory of substrate mediated strain interactions", J. Phys.: Condens. Matter, 15
(2003), L667-671.
•
"Best Poster Award": I. Szafraniak, M.-W. Chu, M. Alexe, D. Hesse, "Ferroelectric
Size Effects of Epitaxial PZT Nanocrystals Obtained by Self-Patterning Method",
8th International Symposium on Ferroic Domains and Micro-to Nanoscopic
Structures, Tsukuba, 2004
•
Nagroda Zespotowa I stopnia JM Rektora Politechniki Poznanskiej za osiajni§cia
naukowe w 2004 roku.
•
Stypendium Polityki "Zostahcie z nami" 2005
Jestem recenzentem artykutow naukowych w czasopismach:
•
Processing and Application of Ceramics
•
Materials Research Bulletin
•
Journal of Electronic Materials
•
Journal of Electroceramics
•
Ferroelectrics
•
Journal of Alloys and Compounds
Recenzowatam projekty grantow naukowych finansowanych z funduszy europejskich w
ramach nastepuja_cych konkursow:
•
FP7-NMP-2012-SMALL-6
•
FP7-NMP-2012-SME-6
•
FP7-PEOPLE-2012-IEF
•
FP7-PEOPLE-2012-IOF
•
FP7-PEOPLE-2012-IIF
•
FP7-PEOPLE-2013-IEF
•
FP7-PEOPLE-2013-IIF
•
FP7-PEOPLE-2013-IOF
19
W ramach dziatalnosci dydaktycznej od 2003 prowadz? zaj^cia dla studentow kierunku
inzynieria materiatowa w formie wyktadow, cwiczeh i zaj^c laboratoryjnych. Zaj^cia te byty
realizowane w ramach studiow jednolitych a obecnie dla pierwszego i drugiego stopnia
ksztatcenia. Do chwili obecnej prowadzitam zaj^cia z nast^pujapych przedmiotow: ,,Fizyka
ciata statego", ,,Fizyczne metody badan", ,,Metody badari nanomateriatow", ,,Nanomateriaty
funkcjonalne", ,,Materiaty o szczegolnych wtasnosciach fizycznych", ,,Krystalografia",
,,Kompozyty", ,,Planowanie badan i analiza wynikow", ,,Korozja i ochrona przed korozja,",
,,Materiaty amorficzne i nanokrystaliczne", ,,Nanomateriaty do zastosowan w elektronice" oraz
,,Materiatoznawstwo" (laboratoria).
20