Optisko materiālu laboratorija

Silīcija dioksīda un amorfo oksīdu materiālu pētījumi

Vispārējais pētniecības virziens ir arī cieto vielu amorfā stāvokļa īpatnību un to ietekmes uz materiāla optiskajām, elektriskajām un ķīmiskajām īpašībām izpēte. Galvenais pētījumu objekts ir silīcija dioksīds un ar to saistītie amorfie oksīdu materiāli, piemēram, daudzkomponentu silikātu stikli, germanosilikātu stikli un plānās kārtiņas un šo materiālu nanodaļiņas.

Silīcija dioksīda SiO2 kā viena no laboratorijas galvenā pētījumu objekta izvēli nosaka divas šī materiāla īpašības:

SiO2 ir viens no nedaudzajiem vienkāršajiem savienojumiem, kas dabā eksistē gan "nesakārtotā" amorfā stāvoklī (stikls, plānās kārtiņas, nanodaļiņas) gan "sakārtotā" kristāliskā stāvoklī( kvarcs, kristobalīts, tridimīts u.c.) . Šis apstāklis ļauj precīzāk noskaidrot amorfā stāvokļa ("nesakārtotības") ietekmi uz materiāla īpašībām.

Stiklveida SiO2 un tam radniecisko materiāli ir ļoti svarīgi daudzos pielietojumos. No tiem izgatavo šķiedru optiskos gaismas vadus optiskajiem sakariem un specializētiem pielietojumiem, piemēram, lieljaudas lāzeru staru pārvadīšanai medicīnā un materiālu apstrādē, šķiedras ar augstu caurlaidību spektra ultravioletajā diapazonā analītiskajos pielietojumos, šķiedras darbam augstas radiācijas apstākļos kodolenerģētikā un kosmiskajā tehnikā. Šos materiālus lieto silīcija mikroelektroniskajās ierīcēs (SiO2 dielektriskās/pasivējošās kārtiņas), lāzeru un UV optikā (lēcas), optisko signālu apstrādē (refraktīvie Brega režģi)un dažādu nanoizmēru ierīču (fotoniskie kristāli) izveidē. Kristāliskais SiO2 savukārt ir neaizstājams laika mērīšanas tehnikā ("kvarca" pulksteņi).

 Pašreizējie ar SiO2 galvenie laboratorijas pētījumu virzieni ir sekojoši:

Optiski aktīvo punktdefektu pētījumi stiklveida un kristāliskā SiO2. SiO2 ir materiāls ar izcili labu optisko caurlaidību spektra diapazonā no tuvā infrasarkanā līdz vakuuma ultravioleta apgabalam. Taču šo caurlaidību samazina lokālas novirzes no ideālas Si un O atomu savstarpējas sakārtotības SiO2 struktūrā, tā saucamie punktdefekti. Informācija par to struktūru, optiskajām īpašībām un veidošanās procesiem ir būtiska daudzos pielietojumos.

Kristālisko SiO2 polimorfu spektroskopiskās īpašības. SiO2 kristāli pie normālas temperatūras un spiediena spēj pastāvēt dažādās stabilās (α-kvarcs) un metastabilās (α-tridimīts, α-kristobalīts, koezīts, stišovīts) formās. Parasti tiek uzskatīts, ka amorfā SiO2 tuvākais kristāliskais analogs ir α-kvarcs. Taču pastāv hipotēze, ka amorfā SiO2 struktūrā, it īpaši punktdefektu apgabalos, var pastāvēt regulāru struktūru motīvi, kas atbilst atomu lokālam sakārtojumam kādā no no metastabilajiem SiO2 kristāliskajiem variantiem. Laboratorijā tiek veikti šo kristālisko polimorfu un amorfa SiO2 optisko īpašību salīdzinoši pētījumi.

Leģētu un daudzkomponenšu SiO2-bāzētu oksīdu stiklu pētījumi. SiO2 tiek leģēts ar citiem elementiem, lai piemērotu šo materiālu dažādu pielietojumu vajadzībām, piemēram, SiO2-GeO2 stikli tiek izmantoti kā fotojutīgs materiāls refraktīvu Brega režģu veidošanai optisko signālu filtrēšanai un apstrādei, SiO2 tiek leģēts ar fluoru radiācijas noturības uzlabošanai un laušanas koeficienta modulācijai, SiO2 leģēts ar Bi vai retzemju joniem tiek izmantots lāzeru veidošanā u.tml.

Starpmezglu molekulu SiO2 pētījumi. Amorfā SiO2 struktūra ir raksturīga ar nano-izmēra brīvām starpatomu telpām to veidojošā SiO4 tetraedru tīklā. Šajās brīvajās (tā saucamajās starpmezglu) telpās var ievietoties nelielas molekulas. Tās var tikt ievadītas gan difūzijas rezultātā, gan tikt radītas punktdefektu veidošanās radio-foto-ķīmiskos procesos (piem. O2), gan stikla sintēzes procesā (piem., Cl2). Tās spēj būtiski ietekmēt amorfā SiO2 īpašības pielietojumos un to īpašību izpēte un detektēšanas metožu izstrāde ir praktiski svarīgas problēmas.

SiO2 nanodaļiņu un fotoķīmisko procesu uz SiO2 virsmas pētījumi. Salīdzinājumā ar kristāliskajām SiO2 formām, amorfs SiO2 stikls ir raksturīgs ar lielām starpmezglu telpām, ko var uzskatīt arī par nano- un sub-nano izmēra porām. Šo poru lielumu iespējams variēt, materiālu sintezējot. Šādi materiāli ar lielu iekšējo virsmu ir perspektīvi katalīzes un sensoru pielietojumos.

Pētījumi tiek veikti galvenokārt ar spektroskopiskām metodēm. Laboratorijas aprīkojums ļauj izmantot optiskās absorbcijas un luminiscences spektroskopiju, infrasarkano absorbciju, Ramana izkliedi un vakuuma-ultravioleto spektroskopiju. Izmantojot sadarbības partneru aparatūru, pētījumi tiek veikti arī ar elektronu paramagnētiskās rezonanses spektroskopiju.

Aizvadītajā dekādē SiO2 pētniecībā mūsu laboratorijā iegūta virkne rezultātu ar būtisku fundamentālu un praktisku nozīmi.

Noteiktas optiskās īpašības tehnoloģiski nozīmīgajām starpmezglu hlora molekulām sintētiskajā SiO2 stiklā un pirmoreiz parādīta starpmezglu Cl2O molekulu veidošanās Cl2 molekulu ķīmiskā reakcijā ar fotolītiskiem starpmezglu skābekļa atomiem.

Tika izpētīta SiO2 amorfā stāvokļa ietekme uz punktdefektu veidošanos un tika parādīts, ka vakanču –starpmezglu (“Frenkeļa”) mehānisms ir efektīvāks nekā saišu disociācijas (‘norauto saišu”) mehānisms, bet abu mehānismu efektivitāti pastiprina amorfā stāvokļa nesakārtotība.

Starpmezglu skābekļa molekulu un starpmezglu O atomu difūzija SiO2 stikla tīklā tika pētīta ar 18O izotopu bagātināšanas metodi un tika parādīts, ka termiskā starpmezglu O difūzija notiek ar tīkla apmaiņas mehānismu, peroksīda tiltiņu Si-O-O-Si formā, bet ierosinātā stāvoklī O var difundēt tīrā starpmezglu formā, bez apmaiņas ar skābekļa atomiem stikla tīklā.

Tika noteikts skābekļa norauto saišu (“NBOHC”centru) optiskās absorbcijas spektrs dziļajā UV un vakuuma UV spektrālajā diapazonā. Šiem punktdefektiem ir īpaša nozīme praktiskos pielietojumos, jo tie ir spēcīgi optiskās absorbcijas centri, un tie rodas praktiski jebkurā apstarotā SiO2 stiklā. Pirms mūsu darba to precīzs absorbcijas spektrs dziļajā UV un vakuuma UV apgabalā nebija zināms, jo to absorbciju nebija izdevies atdalīt no daudzu citu defektu absorbcijas šajā spektrālajā rajonā.

Tika izpētīta ar fosforu saistītā luminiscence SiO2 kristālos un stiklos. Tika atrasta jauna UV luminiscences josla (4.6 eV) ar atbilstošo ierosmes joslu pie 7.1 eV. Tā tiek saistīta ar tetraedriski koordinētu fosfora atomu (“P2+ - centru” vai PO43− komplekso jonu) SiO2 stikla tīklā.

Tika veiktas salīdzinošas luminiscences īpašību studijas dažādos SiO2 kristāliskajos polimorfos (α-kvarcā, kristobalītā, koezītā un stišovītā) ar skābekļa deficītu saistītajiem pašvielas defektiem un eksitoniem.

Šie pētījumi ir labi pazīstami starptautiskajā zinātnieku, kuri strādā šajā nozarē vidē, un laboratorijas pētnieki ir publicējuši vairākus pārskata rakstus par SiO2 – bāzēto optisko materiālu problēmām.

Plazmas Elektrolitiskās oksidēšanas metode

Plazmas elektrolītiskā oksidēšana (PEO ir advancēts virsmas apstrādes process, ko galvenokārt izmanto, lai uzlabotu metālu un sakausējumu (piemēram, alumīnija, magnija un titāna) virsmas īpašības. PEO rezultātā tiek veidots keramikai līdzīgs oksīda slānis, kam piemīt ne tikai izcilas mehaniskās īpašības, bet arī metāla aizsardzība no apkārtējās vides. Laboratrijā bija veikti vairāki pētījujmi PEO jomā, kuri rezultējās virknē ar atklājumiem:

1. Pirmais PEO pārklājums ar novēroto reto zemju luminiscenci (Eu3+ no Al­2O3 matricas)
2. Izstrādāta jauna PEO pārklājumu leģēšanas metode (trīs pakāpienu poru aizpildīšana)
3. PEO pārklājums dozimetriskiem pielietojumiem
4. PEO pārklājums ar SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ , kurš izrāda ilgspīdošas luminescences īpašības

Cietvielu luminescences izpēte

                Ilgspīdošā luminiscence

Veikti vairāki pētījumi ilgspīdošās luminiscences virzienā, primāri fokusējoties uz aluminātiem (stroncija alumināts - SrAl2O4), leģētiem ar vairākiem retzemju joniem. Pētījumi tiek veikti gan luminiscences mehānismu izpētē, gan jaunu materiālu un leģējumu meklēšanā.

                Mehanoluminiscence

Mehānoluminiscence ir parādība, kurā materiāls izstaro gaismu mehāniskās deformācijas rezultātā – efekts ar plašu praktisko pielietojumu klāstu. Laboratorijā iepriekšējā pieredze ar komplekso oksīdu sintēzi un optisko īpašību pētījumiem tiek pielietota lai veidot jaunus materiālus, kurus var lietot polimēru kompozītos nākotnes 3d un 4d drukas pielietojumiem.

                Elektroluminiscence

Elektroluminiscence ir process, kurā materiāls emitē gaismu elektriskās strāvas mijiedarbības laikā. Efektam ir vairāki pielietojumi dažādās nozarēs, piemēram displejos, informatīvajās zīmēs un elektronisko ierīču fona apgaismojumā. Laboratorijā tiek pētīti vairāki neorganiskie savienojumi, piemēram, cinka sulfīds un ar retzemju elementiem leģētie kompleksie oksīdi elektroluminiscences pētījumiem. Šie materiāli ir izvēlēti, ņemot vērā to spēju efektīvi pārveidot elektrisko enerģiju gaismā, piedāvājot tādas priekšrocības kā zems enerģijas patēriņš un augsts spilgtums, kā arī platas izstarotās gaismas spektrālās joslas

Tiek apskatīti arī citi luminiscences veidi – nodrošinot pilnu materiālu izpētes virkni – no sintēzes līdz gala pielietojumu testiem laboratorijā (TRL5 līmenī)

Segnetoelektrisko materiālu izpēte

Fāžu pāreju interpretācija NBT un savienojumos uz NBT bāzes

Šis pētījuma virziens ir izaicinošs, tā kā fāžu pārejas šajos materiālos ir izplūdušas un acīmredzami vāji korelē ar fizikālo īpašību uzvedību.

Pētījuma mērķis ir gūt dziļāku ieskatu šajā problēmā, salīdzinot NBT ar savienojumiem uz NBT bāzes, kur aplūkotās īpašību izmaiņas ir labāk izteiktas. Lai raksturotu polarizācijas dabu, īpaša uzmanība tiek veltīta dielektriskām īpašībām. Tiek salīdzināti nepolarizētais un polarizētais stāvoklis, kur kristāliskās struktūras un īpašību interpretācija ir labāk pamatota.

Jauni svinu nesaturoši savienojumi ar uzlabotām elektromehāniskām īpašībām

Šis ir viens no pētījumu pamatvirzieniem attiecībā uz savienojumiem uz NBT bāzes. Lieli ar elektrisko lauka izraisīti pārvietojumi uz NBT bāzes veidotos sastāvos ir novērotas pie morfotropās fāžu robežas.

Pētījuma mērķis ir izpētīt pārvietojumus uz NBT bāzes veidotos savienojumos elektriskā lauka inducētajā fāžu pārejā starp nepolāru un segnetoelektrisko stāvokli ārpus tradicionāli aplūkotās morfotropās fāžu robežas. Pārvietojuma atkarības no elektriskā lauka mērīšanai tiek izmantots lāzera interferometrs un LVDT. Pjezoelektrisko īpašību raksturošanai ar d₃₃-metru un rezonanses-antirezonanses metodi tiek noteikti d₃₃ un d₃₁ koeficenti.

Elektrokaloriskais efekts (EKE) segnetoelektriķos

Šis pētījumu virziens ir kļuvis par karstu tēmu pēdējā desmitgadē. Iemesls šādai interesei ir saistīts ar ilgi pastāvošām idejām par jaunas paaudzes dzesēšanas iekārtām uz EKE bāzes. Šeit galvenais šķērslis līdz šim ir bijis tas, ka novērotās EKE vērtības ir pārāk zemas šādiem pielietojumiem. Daudzi pēdējā laikā publicētie rezultāti ir iegūti ar netiešo EKE noteikšanas metodi un norāda uz iespējām iegūt lielas EKE vērtības, palielinot vadošo elektrisko lauku.

Pētījuma mērķis ir paplašināt tiešo EKE mērījumu vadošā lauka diapazonu. Tiek interpretēta saistība starp EKE un polarizācijas uzvedību.

Fotoluminiscence ar lantanīdiem dopētos ABO₃ perovskitos, ieskaitot NBT

Fotoluminiscence šajos materiālos tiek pētīta atkārtoti. Literatūrā pārsvarā ir atspoguļoti pētījumi pie istabas temperatūras un virs tās, aprakstot luminiscences intensitātes atkarību no temperatūras un fāžu pāreju lomu tajā.

Pētījuma mērķis ir paplašināt pētījumu temperatūras diapazonu uz zemo temperatūru pusi, sasniedzot šķidrā hēlija temperatūru, kas sniedz iespēju noteikt dažādu apkārtņu skaitu, kur atrodas lantanīdu joni. Tiek pētīta arī iespēja modificēt luminiscences intensitāti ar elektrisko lauku.

Keramikas un tās izgatavošanas procesa raksturošana

Kamēr uz NBT bāzes veidotu savienojumu īpašību modificēšanas izpēte ir ļoti intensīva, keramikas un tās izgatavošanas procesam netiek veltīta atbilstoša uzmanība. Daļēji tas izskaidro dažas neatbilstības attiecībā uz publicēto pētījumu rezultātiem, kas veltīti vieniem un tiem pašiem sastāviem, kā arī samazina interpretācijas kvalitāti.

Pētījuma mērķis ir izpētīt graudu augšanas mehānismus segnetoelektriskā keramikā uz NBT bāzes. Uzmanība tiek veltīta reālā savienojuma sastāvam un homogenitātei. Tiek noteikti kompensācijas mehānismi elementu iztrūkumam, kas var tikt radīts ar vai bez nodoma.

Ūdens analīzes reālā laika sensors – Spectromarine

Laboratorijā tiek izstrādāta tehnoloģija on-line ūdens kvalitātes novērtēšanai izmantojot optiskās spektroskopijas metodes. Aktuālā informācija par šo virzienu ir pieejama te – www.spectromarine.com

Publikāciju saraksts SCOPUS vietnē