Projekti / Programi
Dinamika kompleksnih nanosnovi
01. januar 2009
- 31. december 2014
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P260 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kondenzirane snovi: elektronska struktura, električne, magnetne in optične lstnosti, supraprevodniki, magnetna rezonanca, relaksacija, spektroskopija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
nanocevke, optična spektroskopija, femtosekundna spektroskopija, tanki sloji, DNK, superprevodnost, manganiti, snovi z valovi gostote naboja, organski polprevodniki, prenos električnega naboja, ultra visoki vakuum, površine, stik kovina - polprevodnik
Raziskovalci (32)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
18 |
Povzetek
Cilj raziskovalnega programa je raziskati lastnosti kompleksnih nanosistemov s poudarkom na neravnovesni dinamiki v novih in obstoječih nanomaterijalih, snoveh z neperiodičnimi nehomogenostmi in bioloških nanosistemih, ter preučevanje povezave med njihovimi dinamičnimi lastnostmi in funkcijo.
Program združuje sintezo nanomatrijalov (s poudarkom na nanožicah in nanocevkah iz halkogenidov prehodnih kovin) z raziskovanjem njihovega povezovanja z organskimi molekulami (npr. proteini in DNK) za razvoj novih metod za izdelavo senzorjev in drugih naprav temelječih na teh snoveh z uporabo elektronske in tunelske nanolitografije.
Za določanje dinamičnih lastnosti kompleksnih nanosistemov bomo uporabili široko paleto fizikalnih raziskovalih tehnik, od merjenja spinske dinamike z magnetnimi in optičnimi tehnikami do merjenja transportnih lastnosti v posameznih nanostrokturah in femtosekundne spektroskopije.
Glavna prednost predlaganega programa je v interdisciplinarnem pristopu, ki povezuje nove materiale in raziskovalne tehnike razvite na Inštitutu Jozef Stefan. Tak pristop omogoča združitev osnovnih raziskav na samem čelu znanosti s prenosom nove tehnologije v industrijo.
Pomen za razvoj znanosti
Študij razvoja sistemov skozi prehode z zlomom simetrije v kondenzirani materiji, ki zlomijo različne vrste simetrij (prostorsko, umeritveno, obrat časa, itd.) z opazovanjem enodelčnih in kolektivnih vzbuditev ima pomembne posledice v temeljni fiziki časovno se razvijajočih sistemov. Analogija s kozmologijo je še posebej ustrezna, kot jo diskutirajo Kibble, Zurek, Varma, Volovik in drugi. Zanimivi so tudi ostali sistemi, kot npr. zlomi simetrije, ki nastanejo pri trkih osnovnih delcev, ki jih tipično diskutirajo v okviru teorij na osnovi teorije Ginzburga in Landaua, kot je npr. standardni model. Pomembnost projekta je, da lahko izbiramo različne simetrije v različnih laboratorijskih sistemih za posnemanje nedostopnih ali realno neponovljivih prehodov z zlomom simetrije kot so veliki pok in borzni zlomi. Nastanek različnih simetrij je možno raziskati z ustrezno izbiro sistema, kar omogoči pomembne analogije. Primer je analogija vrtincev in domenskih sten s kozmičnimi strunami in "branami". Analogi temne snovi se ponujajo s šibko sklopljenimi vzbuditvami, kot so fononi. Manipulacija prehodov z zlomom simetrije je temeljnega pomena kot sredstvo za usmerjanje sistemov v skrita urejena stanja, ki niso dosegljiva pri ergodičnih pogojih, kar odpira okno v tako imenovana “vzporedna vesolja”. Polje teh raziskav se hitro širi in prva mednarodna konferenca na temo "Higgsovih bozonov v kondenzirani snovi" je bila organizirana na Yukava Institute Kyoto leta 2014. Naši skupini so zaupali organizacijo mednarodne konference Photoinduced Phase Transitions 5 junija 2014 na Bledu in konferenco Flatlands beyond graphene v letu 2016, kar odseva ugled naše skupine na področju. Sodeč po zgodovini objav (vključno s članki v Science, Nature revijah, PRL, PRX) ter uspehu pri vzpostavljanju novih raziskovalnih področij s pomočjo vrhunske opreme iz EU sredstev in drugih prestižnih virov (ERC, Marie Curie in drugi projekti iz 7OP), so aktivnosti članov skupine zelo cenjene tako v Sloveniji kot v svetu. Skupina je našla uspešen recept za izvajanje izvrstne znanosti, ki temelji na nizu študentov in maloštevilnega števila dobro koordiniranega izkušenega tima. Predlagane raziskave imajo številne tehnološke "spinoffe". Prvi prihaja iz podporne znanosti o materialih, ki vodi do nove funkcionalnosti nanomaterialov, kar je bilo že dokazano v preteklosti (npr. MoSI v baterijah, katalizi, substratih za prepoznavne senzorje in dodatkih lubrikantov). Razumevanje relaksacije energij fotovzbujenih elektronov je neposredno relevantno za razumevanje prenosa naboja in učinkovitosti solarnih celic ter drugih funkcionalnosti. Dosegli smo tudi do 60% izboljšanja izkoristka, kar je izjemen dosežek, saj je bil napredek tipično počasen, s tipičnimi izboljšanji manjšimi od 10%. Naslednja kategorija “spinoffov” je še bolj razburljiva in prihaja od fotoinduciranih prehodov samih. Kontrola prehodov z zlomom simetrije v času je pomembna v elektroniki, še posebej pomnilnikih. Potencialno revolucionarni razvoj je uporaba fotoinduciranega ali tokovno injeciranih prehodov v skrita stanja (Stojchevska et al., Science, 2014) za trajne pomnilne elemente, ki bi lahko premostili špranjo v hitrosti med hitrim dinamičnim in statičnim masivnim pomnilnikom, ki omejuje razvoj računalnikov že od leta 1980 (IBM report, G.W. Burr, 2013). Naš pristop je potencialno konkurenčen memristorju (HP), spinskonavornemu spominu (STM) in spominu na spremembo faze (PCM), ponujajoč prednosti v povezavi s hitrostjo in kompatibilnostjo s silicijevo tehnologijo. V okviru CO Nanocentra je programski skupini dostopna vrhunska oprema, kot npr. instrument s fokusiranim ionskim snopom (FIB), epitaksija z molekularnim žarkom (MBE) in atomska enoslojna depozicija (ALD), 4sondni nizkotemperaturni instrument STM/AFM, LDI laser. Člani programske skupine so v veliki meri odgovorni za vzpostavitev nove tehnologije, ki jo ta oprema omogoča.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskovalni program uvaja številne nove interdisciplinarne tehnologije ter nova in originalna raziskovalna področja v Sloveniji, še posebej časovno ločljivo spektroskopijo, nanoelektroniko in nanolitografijo (z elektronskim žarkom in uporabo običajnih laserjev). Izdelava FET nanonaprav, atomska enoslojna depozicija (ALD) ter MBE, so popolnoma nove tehnike v Sloveniji. V zadnjih desetih letih so člani raziskovalnega programa odprli dve spinoff podjetji (Mo6 in NANOTUL). Področje prehodnih kovin, skupaj z njihovimi oksidi, karbidi, sulfidi in nitridi, predstavlja zelo zanimivo področje med kemijskimi in fizikalnimi znanostmi ter tehnologijo. Veliko teh spojin je tehnološko pomembnih na različnih področjih uporabe od elektronike, za trdna maziva, nanokompozite in materiale za shranjevanje in pretvorbo energije. Naslednje načrtovano odcepljeno podjetje bo razvijalo komercialno zelo zanimivi večkanalni detektor za femtosekundno spektroskopijo. Prototip je v fazi testiranja. Člani raziskovalnega programa so vodili nabavo in vzdrževanje številne raziskovalne opreme: FIB, ALD, MBE, AFM Raman, 4sondni STM/AFM/SEM v okviru Centra odličnosti za nanoznanosti in nanotehnologije Nanocentra. Oprema, ki je bila nabavljena s sredstvi pridobljenimi v okviru evropskih skladov za prestrukturiranje, je namenjena za uporabo v akademskih krogih in pri industrijskih partnerjih. Študentje, ki so se usposabljali v okviru programske skupine, so kot vrhunsko usposobljeni raziskovalci našli zaposlitev v slovenski industriji, zlasti v podjetjih z visoko dodano vrednostjo (npr. LPKF, Helios, BSH Bosh und Siemens Hausgeräte, Xpand, Litostroj Power, Elaphe, IOS, Količevo karton) ali v tujini (npr. IEE Luxemburg, Ilmenau University, Nemčija, German Research School for Simulation Science, University of Antwerpen, Belgija). Močno sodelovanje poteka predvsem z LPKF mednarodnim, srednje velikim visokotehnološkim podjetjem, s katerim razvijamo lasersko litografijo nove generacije. Novi anorganski nanomateriali so v nenehnem razvoju za uporabo v kompozitih in premazih (Helios, Cinkarna Celje). V bionanosenzorjih (Kolektor/Nanotesla institut), pri elektrodah za baterije, primeseh v sončnih celicah in v elektroniki pričakujemo komercialno uporabne rezultate. Pri tem ločimo med novimi uporabami materialov, ki so jih odkrili drugi v svetu in tistimi, ki smo jih odkrili sami. Slednji so kot dosežki veliko bolj zanimivi, do njihove uporabnost oz. komercializacije pa je navadno daljša pot. Dejavnosti industrije, kjer je možno sodelovanje z našo raziskovalno skupino, so zelo raznolika, od avtomobilske industrije, tiska, gospodinjskih aparatov, zdravil, laserjev itd.. Dosedanje sodelovanje raziskovalne skupine zajema podjetja iz različnih slovenskih regij (Idrija, Celje, Naklo, Domžale, Ljubljana), ki s svojimi izdelki nastopajo tudi na mednarodnih trgih. Raziskovalna skupina ima eno od vodilnih svetovnih vlog na svojem raziskovalnem področju in sodeluje s skupinami iz vodilnih univerz in inštitutov. Podeljena nagrada vodji programske skupine ERC Advanced grant v letu 2013 priča o kakovosti skupine in njen pomen za promocijo Slovenije kot znanstveno in tehnološko napredne države. Programska skupina trenutno sodeluje v številnih projektih EU: ERC Advanced Grant, Marie Curie ITN, HINT EU projekt 7OP, več COST projektih in bilateralnih projektih. Raziskovalna skupina ima preko projektov CO Nanocentra dostop do preko 100 slovenskih in mednarodnih projektov, ki se navezujejo na opremo. Še posebej pomembne so sinergije, ki so se v okviru teh projektov razvile s partnerskimi institucijami, kot npr. TASC & Elettra Laboratories, Italija; Joanneum in Univerza v Gradcu , Avstrija; Univerza Oxfordu, Velika Britanija; Univerza Stanford , ZDA; Inštitutom za tehnologije in ETH, Švica; Nacionalni laboratorji Brookhaven, ZDA; Univerza v Konstanz, Nemčija; Univerza Orsay, Francija, ki vpenjajo delovanje raziskovalne skupine v širši mednarodni prostor.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
