Badania

Domieszkowanie in situ oraz modyfikacja powierzchniowa materiałów węglowych, ze szczególnym uwzględnieniem warstw nanodiamentowych.

Motywacją do podjęcia tej tematyki badawczej była potrzeba opracowania hybrydowych sensorów zanieczyszczeń organicznych oraz markerów biologicznych i chorobowych. Sensory takie powinny być odporne nie tylko na czynniki technoklimatyczne, lecz również na toksyczne i korozyjne środowisko. Zapotrzebowanie na tego rodzaju sensory i jak się później okazało również na elektrody do utleniania (rozkładu) zanieczyszczeń organicznych w ciekach wynika z potrzeb ekologicznych.

Materiałem odpornym na wpływu środowiskowe jest niewątpliwie odmiana alotropowa węgla - diament. Z konstrukcji sensora hybrydowego wyniknęły dalsze wymagania na ten materiał:

  • możliwości technologiczne wytwarzania warstw polikrystalicznego diamentu o rozmiarach krystalitów mikro-, nano- i subnanometrycznych,

  • obniżenie rezystywności warstw polikrystaliczego dielektrycznego diamentu do poziomu płóprzewodnikowego,

  • uzyskanie procesów technologicznych o szybkości zarodkowania i wzrostu polikrystalicznego diamentu właściwych do praktycznych zastosowań,

  • wytwarzanie warstw w możliwej niskiej temperaturze, tak aby nie uszkodzić podłóż.

Warstwy z polikrystalicznego diamentu są znane już od jakiegoś czasu co wcale nie oznacza, że proces wytwarzania jest dostatecznie wyjaśniony, a jakość warstw sterowana i ustabilizowana. Jako podstawową technologię syntezy warstw diamentowych wybrałem MW PACVD (ang. MicroWave Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition). Procesy MW PA CVD są złożone a ich parametry nie są niezależne. Trzeba tu podkreślić, że synteza diamentu cienko warstwowego w odróżnieniu od znanej od kilku dziesięciu lat syntezy proszków diamentowych metodą HP HT (ang. High Pressure High Temperature) przebiega poza obszarem równowagowym dla diamentu. Dlatego procesy MW PA CVD powinny być tak opracowane, aby mimo złożoności parametrów technologicznych uzyskać właściwą wydajność oraz czystość warstw diamentowych, określanych ilością zanieczyszczeń innymi fazami węglowymi (grafit sp2, węgiel amorficzny sp).

Podstawą projektowania technologii była przeprowadzona przeze mnie analiza plazmowego procesu syntezy warstw diamentowych, uzupełniona pomiarami optoelektronicznymi wyładowania próżniowego w komorze próżniowej. Dla podniesienia efektywności syntezy warstw diamentowych opracowałem metodę wymuszonego zarodkowania za pomocą techniki ultradźwiękowej w dyspersji nanodiamentowej. Jest to oryginalny proces działający efektywnie, który zgłosiłem do opatentowania.

Ze względu na wysoką gęstość siatki krystalicznej w diamencie nie jest możliwe domieszkowanie przez dyfuzję. Do obniżenia rezystywności warstw diamentowych zastosowałem oryginalny proces domieszkowania borem polikrystalicznych warstw diamentowych in situ to jest podczas ich wzrostu. Syntetyzowane przeze mnie warstwy czystego diamentu polikrystalicznego mają rezystywność prawie doskonałego izolatora, tj. rzędu (1016 Ohm cm), natomiast warstwy domieszkowanie borem in situ umożliwia uzyskanie rezystywności na poziomie (10-20 mOhm cm).

Opracowane metody syntezy nanostruktur diamentowych wykorzystuję do budowy nano-urządzeń tzw. elektrochemicznych sensorów molekularnych - zbudowanych z domieszkowanego, półprzewodnikowego diamentu cienkowarstwowego lub z kilkuwarstwowego grafenu, na którym deponowana jest cienka warstwa diamentowa. Uzyskane wyniki prac pozwalają opracowywać struktury sensoryczne o czułości 1 ppb, co niewątpliwie jest dużym osiągnięciem w skali międzynarodowej, gdyż wykrywanie śladowych substancji w różnych środowiskach staje się bardzo ważnym problemem. Realizacja badań to zastosowania w Polsce i zagranicą. Dziedzinami, w których znajdą zastosowania planowane badania:

• ochrona środowiska (monitoring niebezpiecznych związków),

• medyczne techniki pomiarowe (zatrucia: toksyny, metale ciężkie; wirusy),

• analityka chemiczna (badania układów biologicznych i organicznych).