Kierownik Zakładu

Obecny skład Zakładu

Doktoranci

Zasłużeni byli pracownicy

  • dr Bogdan Szymański

Badania

Obszar badawczy

Funkcjonalne układy warstwowe i nanostruktury.

Cele badawcze

Niezależnie od badań podstawowych, których celem jest wyjaśnienie obserwowanych w układach cienkowarstwowych zjawisk fizycznych, podejmowane są również zadania dotyczące opracowywania technologii wytwarzania i określenia właściwości magnetycznych warstw charakteryzujących się parametrami atrakcyjnymi dla zastosowań. W tym zakresie główne cele naszych badań prowadzonych w ostatnich latach i obecnie koncentrują się na optymalizacji magnetycznych układów warstwowych stosowanych w strukturach magnonicznych, sensorach bazujących na efektach magnetorezystancyjnych lub układach wykorzystujących magnetoforezę w urządzeniach typu „lab-on-a-chip”. Aby osiągnąć te cele, podążaliśmy dwiema różnymi drogami. Pierwsza z nich była związana z rozwojem nowych układów magnetycznych, np. warstw wielokrotnych charakteryzujących się  w kolejnych warstwach ferromagnetycznych naprzemiennie anizotropią prostopadłą i zorientowaną w płaszczyźnie warstwy, struktur składających się z ferromagnetyków 3D, ferrimagnetycznych stopów RE-TM (RE- metal ziemi rzadkiej, TM-metal przejściowy), stopów Heuslera, pół-Heuslera, warstw YIG lub amorficznych FINEMET połączonych z metalami szlachetnymi, metalicznych lub tlenkowych warstw antyferromagnetycznych. Druga część naszych działań koncentrowała się na modyfikacji właściwości układów warstwowych po procesie osadzania. W szczególności badaliśmy wpływ bombardowania jonowego i strukturyzacji w skali nano na właściwości fizyczne (głównie magnetyczne) struktur cienkowarstwowych.

Profil badawczy

Zespół Cienkich Warstw i Nanostruktur realizuje prace badawcze z wykorzystaniem technologii wytwarzania układów warstwowych metodami rozpylania jonowego i ablacji laserowej w warunkach ultrawysokiej próżni oraz ich strukturyzacji metodą litografii elektronowej. Tak wytworzone układy warstwowe często są poddawane modyfikacji właściwości poprzez bombardowanie jonowe, utlenianie, wodorowanie. Proces modyfikacji może być prowadzony lokalnie, co realizowane jest z wykorzystaniem masek wykonanych z fotorezystu, a w przypadku bombardowania jonami Ga+ również z wykorzystaniem zogniskowanej wiązki jonowej (FIB). Właściwości strukturalne określane są na podstawie pomiarów dyfrakcyjnych oraz skaningowej mikroskopii elektronowej. Skład chemiczny wytwarzanych warstw kontrolowany jest in-stu z wykorzystaniem spektroskopii elektronów Augera (AES) oraz fotelektronów emitowanych pod wpływem promieniowania X (XPS), natomiast grubość warstw monitorowana jest na podstawie wskazań wagi kwarcowej. Aparatury do osadzania warstw zapewniają możliwość wytworzenia warstw w kształcie klina (z gradientem grubości) oraz warstw stopowych z gradientem składu.

Charakterystyka właściwości magnetycznych układów warstwowych prowadzona jest z wykorzystaniem metod opisanych w zakładce „Wyposażenie”. Interpretacja wyników badań eksperymentalnych jest często wspomagana symulacjami mikromagnetycznymi (OOMMF, MUMAX) i atomistycznymi (Vampire).

 Czytaj więcej o najważniejszych osiągnięciach Zakładu.

Wyposażenie

Wyposażenie

  • Sample preparation
    • Magnetron sputtering
    • Ion-beam sputtering
    • Pulsed laser deposition
    • Electron-beam lithography
  • Structural and chemical characterization
    • SEM – Scanning Electron Microscopy
    • XRR – X-ray Reflectometry
    • XRD – X-ray Diffraction
    • LEED, RHED (Low Energy Electron Diffraction, High Energy Electron Diffraction)
    • XRF – X-ray Fluorescence
    • XPS and AES spectroscopy
    • Profilometer (measurements of thin films thickness)
  • Static magnetic measurements
    • VSM – Vibrating Sample Magnetometer
    • GMR – Giant Magneto Resistance
    • P-MOKE Magnetometer
    • P-MOKE Microscopy
  • Dynamic magnetic measurements
    • VNA-FMR – Vector Network Analyzer – Ferromagnetic Resonance
    • FMR – Ferromagnetic Resonance
    • PIMM – Pulsed Inductive Microwave Magnetometer
  • High vacuum and electrochemical equipment for hydrogen absorption/desorption with optical or electrical monitoring

  Prezentacja wyposażenia

AparaturaAparatura

Laboratorium UHV wyposażone w zespół komór o średnim ciśnieniu bazowym 5x10-9 mbar (PREVAC), pozwalających na preparatykę ultracienkich warstw i nanostruktur metodami PVD (naparowania EBV oraz termiczne), a także ich późniejszą kompleksową analizę powierzchniową (struktury krystalograficznej –LEED, RHEED; i elektronowej) z wykorzystaniem mikroskopii i spektroskopii skaningowej (home-made SPM) oraz rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS- VG Scienta).

Laboratorium UHV

Projekty

Projekty naukowe

  • NCN, OPUS 20, 2020/39/B/ST5/01915 (realizowany od 2021 r.)
    Sztuczne domeny magnetyczne bez ścian domenowych w strukturyzowanych magnetycznie ferrimagnetycznych warstwach ziemia rzadka-metal przejściowy (TWIST), Kierownik: dr hab. inż. Piotr Kuświk, prof. IFM PAN
  • NCN, OPUS 17, 2019/33/B/ST5/02013 (realizowany od 2020 r.)
    Ferromagnetyczne warstwy z lateralną modyfikacją oddziaływania Dzyaloshinskii-Moriya dla zastosowań w urządzeniach spintronicznych i magnonicznych, Kierownik: dr hab. inż. Piotr Kuświk, prof. IFM PAN
  • NAWA, PPN/BDE/2019/1/00014/U/00001 (2020-2021)
    Wykorzystanie domen typu skyrmion do sterowania ruchem superparamagnetycznych cząstek tworzących wodną zawiesinę, Kierownik: dr hab. inż. Piotr Kuświk
  • NCN, PRELUDIUM 16, 2018/31/N/ST5/01810 (2019-2022)
    Sztuczne i stopowe warstwy ferrimagnetyczne do zastosowań spintronicznych, Kierownik: mgr inż. Łukasz Frąckowiak
  • NCN, PRELUDIUM 16, 2018/31/N/ST5/03433 (2019-2022)
    Wytwarzanie i charakteryzacja cienkich warstw granatu itrowo-żelazowego na elektrodach przewodzących, Kierownik: mgr Adam Krysztofik
  • NCN, SONATINA 2, 2018/28/C/ST3/00052 (2018-2021)
    Tłumienie i wzmacnianie fal spinowych poprzez prąd spolaryzowany spinowo w strukturach magnetoelektrycznych, Kierownik: dr Piotr Graczyk
  • MNiSW, DIAMENTOWY GRANT, DI2016 011946 (2017-2021)
    Wpływ efektu sąsiedztwa i absorpcji wodoru na międzywarstwowe sprzężenie wymienne w strukturach warstwowych V/Fe i Nb/Fe, Kierownik: mgr inż. Mateusz Wachowiak
  • MNiSW, Premia na Horyzoncie, 357488/PnH/2017 (2017-2019)
    Magnoniki, Oddziaływania i Złożoność: multifunkcjonalne aspekty dynamiki fal spinowych – MagIC-H2020-MSCA-RISE-2014, Kierownik: prof. dr hab. Janusz Dubowik
  • NCN, SONATA BIS 5, 2015/18/E/ST3/00557 (2016-2020)
    Wpływ oddziaływania typu „Exchange bias” na anizotropię prostopadłą warstwy ferromagnetyka w układach ferromagnetyk/antyferromagnetyk (ferrimagnetyk), Kierownik: dr inż. Piotr Kuświk
  • MNiSW, DIAMENTOWY GRANT, DI2014 010344 (2015-2019)
    Badania segregacji powierzchniowej i pasma walencyjnego XPS cienkowarstwowych stopów nanokrystalicznych odwracalnie absorbujących wodór, Kierownik: mgr inż. Sebastian Pacanowski
  • NCN, HARMONIA 4, 2013/08/M/ST3/00960 (2013-2016)
    Ferromagnetyczne materiały dla kontrolowanego pozycjonowania ścian domenowych, Kierownik: dr hab. Maciej Urbaniak
  • HORYZONT 2020, MSCA-RISE-2014: Marie Skłodowska-Curie Research and Innovation Staff Exchange (RISE), GA ID: 644348 (2015-2019)
    MagIC - Magnonics, Interactions and Complexity: a multifunctional aspects of spin wave dynamics, Lider: Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Koordynator w IFM PAN: prof. dr hab. Janusz Dubowik

Historia

Historia Zespołu

Zakład Cienkich Warstw (obecnie – Zakład Cienkich Warstw i Nanostruktur) istnieje od czasu utworzenia Instytutu Fizyki Molekularnej PAN, tj. od 1975 roku. W tej grupie badawczej, od początku jej istnienia, rozwijane były metody wytwarzania cienkich warstw. Głównym przedmiotem badań były i są nadal cienkie warstwy magnetyczne. Początkowo wytwarzane były one tylko metodą odparowania próżniowego w warunkach wysokiej próżni (HV – High Vacuum), a później również metodą rozpylania jonowego. Pierwsze stanowiska technologiczne były konstrukcjami własnymi. Pod koniec lat sześćdziesiątych minionego wieku zakupiona została pierwsza naparowywarka. Kilka lat później kupiono pierwsze stanowisko do osadzania warstw w warunkach ultrawysokiej próżni (UHV – ultra high vacuum), w którym zainstalowano własnej konstrukcji wyposażenie do „błyskawicznego odparowania” (ang. flash evaporation). Na początku lat osiemdziesiątych Zespół wzbogacił się o Polskie stanowisko UHV do osadzania warstw z wykorzystaniem działa elektronowego. W tym samym okresie powstały dwa, własnej konstrukcji, układy do osadzania warstw metoda rozpylania jonowego (ang. sputtering) pracujące w konfiguracji „face-to-face”. Od tego czasu metoda rozpylania jonowego stała się podstawową technologią wytwarzania warstw w Zespole Cienkich Warstw. W latach 1994 i 2010 zakupiono dwa nowe stanowiska UHV przystosowane do osadzania warstw metodą rozpylania jonowego i PLD. Stanowiska te stanowią aktualnie podstawowe wyposażenie technologiczne oraz zapewniają możliwość analizy powierzchniowej składu chemicznego z wykorzystaniem takich metod jak AES, XPS, UPS. W następnych latach wyposażenie technologiczno-badawcze wzbogacone zostało o stworzenie laboratorium mikroskopii i litografii elektronowej.

Ważnym czynnikiem, który przyczynił się do tak kompleksowego wyposażenia technologicznego i pomiarowego Zespołu, poza finansowaniem z projektów badawczych, było finansowanie w ramach projektu POIG „Krajowe Centrum Nanostruktur Magnetycznych do Zastosowań w Elektronice Spinowej – SPINLAB” (2009 – 2012), którego Koordynatorem był IFM PAN.

W pierwszych latach działalności Zespołu Cienkich Warstw wiele uwagi poświęcono badaniom efektów galwanomagnetycznych (magnetooporowych) w cienkich warstwach stopów Ni-Fe-Co. Ważnym efektem tych prac było wdrożenie (w zakładach LUMEL) technologii wytwarzania magnetooporowych układów warstwowych stosowanych jako mnożniki sygnałów elektrycznych oraz układy oddzielania galwanicznego. Osiągnięcie to zostało wyróżnione przyznaniem nagrody „Mistrz Techniki 1976” oraz Nagrody Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego (1976).

Archiwum aktualności