Instytut Fizyki Molekularnej Polskiej Akademii Nauk



Cele badawcze

Ogólnym celem realizowanych prac jest wytworzenie i określenie właściwości nowych ferroików, multiferroików oraz poznanie mechanizmów transportu ładunku w przewodnikach szybkich jonów i polimerach.

W rodzinie ferroików w tym M-heksaferrytów Sr(Ba)Fe₁₂O₁₉ oraz multiferroików BiFeO₃, celem szczegółowym jest synteza (za pomocą metody hydrotermalnej lub mechanosyntezy), a następnie określenie wpływu domieszek jonów Nd³⁺, Al³⁺, Sc³⁺ oraz morfologii na ich właściwości magnetoelektryczne i oddziaływania z polami elektromagnetycznymi. Prowadzone są również badania mające na celu poznanie uporządkowań magnetycznych w zbiorach nanocząsteczek np. magnetytu Fe₃O₄ w otoczce krzemionkowej oraz pomiary właściwości elektrycznych domieszkowanych układów z rodziny LiMn₂O₄.

W grupie przewodników szybkich jonów celem jest poznanie mechanizmów przewodnictwa elektrycznego, przemian strukturalnych oraz właściwości ferroelektrycznych związków organicznych, takich jak np. nowe ferroelektryki [C(NH₂)₃]₄X₂SO₄ (X=Cl, Br), kryształy [C(NH₂)₃]₄Cl₂SO₄ i (NH₄)₄H₂(SeO₄)₂. Podobne badania wykonywane są także dla związków o hiperpolaryzowalnych kationach organicznych jak np. wodorosiarczan disobutylo-amoniowy [(CH₃)₂CHCH₂]NHSO₄.

Profil badawczy

Badanie własności elektrycznych i magnetycznych materiałów oraz nanomateriałów ferroicznych, M-heksaferrytów, multiferroików, ferroelektryków oraz przewodników jonowych i superprotonowych metodami wysokoczęstościowej dielektrometrii oraz magnetometrii (magnetometr z wibrującą próbką VSM, podatnościomierz AC), charakteryzowanie: morfologii, składu i struktury tych materiałów za pomocą mikroskopii elektronowej (SEM, TEM, SAED, EDS), dyfrakcji rentgenowskiej, oraz wytwarzanie materiałów i nanomateriałów metodą mechanosyntezy i mikrofalowo aktywowanej syntezy hydrotermalnej.

Rys. 2-5. Różne formy nano- i mikrokryształów żelazianu bizmutu BiFeO₃ (synteza dr K. Chybczyńska).

Programy badawcze

• Projekt NCN (Miniatura 1) - Wpływ mikro- i nanostruktury na własności dielektryczne i magnetyczne kompozytów celuloza - spinel kobaltowy (2017-2018), kierownik - dr hab. E. Markiewicz
• Projekt 02.03.02-22-0006/15 - Opracowanie kompozytowego materiału ekranującego pole elektromagnetyczne w wysokich i niskich częstotliwościach -beneficjent: ADR Technology Stanisław Wosiński, kierownik ze strony wykonawcy – dr hab. B. Andrzejewski, prof. IFM PAN
• Projekt NCN (Sonata 8) - Uniwersalne cechy przewodnictwa elektrycznego przewodników protonowych (2015-2018), kierownik - dr inż. P. Ławniczak
• Projekt MNiSW - Jedno i wielofazowe ferroiki i multiferroiki (2010-2014), kierownicy - prof. B. Hilczer, dr hab. M. Połomska, prof. IFM PAN
• Projekt SIMUFER COST Action - Single- and multiphase ferroics and multiferroics with restricted geometries (2010-2014), kierownik - MC Substitute Member: dr hab. M. Połomska, prof. IFM PAN
• Projekt MNiSW - Wpływ ciśnienia na nieliniowy charakter przewodnictwa protonowego - eksperyment i modelowanie (2010-2014), kierownik - dr hab. M. Zdanowska-Frączek, prof. IFM PAN
• Projekt MNiSW - Otrzymywanie i własności nanocząstek wybranych materiałów funkcjonalnych (2011-2013), kierownik - dr hab. B. Andrzejewski, prof. IFM PAN
• Projekt promotorski MNiSW - Przewodnictwo elektryczne i struktura nowych krystalicznych elektrolitów stałych z molekułami benzimidazolu (2010-2011), kierownik - prof. Cz. Pawlaczyk (doktorant - mgr inż. P. Ławniczak)
• Projekt MNiSW - Dynamika molekularna elektroaktywnych polimerów uwięzionych w nanoporach, (2008-2011), kierownik - prof. B. Hilczer
• Projekt MNiSW - Nowe elektrolity stałe z molekułami heterocyklicznymi (2007-2010), kierownik - prof. Cz. Pawlaczyk
• Projekt MNiSW - (ELENA COST Action) - Electroceramics from nanopowders produced by innovative methods (2006-2009), kierownik - MC Member: prof. B. Hilczer
• Projekt MNiSW - (POL-POSTDOC) - Otrzymywanie nanostruktur ferroelektrycznych (2005-2009), kierownik - dr I. Szafraniak, opiekun naukowy - prof. B. Hilczer

Osiągnięcia naukowe

• Potwierdzenie własności ferroelektrycznych w grupie tlenków BaTiO₃ oraz (Ba,Sr)MnO₃ uzyskanych poprzez tradycyjne spiekanie [R. Bujakiewicz-Korońska et al. J. Eur. Ceram. Soc. 37, 1477, (2017)].
• Wykazanie, iż struktura szczawianu 1H-pirazolu składa się z dwuwymiarowych warstw zbudowanych z jednowymiarowych łańcuchów zawierających kwasy pirazoliowe i szczawianowe połączone wiązaniami N-H∙∙∙O i O-H∙∙∙O. Teoretyczne wyjaśnienie mechanizmów transportu elektrycznego oraz wyznaczenie ścieżek przewodnictwa. [M. Widelicka et al. Phys. Chem. Chem Phys. 19, 25653, (2017)]
• Synteza nanokompozytów SrFe₁₂O₁₉-CoFe₂O₄ i potwierdzenie oddziaływania sprężynkowego (sping exchange) pomiędzy fazą magnetycznie miękką heksaferrytu SrFe₁₂O₁₉ i fazą magnetycznie twardą spinela CoFe₂O₄. [A. Hilczer et al. Mater. Sci. Eng., B, 207, 47, (2016)]
• Wyjaśnienie mechanizmów relakasacji dielektrycznej oraz przewodnictwa elektrycznego w multiferroiku BiFeO₃ otrzymanym metodą hydrotermalną wspomagana mikrofalowo [K. Chybczyńska et al. J. Alloys Compd. 671, 493 (2016)].
• Wykazanie, iż we własnościach magnetycznych wodorowanego antracytu dominuje magnetyzm Pauliego związany z elektronami przewodnictwa. Paramagnetyzm typu Curie pochodzi natomiast od elektronów zlokalizowanych na ziarnach antracytu. [K. Tadyszak et al. Carbon 94, 53, (2015)].
• Wyjaśnienie mechanizmu przewodnictwa elektrycznego ceramik (1-x)Ba_0.95Pb_0.05TiO_3+xCo₂O₃, które w wysokich temperaturach zdominowane jest przez migrację tlenu pomiędzy wakansami powstającymi wskutek podstawienia jonów Co³⁺. Dla tych materiałów potwierdzono również istnienie słabego sprzężenia elektromagnetycznego [R. Bujakiewicz-Korońska et al. Ceram. Int. 41, 3983, (2015)].
• Opracowanie metody mikrofalowo aktywowanej syntezy hydrotermalnej pozwalającej otrzymywać nano- i mikrokryształy ferroików (magnetytu Fe₃O₄, hematytu Fe₂O₃ M-heksaferrytów Sr(Ba)Fe₁₂O₁₉) oraz multiferroików (BiFeO₃) o dokładnie kontrolowanej stechiometrii i morfologii (płatki, sześciany, sfery, nanokwiaty itd.) [K. Chybczyńska et al., J. Mater. Sci. 49, 2596 (2014)]
• Identyfikacja źródła pochodzenia fazy nieuporządkowanej w krystalicznych układach protonowo przewodzących otrzymanych na bazie organicznych kwasów dwukarboksylowych oraz molekuł heterocyklicznych. Potwierdzenie, że rzeczywistym źródłem fazy nieuporządkowanej są granice ziaren, a molekuły heterocykliczne w silnie zdefektowanej sieci krystalicznej wykazują znacznie większą lokalną dynamikę molekularną niż w uporządkowanych obszarach wewnątrz ziarnowych [K. Pogorzelec-Glaser et al., CrystEngComm 15, 1950 (2013)]
• Wyznaczenie uporządkowania i dynamiki molekularnej ferroelektrycznych polimerów PVDF oraz P(VDF/TrFE)(50/50) w nanokanałach porowatej matrycy trójtlenku glinu [B. Hilczer et al., App. Phys. Lett. 100, 052904 (2012)]
• Zgłoszenia patentowe P.407222 Sposób wytwarzania kompozytów multi-włóknistych oraz P.407227 Sposób wytwarzania drutów ze splotów kompozytowych dokonane wspólnie z Instytutem Metali Nieżelaznych w Gliwicach.