Opracowanie metodologii badań FTIR oraz termograwimetrycznych Sprawozdanie z tematu statutowego. Tytuł / Wykonawcy Opracowanie metodologii badań FTIR oraz termograwimetrycznych Kierownik tematu: E. Czerwosz Zespół wykonawców: E.Czerwosz, R.Diduszko, I.Iwanejko, A.Kamińska, E.Kowalska, K. Molenda, J.Radomska, J.Rymarczyk, H.Wronka, S.Waszuk Warszawa, 18.01.2011

Cel główny: Sprawozdanie z tematu statutowego. Cele pracy opracowanie w P4 nowych metod charakteryzacji warstw palladowo-węglowych (Pd-C), pozwalających na określenie zmian strukturalnych tych warstw pod wpływem zmiennych warunków otoczenia gazowego (np. różne stężenia związków zawierających wodór) i temperatury Cel naukowy: Określenie rodzaju podłoża warstw Pd-C odpowiedniego dla danej metody charakteryzacji (FTIR, SDT) Określenie objętościowej ilości warstwy Pd-C w stosunku do podłoża w celu uzyskania optymalnych wyników pomiarowych Konstrukcja i budowa specjalnej dla pomiarów gazowych FTIR komórki pomiarowej Określenie zmian fizyko-chemicznych zachodzących w warstwach Pd-C pod wpływem wzrostu temperatury

Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadania szczegółowe Lp Zadania I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 1. Opracowanie szczegółowego harmonogramu prac 2. Charakteryzacja pod względem struktury molekularnej metodą FTIR nanostrukturalnych warstw Pd-C 3. Zaprojektowanie i budowa specjalnej komórki pomiarowej dla FTIR 4. Charakteryzacja pod względem struktury molekularnej metodą FTIR nanostrukturalnych warstw Pd-C znajdujących się w środowisku gazu zawierającego związki wodoru 5. Charakteryzacja nanostrukturalnych warstw Pd- C pod względem ich stabilności termicznej metodą termograwimetryczną 6. Opracowanie sprawozdania Koszty Suma PLN Nakłady w tym: 234000 materiały 6000 kooper. wew.

Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadanie 1. Szczegółowy harmonogram Zad. 2. Charakteryzacja pod względem struktury molekularnej metodą FTIR nanostrukturalnych (rozp. 01.04.2010 – zakończ. 15.12.2010) 2.1 Opracowanie wstępnych procedur pomiarowych FTIR dla roztworów i ciał stałych 2.2 Badania warstw C60, Pd-C oraz nanokompozytowych metodą FTIR Zad. 3. Zaprojektowanie i budowa specjalnej komórki pomiarowej dla FTIR (rozp. 01.04.2010 – zakończ. 15.09.2010) 3.1 opracowanie założeń dla konstrukcji komórki pomiarowej 3.2 wykonanie projektu komórki pomiarowej 3.3 wykonanie komórki pomiarowej Zad.4. Charakteryzacja pod względem struktury molekularnej metodą FTIR nanostrukturalnych warstw Pd-C znajdujących się w środowisku gazu zawierającego związki wodoru (rozp. 01.07.2010 – zakończ. 15.12.2010) Zad.5 Charakteryzacja nanostrukturalnych warstw Pd-C pod względem ich stabilności termicznej metodą termograwimetryczną (rozp. 01.04.2010 – zakończ. 15.12.2010) 5.1 badania SDT prekursorów warstw Pd-C (octan Pd i fulleren C60) w gazie obojętnym i w powietrzu 5.2 badania SDT warstw Pd-C po procesie PVD w gazie obojętnym i w powietrzu Zad. 6. Opracowanie sprawozdania

C60 pentagon asymmetric deformation Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadanie 2 FTIR – ogólne wiadomości nt. metody Widmo FTIR fullerenu C60 C60 cage deformation Prawo Lamberta-Beera I = I0 exp(−ε c l) C60 pentagon asymmetric deformation C60 symmetric breathing T C60 pentagon pinch I0 I e, c

Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadanie 2 Badania FTIR warstw C-Pd metodą transmisyjną Parametry procesu PVD IC60 [A] IPd [A] t [min] d [mm] 2,1 1,2 10 60 PdAc2 PdAc2 C60 C60 C=O symmetric stretching C=O asymmetric stretching CH3 bending C60 pentagon asymmetric deformation C60 pentagon pinch

Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadanie 2 Badania FTIR warstw C-Pd techniką ATR Parametry procesu PVD IC60 [A] IPd [A] t [min] d [mm] 2,1 1,2 10 60 PdAc2 C60

Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadanie 2 Badania wpływu warunków technologicznych procesu na strukturę molekularną warstw C-Pd PdAc2 PdAc2 PdAc2 PdAc2 PdAc2 C60 PdAc2 C60 Nr próbki Parametry procesu PVD IC60 [A] IPd [A] t [min] d [mm] 148PdF-PVD-kwarc 2,1 1,2 10 54 237PdF-PVD-kwarc 65 222PdF-PVD-kwarc 69

Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadanie 3 Zaprojektowanie i budowa specjalnej komórki pomiarowej FTIR okienko z GaAs z warstwą Pd-C korpus uszczelka dociskacz okienka okienko z GaAs bez warstwy Pd-C rurka odpływowa gazu rurka dopływowa gazu

Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadanie 4 Charakteryzacja pod względem struktury molekularnej metodą FTIR nanostrukturalnych warstw Pd-C znajdujących się w środowisku gazów zawierających związki wodoru 1. Testowanie komórki GaAs 292PdC/GaAs a) Komórka z mieszaniną węglowodorów a) Komórka z warstwą Pd-C GaAs Parametry procesu PVD IC60 [A] IPd [A] t [min] d [mm] 2,1 1,2 10 54 Skład mieszaniny gazów: 5% metan, 5% etan, 5% etylen, 5% acetylen, 5% propan, 5% n-butan, 70% azot 2. Badanie oddziaływania wodoru z warstwą C-Pd Stosowany gaz: 1%H2 w N2 GaAs 292PdC/GaAs Pd-H1 [1] I. Ratajczykowa, Surf. Sci. 48, 549-560 (1975)

Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadanie 5 Charakteryzacja nanostrukturalnych warstw Pd-C pod względem ich stabilności termicznej metodą termograwimetryczną Celem zadania określenie zmian fizyko-chemicznych, zachodzących w warstwach Pd-C pod wpływem wzrostu temperatury Symultaniczny Analizator Termiczny SDT SDT = TG + DSC/DTA egzo endo DSC – technika, która mierzy różnicę strumienia cieplnego do próbki i do wzorca pod wpływem zmian T TG – technika, która mierzy zmianę masy pod wpływem zmian T Rezultat: Jednoczesny pomiar efektu cieplnego jaki towarzyszy ubytkowi masy 11

Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadanie 5 Parametry techniczne: zakres temperaturowy: 50-1500°C zakres programowalnej zmian temp.: 0,01-100C/min pomiar masy z czułością do 0,1g zakres pomiarowy: 200 mg wysoka odporność termiczna i chemiczna pieca, co umożliwia badania w atmosferach agresywnych waga podwójna w układzie poziomym precyzja wyznaczania temperatury 0,5C precyzja kalorymetryczna  2% czułość kalorymetryczna DSC < 4W SDT (Q600) TA Instruments

Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadanie 5 Warstwa Proces PVD Ubytek masy Zawartość Pd IC60; A IPd; A t; min d; mm Argon % Pow. SDT ASA 274PdF10 2,1 1,2 10 54 57 88 12 17 275PdF10 60 35 96 4 276PdF10 69 42 91 9 277PdF10 8 40 71 29 20 279PdF10 70 94 6 Fulleren Octan Pd Warunki pomiaru dla warstw PVD naczynka ceramiczne gaz – argon, powietrze szybkość przepływu argonu/powietrze 100ml/min szybkość wzrostu temp. 10°C/min zakres pomiaru 50-1000°C Każda analiza wymaga przeprowadzenia kalibracji urządzenia w warunkach, w których będzie wykonywany eksperyment

Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadanie 5 C60 ubytek 97% PdC4H6O4 ubytek 53% Argon Argon TG TG DSC DSC DTG DTG Pozostałość: 3% węgiel amorficzny 47% Pd o strukturze fcc 274PdF10-PVD ubytek 57% 275PdF10-PVD ubytek 35% d= 54 mm d=60 mm Argon Argon Pozostałość: 43% = 12% Pd + 31% węgiel amorficzny 65% = 4% Pd + 61% węgiel amorficzny

Sprawozdanie z tematu statutowego. Zadanie 5 Porównanie stabilności termicznej dla warstw PVD t=10 min t=8 min 120-270C 270-550C 550-900C PdC4H6O4 nieznane formy C C60

Podsumowanie Prace zostały wykonane zgodnie z harmonogramem i w wyniku ich realizacji zostały wykonane: Komórka do badań FTIR w otoczeniu gazowym. Jako integralna część realizacji tego punktu powstał wniosek racjonalizatorski (28.09.2010), a następnie wzór użytkowy (7.12.2010)   Stanisław Waszuk Elżbieta Czerwosz Anna Kamińska Ewa Kowalska 1. Tytuł rozwiązania Urządzenie do pomiarów do badania cienkich warstw metodą spektroskopii FTIR w otoczeniu gazowym 2. Krótki opis stanu dotychczasowego Komórki pomiarowe do badań in situ metodą spektroskopii podczerwieni są stosowane w wielu ośrodkach badawczych, np. do badań powierzchni katalizatorów heterogenicznych. Nie istnieją urządzenia , w których okienko pokryte warstwą stanowi element badawczy takiego układu. W większości rozwiązań gaz wypełnia całą przestrzeń urządzenia pomiarowego, zaś warstwa musi być wprowadzona do wnętrza urządzenia na odpowiednim podłożu. Uniemożliwia to w większości przypadków badanie zmian zachodzących w warstwie pod wpływem otocznia gazowego ze względu na dużą absorpcję takiego układu. 3. Opis urządzenia i przewidywane efekty: Przewidywane efekty. Opracowane urządzenie będzie stosowane do badania in situ oddziaływań warstw naniesionych na okienko stanowiące część urządzenia z wybranymi gazami. Daje to możliwość wielokrotnego montażu/demontażu okienek przepuszczających promieniowanie podczerwone, na które nanoszone są warstwy. Dzięki zbudowanemu urządzeniu możliwe będzie badanie zmian zachodzących w cienkich warstwach pod wpływem otoczenia gazowego, np. wodoru, węglowodorów, tlenku węgla itp. Żaden z producentów nie proponuje tego rodzaju komórek pomiarowych.

Podsumowanie Badania FTIR warstw na różnych podłożach i dla warstw umieszczonych na okienku komórki w różnych warunkach. W wyniku tych badań określono metodologię przygotowania próbek do badań FTIR oraz metodę interpretacji wyników badań. Została również zebrana literatura dotycząca tematyki FTIR. Badania będą kontynuowane w ramach projektu deteH Badania termograwimetryczne (SDT) warstw PVD wskazują, że do temperatury 120°C zarówno w argonie, jak i w powietrzu materiał jest stabilny. Rozkład warstw charakteryzuje się 3 obszarami temperaturowych zmian masy. Badania termograwimetryczne potwierdzają zależność zawartości fullerenu od odległości podłoży od źródeł Przeprowadzone badania zostaną wykorzystane przy pisaniu projektu do DESY (termin składania wniosku 30. 01. 2011)

Plany i harmonogram prac statutowych na rok 2011 Opracowanie i uruchomienie systemu komputowego wraz oprogramowaniem dla stanowisk pomiarowych zimnej emisji elektronowej oraz zmian właściwości elektrycznych warstw w otoczeniu gazowym Kierownik projektu doc. dr hab. Elżbieta Czerwosz Zespół : mgr inż. Sławomir Krawczyk , dr Ewa Kowalska, inż. J. Radomska, spec. H. Wronka, dr Anna Kamińska, Kamila Molenda, dr inż. Mirosław Kozłowski, mgr inż. Izabela Stępińska Nr Zadania I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 1. Opracowanie szczegółowego harmonogramu prac 2. Opracowanie programu w środowisku LAB-VIEW 3. Opracowanie konstrukcji i programu, montaż i uruchomienie wielokanałowego układu mikroprocesorowego umożliwiającego zbieranie i przetwarzanie danych 4. Przygotowanie próbek i wykonanie pomiarów testowych emisji polowej dla specjalnie przygotowanej serii próbek 5. Opracowanie sprawozdania Nakłady W tym: Materiały Kooperacja wew. Usługi Udział w konferencji 350 000 PLN 15 000 10 000 5 000 6 000

Dziękuję za uwagę