Aparatura badawcza

Laboratorium Inżynierii Powierzchni prowadzi badania w zakresie określania topografii, struktury oraz składu powierzchni i warstwy wierzchniej materiałów, takich jak metale, stopy metali, warstwy tlenkowe na powierzchni metali, półprzewodniki, materiały polimerowe, cienkie warstwy metali i półprzewodników. Analiza strukturalna dotyczy głównie materiałów krystalicznych i warstw epitaksjalnych. Badania te możliwe są dzięki zastosowaniu techniki dyfrakcji elektronów niskoenergetycznych (LEED).

Topografia powierzchni zarówno kryształów, polikryształów jak i ciał amorficznych badana jest za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej (STM). Ograniczeniem tej techniki jest fakt, iż badana warstwa powierzchniowa musi być przewodząca, ale metoda STM pozwala na uzyskanie trójwymiarowego odwzorowania powierzchni w przestrzeni prostej z rozdzielczością pojedynczych nm lub lepszą.

Badanie składu chemicznego powierzchni umożliwiają następujące techniki eksperymentalne: spektroskopia fotoelektronowa w zakresie promieniowania rentgenowskiego i ultrafioletowego (XPS / UPS), spektroskopia elektronów Augera (AES), Spektroskopia Prądu Całkowitego (TCS). Technika XPS dzięki charakterystycznym przesunięciom chemicznym obserwowanym w widmach pozwala dodatkowo na uzyskanie informacji na temat stanu chemicznego składników powierzchni próbki. Z kolei UPS umożliwia analizę stanów energetycznych poziomów walencyjnych. Analizę składu można rozszerzyć o warstwy podpowierzchniowe poprzez zastosowanie profilowania składu chemicznego z wykorzystaniem działa jonowego.

Wszystkie wymienione techniki eksperymentalne zaliczane są do ściśle powierzchniowych i funkcjonują w systemie połączonych komór próżniowych, umożliwiających bezpośredni transfer badanego materiału z jednej komory pomiarowej do drugiej. W skład stanowiska wchodzi również reaktor wysokociśnieniowy umożliwiający utlenianie, lub azotowanie powierzchni próbki w określonych warunkach temperatury i ciśnienia.

Laboratorium Elipsometrii i Mikrostruktury Materiałów powstało w ramach realizacji projektu: Realizacja II etapu Regionalnego Centrum Innowacyjności.
Na etapie składania wniosków o finansowanie projektu zaplanowano utworzenie w ramach Instytutu Matematyki i Fizyki Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy dwóch laboratoriów: Laboratorium Inżynierii Powierzchni oraz Laboratorium Elipsometrii i Mikrostruktury Materiałów. Obydwa laboratoria, podobnie jak inne tworzone i modernizowane na pozostałych wydziałach Uczelni, mają w zamyśle służyć swoim zapleczem badawczym zainteresowanym przedsiębiorcom z regionu.
Laboratorium Elipsometrii i Mikrostruktury Materiałów dysponowało do tej pory elipsometrem V-VASE (J.A.Woollam Co.) umożliwiającym badania w zakresie od bliskiej podczerwieni do ultrafioletu (2200-193 nm). W ostatnim kwartale 2012 roku zakupiony został elipsometr SENDIRA (SENTECH GmbH) poszerzający zakres widmowy o średnią podczerwień (do 25000 nm), dzięki czemu nasza Uczelnia oferuje obecnie pomiary w najszerszym zakresie widmowym w Polsce. Pomiary elipsometryczne umożliwiają wyznaczanie własności optycznych różnych materiałów: metali, półprzewodników dielektryków, kompozytów, polimerów, struktur plazmonicznych i układów spintronicznych. Badania mogą obejmować zarówno materiały lite oraz cienkie i ultracienkie warstwy (w skali nanometrowej). Cenna w tym przypadku jest możliwość analizy zmian własności optycznych w wyniku starzenia, eksploatacji, czy zachodzących na powierzchni reakcji chemicznych. Technika elipsometrii znajduje coraz szersze zastosowanie w różnych gałęziach technologii i nauki, np.: podczas produkcji cienkich warstw. Ostatnio rośnie jej wykorzystanie w biologii i medycynie, a w nanotechnologii stała się standardową techniką badawczą. Wśród przedsiębiorców z naszego regionu badaniami tego rodzaju mogą być zainteresowani m. in. producenci absorberów solarnych, ogniw fotowoltaicznych, folii, pokryć wykończeniowych, itp.

Innym cennym nabytkiem Laboratorium Elipsometrii i Mikrostruktury Materiałów stał się skanujący mikroskop konfokalny LEXT OLS 4000 firmy Olympus umożliwiający dwuwymiarowe i trójwymiarowe obrazowanie powierzchni różnych materiałów z rozdzielczością rzędu 10 nm bez ograniczeń środowiskowych. Zaletą urządzenia jest możliwość pracy w trybie profilometru optycznego. Oprogramowanie pozwala na precyzyjną analizę uzyskanych obrazów (określenie wymiarów geometrycznych, parametrów chropowatości R i S wg norm PN-EN ISO 4287, PN-EN ISO 25178, grubości warstw).

Lepszą zdolnością rozdzielczą cechuje się mikroskop sił atomowych Innova firmy Bruker. Umożliwia on obrazowanie i badanie topografii bardzo gładkich powierzchni. Mikroskopy te umożliwiają m.in. ocenę jakości wykonania detalu i mikrostruktury powierzchni.

Charakterystykę właściwości mechanicznych (twardość: H_IT, H_V oraz moduły elastyczności: E_IT, E*_IT) można uzyskać stosując mikrotwardościomierz firmy CSM Instruments. Zautomatyzowane urządzenie zapewnia wykonywanie pomiarów zgodnie z obowiązującą normą PN-EN ISO 14577. Możliwe jest badanie materiałów twardych, jak i miękkich, zarówno litych, jak i warstw (grubość >1000 nm; np. farby, lakiery). Urządzenie jest wyposażone w trzy wymienne, certyfikowane wgłębniki: Vickersa, Berkovicha i Knoopa. Zautomatyzowany stolik umożliwia badanie jednorodności powierzchni, mikrowytrąceń i domieszek.

Przemysł zajmujący się obróbką metali, stopów, tworzyw sztucznych, kompozytów powinien być zainteresowany badaniami wpływu procesu technologicznego na jakość wykonania powierzchni oraz jej funkcjonalność. Multidiagnostyczna analiza, jaką oferują laboratoria Instytutu Matematyki i Fizyki począwszy od wyznaczania składu chemicznego, właściwości optyczno-elektronowych i mechanicznych do obrazowania powierzchni próbek różnymi technikami, pozwala na kompleksowe badanie materiałów. Laboratorium Inżynierii Powierzchni wraz z Laboratorium Elipsometrii i Mikrostruktury Materiałów utworzyły wspólnie Centrum Inżynierii Powierzchni wchodzące w skład konsorcjum Instytutu Autostrada Technologii i Innowacji (IATI).