FIZIKI NA INSTITUTU J.STEFAN

Igor MuševičInstitut J.Stefan

Univerza v Ljubljani

Fizikalni raziskovalni odseki na IJSwww.ijs.si

• Odsek za teoretično fiziko (F-1) 22• Odsek za fiziko srednjih in nizkih energij (F-2) 20• Odsek za tanke plasti in površine (F-3) 2• Odsek za tehnologijo površin in optoel. (F-4) 4• Odsek za fiziko trdne snovi (F-5) 28• Odsek za kompleksne snovi (F-7) 11• Odsek za reaktorsko fiziko (F-8) 11• Odsek za fiziko osnovnih delcev (F-9) 15

raziskovalcev

Skupaj: 113

Eksperimentalne raziskovalne metode in ekspertna znanja

• Električne, magnetne meritve, kalorimetrijavisoke ločljivosti

• Resonančna spektroskopija in slikanje• Metode jedrske fizike• Optika in optična spektroskopija• Metode analize površin: mikroskopija in

spektroskopija površin

Električne, magnetne meritve in visokoločljivakalorimetrija

adrijan.levstik@ijs.sijanez.dolinsek@ijs.si

zvonko.trontelj@fiz.uni-lj.sizdravko.kutnjak@ijs.si

Laboratorij za dielektrično spektroskopijo

10-1 101 103 105101

103

105

107 CuPcoligomer

na zrakuv vakuumuaniliran

prispevekpovršinskeplasti(reakcija z O2)

nivo prostih nabojev

intrinzične vrednosti

ε'

ν (Hz)

10-1 102 10510-6

1x10-4

σdc

nivoprostihnabojev

σ ' ∝ νs

σ ' (Ω -1

m-1)

ν (Hz)

Merjenje dielektričnega odziva (kompleksne impedance Z = U/I):• dielektrična konstanta• električna prevodnost• polarizacija.

Frekvenčni interval: 1 mHz-10 GHz

Linearni dielektrični odziv:• HP4284A Precision LCR Meter, 20 Hz – 1 MHz• Novocontrol Alpha Dielectric Analyzer, 1 mHz – 3 MHz• HP 4191 RF Impedance Analyzer, 1 MHz – 1 GHz• HP 8720C Network Analyzer, 50 MHz – 10 GHz• Keithley 617 Electrometer, statični odziv

Nelinearni dielektrični odziv:• HP35665A Dynamic Signal Analyzer, 1 Hz – 10 kHz

Temperaturni interval: 4.2 K-450 K

Oxford Instruments helijev kriostat (4.2 K-300 K),dušikova stabilizacija s faznim detektorjem ter uporom Pt100 kot termometrom (77 K-450 K),stabilizacija znotraj ± 0.01 K.

Magnetne meritve s SQUID magnetometrom

Primer: diamagnetizem v kompleksnih kovinskih zlitinah AlPdMn

dia, para in feromagnetizem

ločljivost reda 10-8 emu/mol m3

Sodelovanje s Fakulteto za matematikoin fiziko (Z.Trontelj, Z.Jagličič)

Visokoločljiva kalorimetrijaTemperaturni obseg: ~80K-460KTemperaturna stabilnost <0.1 mKSignal/šum (ac način delovanja): ~0.01%Meritev specif. toplote Cp ločljivosti reda mKvzorci od 10 mg - ~1g

325 330 335 340 345 350 355 360 365 370 3752.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7LC ELASTOMERS x=0.28

relaxation runac run

ΔH =2.91 J/g L=0.24 J/g

x=0.005 relaxation run ac run

ΔH =2.51 J/g

NematicIsotropic

C p(J/g

K)

T(K)

Ločimo lahko fazne prehode v plasteh debeline reda 1 molekule.

Resonančna spektroskopija in slikanje(NMR, MRI, EPR)

janez.dolinsek@ijs.siigor.sersa@ijs.si

janez.strancar@ijs.sidenis.arcon@ijs.si

NMR – Jedrska magnetna resonanca

Primer: študij mehčanja bitumnov z NMR

NMR spekter vodika v bitumnu

zmehčan

trdNMR mehčalna krivulja bitumna:

širina NMR spektra v odvisnosti od temperature

NMR mehčalne krivulje bitumnov različnih

proizvajalcev

MOL

AGIP

INA

Študij strjevanja cementov z NMR

Spin-mrežni relaksacijski čas T1 po zmešanju cementa z vodo

Hidratacijski čas (ure)

C3S

“beli” cement

OPC1 ura 1 dan 1 mesec

Oprema laboratorija za MR slikanje

Superprevoden magnet 2.35 TRF tuljave in gradientna tuljava

Piksel 100x100x100 μm3, 1cm3, slika H2O, 256x256x256 točk

Primer visokoločljive 3D slike: oreh

Rekonstrukcija površin Zaporedje slik po rezinah

(parametri slikanja: matrika 2563, vidno polje 30 mm, ločljivost 120 μm, čas slikanja 19h)

Laboratorij za biofiziko – EPR center

Elektronska paramagnetna resonanca:opazovanje stanj prostih elektronov (obstoječih in induciranih radikalov) in vplivov neposredne okolice na molekularni skali

Kemična industrija ter industrija materialov

• stabilnost polimerov in drugih snovi pred škodljivimi učinki radikalov (UV & ionizirajoča sevanja)• EPR dozimetrija ( intenziteta ionizirajočega sevanja prekonastalih radikalov)• Nedestruktivno določevanje koncentracij kisika v tkivih živali in hrani.

Farmacevtska ter prehrambena industrija

Metode jedrske fizikematej.lipoglavsek@ijs.si

primoz.pelicon@ijs.si

Tandemski pospeševalnik z žarkovnimilinijami (zunanji žarek, mikrožarek, PIXE)

Metode za preučevanje lastnosti snovi, ki temeljijo na obsevanju z ionskimi žarki.

Mikroanalitski centerOdseka za fiziko nizkih in srednjih energij IJSRaziskave materialov in modifikacija snovi s pospešenimi ionskimi žarki

Analiza tankih prevlek in kovinskih industrijskih izdelkov

Stranka pošlje objekt

Označenoin dejanskopodročje analize

50 100 150 200 250 300 35010

100

1000

10000

100000

1000000

Cu

Cu

Ni

Sn

Sunk

i

Kanal

Identifikacija elementov v prevleki z metodo PIXE, ki omogoča natančno metalurško analizo

Nedestruktivna, hitra in točna določitevelementnih globinskih profilov

Dimenzije vzorcev:10 mikrometrov do ~10 cm:Analize na ionskem mikrožarku•večji vzorci (do ~2 m): zunanji ionski žarekVodikovi ioni:Globinski doseg do 100 mikrometrovUltratanke prevleke: uporaba Li ionovGlobinska ločljivost do 10 nanometrov

20 µm

Tridimenzionalna mikroobdelava: Direktno pisanje v polimer z ionskimmikrožarkom na osnovi načrta: digitalne črnobele fotografije.

Tridimenzionalna tomografija bioloških tkiv, mikrodelcev in mikroobjektov:

Ca Cl Pb

400 µm

Sodelovanje Odseka za fiziko nizkih in srednjih energij IJS z industrijo:Gorenje, Kolektor, Luka Koper, Cinkarna, NEK

Odsek za fiziko nizkih in srednjih energij (F-2)http://ol.ijs.si/

VARSTVO PRED SEVANJEM IN MERITVE RADIOAKTIVNOSTI

Laboratorij za radiološke merilne sisteme in meritve radioaktivnosti Laboratorij za dozimetrične standarde

Ekološki laboratorij z mobilno enoto (ELME) Laboratorij za termoluminiscenčnodozimetrijo

Če imate vprašanja o karkšnemkoli vidiku radioaktivnosti – naj gre za meritve, varstvo zaposlenihpred sevanjem, izvozna dovoljenja ali pravne predpise – nas pokličite (01 4773 493)!

Optika in optična spektroskopijadragan.mihailovic@ijs.si

martin.copic@ijs.simarko.zgonik@ijs.si

irena.drevensek@ijs.siigor.poberaj@fiz.uni-lj.si

Ramanska spektroskopija:

fotonska avtokorelacijska spektroskopija(fluktuacije lomnega kvocienta na skali od 1s do 1μs)

• spektralna analiza 200nm - 3µm (Perkin Elmer Lambda 900)• statične meritve intenzitete prepuščene svetlobe v območju več kot 5 redov

velikosti (ustreza EN 379)• laserska interferometrija (Zeemanski laser HP)• meritve pomikov• standardni laser He-Ne stabiliziran z 127I resonanco. Stabilnost boljša od 10-9

• optična elipsometrija: določanje profila lomnega kvocienta na površinah

Optična pinceta, laboratorij FMF: močan fokusiran žarek “ujame” delce v gorišču

Lasersko oblikovanjemikrostruktur:

Tankostenski kanali -fotolitografsko strukturiranje.

Mikrokomore - direktnostrukturiranje. -> poster

Uporaba: merjenje sil med delci(koloidni sistemi, disperzije)

Površine in mikroskopijaigor.musevic@ijs.sialbert.prodan@ijs.si

miran.ceh@ijs.sianton.zalar@ijs.si

peter.panjan@ijs.si

plast

podlaga dfds

Rs

s

f

s Edd

R ν−=σ

161 2

podlaga

plastmaska

izvir

d

Hrapavost Debelina plastiNotranje napetosti

vzorec Taylor-HobsonForm TalysurfSeries 2

Resolucijavertikalna: 1 nmlateralna: 0,3 µm

Profilometrija

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1[mm]

[µm

]

0

1

2

3

4

0 1 2 3 4[mm]

[µm

] d

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40[mm]

[µm

]

rezina Si(111)

rezina Si(111)+2µm CrN

igla zdiamantnokonico

smer merjenja

vzorec

Trdota

vzorec

Mitu

toyo

MV

K-H

2

rezultatvzorec

obtežitev

vzorec

igla zdiamantno

konico

rezultat

vzorec

Makro Mikro Nano

o22cos2 2dFHV =

Fisc

hers

cope

H10

0C

Wils

on R

ockw

ell5

00R

A

0

50

100

150

200

0 5 10 15 20 25obremenitev [mN]

glob

ina

odtis

a [n

m]

Fn

Ft

igla

raza

podlagaplast

Lc4

100 µm

Lc5

100 µm

Lc3

100 µm

vzorec

Značilne poškodbe raze

Odvisnost od obremenitve

Shematski prikaz

Adhezija

Lc (AE) Lc (Ft)

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100obremenitev [N]

sila

raze

nja

[N] .

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

koef

icie

nt ra

zenj

aakustičnaemisija [p.e.]

CSEMRevetestScratch-tester

ODSEK ZA TEHNOLOGIJO POVRŠIN IN OPTOELEKTRONIKO (F-4)PREISKAVA POVRŠIN IN TANKIH PLASTI S

SPEKTROSKOPIJO AUGERJEVIH ELEKTRONOV (AES)

Način preiskave: - kvantitativna in semikvantitativna analiza 3-5 atomskih plasti površine materiala- v kombinaciji z metodo AES in ionskim jedkanjem vzorca je omogočena profilna analiza

tankih plasti do globine nekaj μm.Uporabnost: Preiskava kontaminacije površin, spremljanje učinkovitosti čistilnih postopkov, preiskava

oksidacije in korozijskih produktov, faznih mej, študij procesov difuzije v tankih plasteh, itd. Preiskave tankoplastnih struktur za elektroniko, mikroelektroniko in razne vrste metalurških prevlek.

AES profilni diagram večplastne strukture Al/Cu/Fe/Al2O3 po toplotni obdelavi na 300 oCSpektrometer Augerjevih elektronov na odseku F4

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50

Čas ionskega jedkanja (min)

Kon

cent

raci

ja(a

t%)

Al

Cu

Fe

CO

No. 2369, Al (90 nm)/ Cu( 80 nm)/ Fe (100 nm)/Al2O3,

278280282284286288290292294296298

0

5000

10000

15000

XPS SPEKTER POLIMERA PET

VEZAVNA ENERGIJA (eV)

INTE

NZI

TETE

A (IM

PULZ

I/s)

-C1s

ODSEK ZA TEHNOLOGIJO POVRŠIN IN OPTOELEKTRONIKO (F-4)

PREISKAVA POVRŠIN IN TANKIH PLASTI ZRENTGENSKO FOTOELEKTRONSKO SPEKTROSKOPIJO (XPS=ESCA

Način preiskav: - točkovna in linijska analiza ter XPS slike površin, v kombinaciji z XPS metodo in ionskim jedkanjem vzorca je mogoča profilna analiza tankih plasti po njihovi globini (do 0,5 μm)

- možnost hlajenja in ogrevanja vzorcev v področju od – 140 oC do 1000 oC-XPS analiza izolatorjev kot so steklo, keramika, polimera in kompozitni materiali

Uporabnost: Enako kot metoda AES, s tem, da razen elementne sestave dobimo še podatke o kemijskem stanju elementov. Z metodo XPS lahko analiziramo tudi izolatorje.

Tri različna kemijska stanja C v polimeru PET prepoznamo iz treh vrhov C 1s v spektru XPS (PET=Polyethylene terephthalate)Spektrometer XPS na odseku F4

|— C—

|—C—O—

—C=O—

Inte

nzite

ta (i

mpu

lzi/s

)

Vezavna energija (eV)

NanotehnologijaNanotehnologija::kontrolirana manipulacija snovi na atomski skalikontrolirana manipulacija snovi na atomski skali

Elektronski mikroskop

AFM mikroskop

STM mikroskopNanotehnološka “orodja” s katerimi vidimo atome

MIKROSKOP NA ATOMSKO SILO (AFM)

1. Slikanje površine vzorcev velikosti do 10 mm z nanometrsko natančnostjo

MATERIALIPovršina naparjenega srebra

BIOKEMIJAfibrilizacija proteinov

KRISTALOGRAFIJAKristal z atomsko ločljivostjo

2. Slikanje ostalih površinskih lastnosti – porazdelitev magnetnihdomen, električnega naboja, trenja...

Uporaba v kemiji,elektroniki...• adhezijske sile• koloidne sile v disperzijah• sile v tekočinah• elastične sile• magnetne in električne sile

Z AFM mikroskopom lahko merimo sile med delci: od 1pN do 1μN

STM mikroskop

Slike posameznih atomov na površinah

Litografija z elektronskim žarkom:žarek elektronskega mikroskopa uporabljamo za

“osvetljevanje” polimera

Primer: v tanko plast PMMA so izjedkani “piksli” 1x1μm2