Výzkumná skupina laserové chemie

Skupina se dlouhodobě věnuje depozici tenkých vrstev laserovou ablací. K tomu jsou využívány excimerový ArF a infračervený TEA CO₂ laser. Při depozici ve vysokém vakuu (řádově 10^-3 Pa a nižším) jsou připravovány tenké vrstvy oxidů, silicidů, kovů apod. jednoduchou ablací pevného terče. Vzhledem k vysokým rychlostem chladnutí jsou připravené vrstvy amorfní. Krystalizací při vyšších teplotách se modifikují a optimalizují jejich vlastnosti pro fotokatalytické nebo senzorické aplikace.

Při laserem indukované depozici materiálů v reaktivním plynu (do 10 Pa) dochází k interakci mezi ablaovaným materiálem a molekulami plynu, vzájemné reakci a depozici materiálu s odlišným složením, než je složení pevného terče.  Vzhledem k pomalejšímu průběhu depozice a nukleaci před dopadem materiálu na substrát je připravený materiál většinou nanokrystalický. Takto jsou např. připravovány oxidy, suboxidy nebo oxykarbidy ablací elementárního kovu  v atmosféře kyslíku, silicidy nebo germanidy ablací kovu v silanu/germanu apod.

Pomocí různých technik CVD (low pressure CVD, subatmospheric CVD, chemical vapor transport - CVT) jsou ve Výzkumné skupině laserové chemie připravovány nanostrukturované depozity z prekurzorů křemíku a germania. Po kompletní strukturní a materiálové charakterizaci jsou tyto nanostruktury – hlavně nanodráty – dále studovány pro své elektronické a (foto)elektrochemické vlastnosti. V současné době jsou studovány (foto)elektrochemické vlastnosti křemíkových depozitů a jejich použitelnost pro generování jednoduchých uhlovodíků redukcí oxidu uhličitého a také pro štěpení vody.

• Příprava nových materiálů radiofrekvenčními technikami
• Fotoelektrochemická, fotokatalytická a senzorická charakterizace

CVD depoziční metoda byla použita na přípravu katody ze silicidu mědi Cu_xSi (3<x<5). Butylsilan BuSiH₃ procházel v křemenné trubce nad Cu substrátem a byl tepelně rozkládán při teplotě 550 °C a tlaku 300-400 Pa a vytvářel pórézní strukturu ze silicidu mědi a nanostruktury s převážně nano- a mikrodráty. Při různých průtocích prekursoru narostly dvě různé varianty katalyzátoru – jeden měl na sobě narostlou vrstvu SiC_x, zatímco druhý ne. Obě varianty si uchovaly katalytickou aktivitu bez podstatného snížení i po 720 hodinách elektrochemického měření. Cu_xSi katalyzátor vykázal vysokou selektivitu vůči etanolu (~79 %) v neutrálním elektrolytu nasyceném CO₂ a vysokou selektivitu vůči kyselině octové (~72 %) v alkalickém prostředí.

• Dřínek V., Dytrych P., Fajgar R., Klementová M., Kupčík J., Kopeček J., Svora P., Koštejn M., Jandová V., Soukup K., Beranek R.: A robust and high performance copper silicide catalyst for electrochemical CO2 reduction. Materials Advances, 2024. DOI

Nanodráty byly připraveny pomocí CVD techniky z prekursorů GeH₄ a Cr(acac)₃. Při teplotě 110 °C se vypařoval Cr(acac)₃, který se v proudu GeH₄ přiváděl do horké zóny 500 °C v peci, kde docházelo k vlastní pyrolýze. Vzniklé nanodráty se skládají z krystalického jádra z elementárního germania a amorfního obalu z CrGe_x slitiny o složení [Cr]:[Ge]=1:(6-7). Odpor systému nanodrát-podložka je 2,7 kW.cm, což nejspíše indikuje hluboká záchytná centra v zakázaném pásu Ge generovaná přítomností Cr atomů. Kromě nanodrátů vznikaly během CVD v depozitu také Ge nanokuličky, které pravděpodobně sloužily jako iniciační centra pro růst CrGe_x nanodrátů.

• Dřínek V., Tiagulskyi S., Yatskiv R., Grym J., Fajgar R., Jandová V., Koštejn M., Kupčík J., Chemical vapor deposition of germanium-rich CrGe_x nanowires. Beilstein J. Nanotechnol. 12, 1365–1371, 2023. DOI

Reaktivní laserovou ablací Mn terče za přítomnosti několika Pa reaktivního plynu (SiH₄ či GeH₄) byly připraveny silicidy a germanidy manganu. Připravované vrstvy jsou převážně amorfní, ale při následném žíhání na 600 °C (silicidy) či na 350 °C (germanidy) dochází ke krystalizaci a vzniku nanokrystalitů. V závislosti na podmínkách přípravy, především tlaku plynného prekurzoru a teplotě žíhání, lze připravit různé krystalické fáze silicidů (SiMn, Mn₄Si₇, Mn₅Si₃, Mn₅Si₂) a germanidů (GeMn a Mn₅Ge₃). S postupující krystalizací jsou u těchto materiálů pozorované rostoucí feromagnetické vlastnosti.

Technikou pulsní laserové ablace děleného terče Si/Yb v peci při teplotách 800 a 1000 °C byly připraveny nanostruktury silicidu ytterbia. Vzniklý nanostrukturovaný depozit obsahoval nanodráty, nanotyčinky a nanočástice. Jednotlivé nanočástice (800 °C) byly tvořeny slitinou Yb₃Si₅, zatímco nanotyčinky byly z materiálu s plošně centrovanou krychlovou  strukturou nebo s monoklinickou fází, jejíž krystalová struktura není dosud známa z Yb/Si fázového diagramu. Při teplotě 1000 °C jsou studované nanodráty a nanotyčinky amorfní a pokryté nanokrystaly s krystalickou strukturou podobnou nanotyčinkám s plošně centrovanou krychlovou mřížkou. Nanodráty (1000 °C) jsou při laboratorní teplotě polovodivé s vodivostí 132,9 W.cm, která je srovnatelná se silně dopovaným křemíkem. Na identifikaci nových struktur se spolupracuje s dalšími ústavy.