Studentská vědecká konference 2017

Nanostrukturované materiály jsou v současné době intenzivně studovány, především díky svým fyzikálně-chemickým vlastnostem, které se u běžných materiálů nevyskytují. Své uplatnění by mohly mimo jiné najít v odvětví chemických plynových senzorů. Důležitou součástí takových senzorů je aktivní vrstva, která interaguje s plynným analytem a mění své elektrofyzikální vlastnosti. Citlivost senzoru může být ovlivněna např. specifickým povrchem aktivní vrstvy, selektivita senzoru pak např. její morfologií. Nanostrukturováním aktivní vrstvy je možné zvýšit její specifický povrch a tím přímo ovlivnit citlivost senzoru. Selektivitu lze ovlivnit např. velikostí pórů či kanálků apod. Materiálem pro aktivní vrstvu chemických plynových senzorů jsou zpravidla anorganické nebo organické polovodiče. Z anorganických materiálů se jedná převážně o oxidy kovů. Tato práce se zabývá přípravou nanodrátů Cu₂O, které slouží jednak jako materiál pro aktivní vrstvu chemických senzorů a jednak jako výchozí materiál pro přípravu nanotrubek SnO₂, které budou v další části práce rovněž využity jako materiál aktivní vrstvy senzorů. V rámci experimentů byla studována morfologie připravených struktur pomocí SEM a TEM. Byly provedeny prvotní experimenty pro zjištění senzorických vlastností připravených materiálů.

Oblastí s uplatněním tenkovrstvých plynových senzorů je mnoho (zdravotnictví, ochrana životního prostředí…). S rostoucími požadavky je potřeba vyvíjet nové metody detekce a nové citlivé vrstvy, které vykazují nízkou mez detekce, vysokou citlivost a vysokou selektivitu. Tato práce se zabývá tvorbou senzorů plynů pomocí depozice citlivé vrstvy laserovým psaním s využitím kontinuálního polovodičového laseru s vlnovou délkou 405 nm. V práci se zabývám optimalizací technologie pro přípravu vodivostních senzorů (chemirezistorů) vyžívajících mikrostrukturu tvořenou citlivým materiálem (ftalocyaninem zinku) o šířce v rozmezí 3–10 μm která je nanesena na systém mikroelektrod. Dalším možným využitím je příprava mikrostruktur pro optické plynové senzory využívající difrakčních vlastností. V rámci optimalizace aparatury a litografie se zlepšila nejmenší litografická stopa laseru na 4μm. Fokusace laseru a určení ohniska se optimalizovalo připojením kamery do okuláru a umístěním přísvitu k objektivu. Dalším krokem optimalizace bude sjednotit z-souřadnici ohniska laseru a fokus optiky pomocí dalších optických prvků (např. čoček), aby bylo možné povrchové jevy (krystalizace, odpařování, vytvrzování…) při laserování sledovat v reálném čase.

V rámci této práce je vyvíjen měřicí a řídicí software pro 16-senzorový elektronický nos v prostředí NI LabVIEW. Tento software zajišťuje komplexní automatizaci celého měření – měření elektrického odporu chemirezistivních vrstev, měření a řízení jejich teploty a ovládání plynového hospodářství. V současné době je hotova architektura celého softwaru a dva celé podprogramy. Jeden je určen pro kalibraci platinových topných meandrů jako teploměrů a druhý pro měření odezev 1 až 16 chemirezistorů při různých teplotách a působících plynech. Program pro komunikaci s hardwarem využívá ovladače DAQmx, NI-VISA a DAQNavi.

Práce pojednává o přípravě nanoporézního křemíku elektrochemickým leptáním a o optimalizaci jeho přípravy na nově vyrobené aparatuře. Optimalizaci jsme prováděli změnou doby leptání a změnou proudu procházejícího elektrolytem. Leptání probíhalo v elektrolytu složeném z kyseliny fluorovodíkové a ethanolu při působení malých proudů.  Vzorky vyrobeného porézního křemíku byly z hlediska morfologie povrchu charakterizovány na skenovacím elektronovém mikroskopu. Chemické složení bylo zkoumáno pomocí EDS sondy.

Práce se zabývá dekontaminačními účinky nízkoteplotního plazmatu generovaného korónovým výbojem na různé druhy mikroorganismů zahrnující plísně a bakterie. Účinky jsou testovány pro různé doby expozice v podmínkách in vitro, a také in vivo. V prvním případě byly mikroorganismy naneseny na živné médium a zde exponovány, v druhém případě byly plazmatem ošetřovány prsty nohou napadené plísní u vybrané skupiny pacientů.

Tenké filmy makromolekulárních organických látek, jako jsou ftalocyaniny, či jiná analoga porfyrinového kruhu, jsou často využívány jako aktivní vrstvy pro chemické senzory. Tyto senzory vykazují změny elektrických vlastností při expozici elektrofilními plyny a díky tomu mohou sloužit jako jednoduché analytické prostředky pro detekci celé řady chemických látek, jejichž sledování je pro lidskou společnost významné. Pro správnou funkci těchto senzorů a možnost jejich opakovaného použití je však potřeba, aby interakce mezi analyzovanými látkami a aktivní vrstvou senzoru byly reverzibilní, a senzor určitým způsobem regeneroval. Nejčastěji se u vodivostních senzorů na bázi ftalocyaninů používá takzvaná teplotní regenerace, kterou však provází četná úskalí. Nedávné experimenty ukázaly, že se teplotní regeneraci můžeme vyhnout, pokud použijeme světelné záření o definované vlnové délce a intenzitě. Cílem této práce je blíže prozkoumat foto-indukované děje probíhající na aktivní vrstvě chemických senzorů a analyzovat proces fotoregenerace i z dlouhodobějšího hlediska. Nabyté poznatky by mohli přispět jak k lepšímu pochopení fyzikální podstaty interakce mezi ftalocyaninovým filmem a vázaným plynem, tak k nasazení jednoduše regenerovatelných ftalocyaninových senzorů do praktického použití.

Nanostrukturní diamanty s modifikovaným povrchem jsou v posledních desetiletích studovány především pro důležitá uplatnění v medicíně a mikroelektronice, také ale z dalších důvodů. Cílená změna povrchu totiž umožňuje snížit chemickou inertnost tohoto polovodiče a aplikačně využít mnoho jeho výjimečných vlastností. V rámci experimentů byl studován vliv nízkoteplotního plazmatu na povrchové vlastnosti nanodiamantových klastrů. Snahou bylo vzorky diamantu vhodnými metodami charakterizovat a dokázat účinnost ověřované modifikační metody založené na plazmatu a dále určit vliv chemického prostředí (vody, ethanolu a chloroformu) a energie generující plazma. Bylo prokázáno, že nízkoteplotní plazma je schopno již v rámci několika minut efektivního zakončení povrchu diamantu kyslíkem a chlorem. Modifikované vzorky také vykazovaly změny luminiscenčních vlastností, vodivosti a zeta potenciálu. Analýzou snímků z elektronového mikroskopu byl navíc vyvrácen destrukční vliv na klastry diamantu.

Vodivé polymery vystavené alkalickým činidlům snadno podléhají tzv. deprotonaci, která se projevuje v řádovém poklesu jejich měrné elektrické vodivosti. Pomocí anorganických kyselin lze jejich elektrickou vodivost částečně obnovit – tj. polymer reprotonovat. Znalost mechanismu cyklu deprotonace/reprotonace je stěžejní pro využití vodivých polymerů zejména v oblasti skladování energie (např. v alkalických bateriích) či biokompatibilních povrchů (např. pro implantovatelné senzory, elektrody apod.). Práce se proto zabývá studiem stability měrné elektrické vodivosti vodivého polymeru polypyrrolu v zásaditém prostředí (vodný roztok NaOH a NH₄OH) a možnostmi jeho revitalizace pomocí anorganických kyselin (vodný roztok HCl a HBr).