Optisko materiālu laboratorija specializējas optisko fenomenu izpētē dažādos materiālos, kā arī izmanto citas raksturošanas metodes, ieskaitot mikroskopiju (SEM, TEM), rentgendifrakciju (XRD), enerģijas dispersīvā rentgenstaru spektroskopija (EDX) un citas.

Vārds Uzvārds Amats Tālrunis Kabinets E-pasts
Krišjānis Šmits Laboratorijas vadītājs 67187478 430 krisjanis.smits@cfi.lu.lv
Linards Skuja Vadošais pētnieks 67260756 327 313 315 linards.skuja@cfi.lu.lv
Anatolijs Truhins Vadošais pētnieks 67260756 329 314 315 anatolijs.truhins@cfi.lu.lv
Donāts Millers Vadošais pētnieks 28702551 429 Donats.Millers@cfi.lu.lv
Andrejs Siliņš Vadošais pētnieks 67211405 326 andrejs.silins@cfi.lu.lv
Larisa Grigorjeva Vadošā pētniece 2654803 432 larisa.grigorjeva@cfi.lu.lv
Ivita Bite Pētniece 428 Ivita.Bite@cfi.lu.lv
Katrīna Laganovska Pētniece 428 Katrina.Laganovska@cfi.lu.lv
Aleksejs Zolotarjovs Pētnieks 430 Aleksejs.Zolotarjovs@cfi.lu.lv
Virgīnija Vītola Zinātniskā asistente 429 Virginja.Vitola@lu.lv
Karīna Taranda Inženiere Karina.Taranda@cfi.lu.lv
Agnese Spustaka Inženiere Agnese.Spustaka@cfi.lu.lv
Mareks Seņko Inženieris Mareks.Senko@cfi.lu.lv
Juliāna Kepente Inženiere Juliana.Kepente@cfi.lu.lv
Krišjānis Roze Inženieris 431 Krisjanis.Roze@cfi.lu.lv
Edgars Straumanis Inženieris 431 Edgars.Straumanis@cfi.lu.lv
Ernests Einbergs Inženieris 431 Ernests.Einbergs@cfi.lu.lv
Madara Leimane Inženiere 431 Madara.Leimane@cfi.lu.lv
Krišjānis Auziņš Inženieris 430 Krisjanis.Auzins@cfi.lu.lv

Tiek pētītas ZrO2, HfO2, ZnO, SrAl2O4 un citu ar retzemju joniem aktivētu metālu oksīdu optiskās īpašības. Pētniecības pamatvirziens ir optiskās īpašības, tomēr laboratorijas personāls arī specializējās citās jomās: elektronu mikroskopija (SEM, TEM), paraugu sintēze (Plazmas elektrolītiskā oksidēšana (PEO), dažādās sintēzes metodes ķīmijas laboratorijā) kā arī citi materiālu īpašību pētījumi (EDX, XRF, XRD).

ZnO luminiscento īpašību izpēte materiāla vairākās formās: monokristāli, nanopulveri, keramikas un pārklājumi.

PEO pārklājumu iegūšanas metodes pētījumi un to leģēšanas metožu attīstība ar mērķi uzlabot un funkcionalizēt pārklājumu optiskās īpašības. Iegūtas jaunas PEO struktūras ar raksturīpašībām, kā arī tiek izstrādatas tehnoloģijas pārklājumu pielietošanā praksē.

Veikti augšup-pārveidotās luminiscences pētījumi ar RE joniem aktivētā ZrO2 un dažādās keramikās.

Attīstīta un tiek pielietota termostimulētas luminiscences (TSL) metodika, vienlaicīgi reģistrējot spektrālo sastāvu un temperatūru. Dažādi sildīšanas režīmi ļauj noteikt ķērajcentru termiskās aktivācijas enerģijas.

Vispārējais pētniecības virziens ir arī cieto vielu amorfā stāvokļa īpatnību un to ietekmes uz materiāla optiskajām, elektriskajām un ķīmiskajām īpašībām izpēte. Galvenais pētījumu objekts ir silīcija dioksīds un ar to saistītie amorfie oksīdu materiāli, piemēram, daudzkomponentu silikātu stikli, germanosilikātu stikli un plānās kārtiņas un šo materiālu nanodaļiņas.

Silīcija dioksīda SiO2 kā viena no laboratorijas galvenā pētījumu objekta izvēli nosaka divas šī materiāla īpašības:

  1. SiO2 ir viens no nedaudzajiem vienkāršajiem savienojumiem, kas dabā eksistē gan "nesakārtotā" amorfā stāvoklī (stikls, plānās kārtiņas, nanodaļiņas) gan "sakārtotā" kristāliskā stāvoklī( kvarcs, kristobalīts, tridimīts u.c.) . Šis apstāklis ļauj precīzāk noskaidrot amorfā stāvokļa ("nesakārtotības") ietekmi uz materiāla īpašībām. 
  2. Stiklveida SiO2 un tam radniecisko materiāli ir ļoti svarīgi daudzos pielietojumos. No tiem izgatavo šķiedru optiskos gaismas vadus optiskajiem sakariem un specializētiem pielietojumiem, piemēram, lieljaudas lāzeru staru pārvadīšanai medicīnā un materiālu apstrādē, šķiedras ar augstu caurlaidību spektra ultravioletajā diapazonā analītiskajos pielietojumos, šķiedras darbam augstas radiācijas apstākļos kodolenerģētikā un kosmiskajā tehnikā. Šos materiālus lieto silīcija mikroelektroniskajās ierīcēs (SiO2 dielektriskās/pasivējošās kārtiņas), lāzeru un UV optikā (lēcas), optisko signālu apstrādē (refraktīvie Brega režģi)un dažādu nanoizmēru ierīču (fotoniskie kristāli) izveidē. Kristāliskais SiO2 savukārt ir neaizstājams laika mērīšanas tehnikā ("kvarca" pulksteņi).

 

Pašreizējie ar SiO2 galvenie laboratorijas pētījumu virzieni ir sekojoši:

  1. Optiski aktīvo punktdefektu pētījumi stiklveida un kristāliskā SiO2. SiO2 ir materiāls ar izcili labu optisko caurlaidību spektra diapazonā no tuvā infrasarkanā līdz vakuuma ultravioleta apgabalam. Taču šo caurlaidību samazina lokālas novirzes no ideālas Si un O atomu savstarpējas sakārtotības SiO2 struktūrā, tā saucamie punktdefekti. Informācija par to struktūru, optiskajām īpašībām un veidošanās procesiem ir būtiska daudzos pielietojumos.
  2. Kristālisko SiO2 polimorfu spektroskopiskās īpašības. SiO2 kristāli pie normālas temperatūras un spiediena spēj pastāvēt dažādās stabilās (α-kvarcs) un metastabilās (α-tridimīts, α-kristobalīts, koezīts, stišovīts) formās. Parasti tiek uzskatīts, ka amorfā SiO2 tuvākais kristāliskais analogs ir α-kvarcs. Taču pastāv hipotēze, ka amorfā SiO2 struktūrā, it īpaši punktdefektu apgabalos, var pastāvēt regulāru struktūru motīvi, kas atbilst atomu lokālam sakārtojumam kādā no no metastabilajiem SiO2 kristāliskajiem variantiem. Laboratorijā tiek veikti šo kristālisko polimorfu un amorfa SiO2 optisko īpašību salīdzinoši pētījumi. 
  3. Leģētu un daudzkomponenšu SiO2-bāzētu oksīdu stiklu pētījumi. SiO2 tiek leģēts ar citiem elementiem, lai piemērotu šo materiālu dažādu pielietojumu vajadzībām, piemēram, SiO2-GeO2 stikli tiek izmantoti kā fotojutīgs materiāls refraktīvu Brega režģu veidošanai optisko signālu filtrēšanai un apstrādei, SiO2 tiek leģēts ar fluoru radiācijas noturības uzlabošanai un laušanas koeficienta modulācijai, SiO2 leģēts ar Bi vai retzemju joniem tiek izmantots lāzeru veidošanā u.tml. 
  4. Starpmezglu molekulu SiO2 pētījumi. Amorfā SiO2 struktūra ir raksturīga ar nano-izmēra brīvām starpatomu telpām to veidojošā SiO4 tetraedru tīklā. Šajās brīvajās (tā saucamajās starpmezglu) telpās var ievietoties nelielas molekulas. Tās var tikt ievadītas gan difūzijas rezultātā, gan tikt radītas punktdefektu veidošanās radio-foto-ķīmiskos procesos (piem. O2), gan stikla sintēzes procesā (piem., Cl2). Tās spēj būtiski ietekmēt amorfā SiO2 īpašības pielietojumos un to īpašību izpēte un detektēšanas metožu izstrāde ir praktiski svarīgas problēmas. 
  5. SiO2 nanodaļiņu un fotoķīmisko procesu uz SiO2 virsmas pētījumi. Salīdzinājumā ar kristāliskajām SiO2 formām, amorfs SiOstikls ir raksturīgs ar lielām starpmezglu telpām, ko var uzskatīt arī par nano- un sub-nano izmēra porām. Šo poru lielumu iespējams variēt, materiālu sintezējot. Šādi materiāli ar lielu iekšējo virsmu ir perspektīvi katalīzes un sensoru pielietojumos.

Pētījumi tiek veikti galvenokārt ar spektroskopiskām metodēm. Laboratorijas aprīkojums ļauj izmantot optiskās absorbcijas un luminiscences spektroskopiju, infrasarkano absorbciju, Ramana izkliedi un vakuuma-ultravioleto spektroskopiju. Izmantojot sadarbības partneru aparatūru, pētījumi tiek veikti arī ar elektronu paramagnētiskās rezonanses spektroskopiju.

Parādīts, ka aktivācija ar Nb ievērojami palielina aktivātora luminiscences intensitāti ZrO2 matricā, kas padara šo materiālu perspektīvu vairākiem praktiskiem pielietojumiem. Neskatoties uz to, ka pētījumi balstās uz Er jona luminiscences, tiek uzskatīts ka materiāla fazes stabilizēsanas, lādiņa kompensacija un luminiescences īpašības būs līdzīgas arī citiem lantanīdu joniem. Rezultāti ļauj secināt, ka luminiscences intensitāte arī citos oksīdu materiālos, kuri ir leģēti ar Ln joniem trīsvalento kationu pozicijās, var pieaugt struktūrā ievadot Nb jonus.

Turpinās ZnO luminiscento īpašību pētījumi. Cinka oksīds ir perspektīvs materiāls vairākiem iespējamiem pielietojumiem – ļoti ātru scintilatoru izveidei, jaunas paaudzes luminiscentiem gaismas avotiem, elektrovadošiem optiski caurspīdīgiem pārklājumiem, jaunas paaudzes lāzeru materiāliem. Cinka oksīda monokristālu, nanokristālu un keramiku luminiscences un īsi dzīvojošās inducētās absorbcijas pētījumi ir snieguši jaunas zināšanas par materiālā notiekošajiem procesiem.

Attīstīti vairāki PEO virzieni:

  1. Pirmais PEO pārklājums ar novēroto reto zemju luminiscenci (Eu3+ no Al­2O3 matricas)
  2. Izstrādāta jauna PEO pārklājumu leģēšanas metode (trīs pakāpienu poru aizpildīšana)
  3. PEO pārklājums dozimetriskiem pielietojumiem
  4. PEO pārklājums ar SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ , kurš izrāda ilgspīdošas luminescences īpašības

Aizvadītajā dekādē SiO2 pētniecībā mūsu laboratorijā iegūta virkne rezultātu ar būtisku fundamentālu un praktisku nozīmi.

Noteiktas optiskās īpašības tehnoloģiski nozīmīgajām starpmezglu hlora molekulām sintētiskajā SiO2 stiklā un pirmoreiz parādīta starpmezglu Cl2O molekulu veidošanās Cl2 molekulu ķīmiskā reakcijā ar fotolītiskiem starpmezglu skābekļa atomiem.

Tika izpētīta SiO2 amorfā stāvokļa ietekme uz punktdefektu veidošanos un tika parādīts, ka vakanču –starpmezglu (“Frenkeļa”) mehānisms ir efektīvāks nekā saišu disociācijas (‘norauto saišu”) mehānisms, bet abu mehānismu efektivitāti pastiprina amorfā stāvokļa nesakārtotība.

Starpmezglu skābekļa molekulu un starpmezglu O atomu difūzija SiO2 stikla tīklā tika pētīta ar 18O izotopu bagātināšanas metodi un tika parādīts, ka termiskā starpmezglu O difūzija notiek ar tīkla apmaiņas mehānismu, peroksīda tiltiņu Si-O-O-Si formā, bet ierosinātā stāvoklī O var difundēt tīrā starpmezglu formā, bez apmaiņas ar skābekļa atomiem stikla tīklā.

Tika noteikts skābekļa norauto saišu (“NBOHC”centru) optiskās absorbcijas spektrs dziļajā UV un vakuuma UV spektrālajā diapazonā. Šiem punktdefektiem ir īpaša nozīme praktiskos pielietojumos, jo tie ir spēcīgi optiskās absorbcijas centri, un tie rodas praktiski jebkurā apstarotā SiO2 stiklā. Pirms mūsu darba to precīzs absorbcijas spektrs dziļajā UV un vakuuma UV apgabalā nebija zināms, jo to absorbciju nebija izdevies atdalīt no daudzu citu defektu absorbcijas šajā spektrālajā rajonā.

Tika izpētīta ar fosforu saistītā luminiscence SiO2 kristālos un stiklos. Tika atrasta jauna UV luminiscences josla (4.6 eV) ar atbilstošo ierosmes joslu pie 7.1 eV. Tā tiek saistīta ar tetraedriski koordinētu fosfora atomu (“P2+ - centru” vai PO43− komplekso jonu) SiO2 stikla tīklā.

Tika veiktas salīdzinošas luminiscences īpašību studijas dažādos SiO2 kristāliskajos polimorfos (α-kvarcā, kristobalītā, koezītā un stišovītā) ar skābekļa deficītu saistītajiem pašvielas defektiem un eksitoniem.

Šie pētījumi ir labi pazīstami starptautiskajā zinātnieku, kuri strādā šajā nozarē vidē, un laboratorijas pētnieki ir publicējuši vairākus pārskata rakstus par SiO2 – bāzēto optisko materiālu problēmām.

Absorbcijas spektroskopija

FTIR spektrometrija: EQUINOX 55 (10000–400 cm-1 un 22000–7000 cm‑1 spektrālam diapazonam) ar iespēju pētīt dispersos materiālus;

LABOMED spektrometrs UV-VIS diapazonā;

Ar elektrona kūli ierosināta inducētā absorbcija.

Luminiscentā spektroskopija

Luminiscences ierosmei ir pieejami dažādi avoti – impulsu elektronu paātrinātājs (10 ns, 270 keV, 1012 electrons/pulse); rentgenstari; YAG:Nd lāzers (266 nm, 532 nm), slāpekļa lāzers (337 nm); nepārtrauktā starojuma deiterija un ksenona lampas. Luminiscences detektēšana notiek ar automatizētu sistēmu – difrakcijas monohromators ar tā izejā pievienotu fotoelektronu pavairotāju vai CCD kameru. Luminiscences ar laika izšķiršanu detektēšanai izmanto fotonu skaitīšanu moduli un daudzkanālu atmiņas moduli, kura minimālais laika kanāla platums ir 250 ps. Iespējama arī absorbcijas un luminiscences reģistrācija, izmantojot ātrdarbīgu digitālu atmiņas oscilogrāfu.

Iekārta luminiscences ierosmes spektru reģistrācijai.

Izstrādāta TSL metodika ar dažādiem temperatūras regulēšanas režīmiem un frakcionētās luminiscences mērījumu iespējām ar semiautomātisko aktivācijas enerģiju aprēķiniem.

Pārklājumu sintēze ar plazmas elektrolitiskās oksidēšanas metodi. Izstrādāta metodika Al2O3, ZnO, TiO2, ZrO2 pārklājumu sintēzei, kā nedopētiem, tā arī ar RE joniem dopētiem pārklājumiem.

  • Vakuuma ultravioleta monohromatori optiskajai spektroskopijai diapazonā 120nm< λ<190nm: McPherson 234/302, VM2.
  • Vakuuma ultravioletā starojuma avoti – deiterija lampas ar MgF2 logu (diapazons 120nm< λ<350nm): Heraeus PSD 200 /D200-VUV un Hamamatsu L10366.
  • Eksimēru lāzers PSX-100 (λ= 157nm, impulsa garums 5ns).
  • CCD spektrogrāfi Andor Newton DU971/Shamrock303 un Hamamatsu 10082CAH UV-redzamajai un tuvajai infrasarkanai spektra daļām.
  • Monohromatori MDR-2, AMKO LTI spektra UV-redzamajai un tuvajai infrasarkanai spektra daļām un atbilstoši fotelektronu pavairotāji.
  • Daudzkanālu fotonu skaitītājs kinētisko mērījumu veikšanai nanosekunžu un garākos laika intervālos (Fastcomtec 7882).
  • Kriostati un hēlija refrižerators optisko mērījumu veikšanai 10 -300 K temperatūru intervālā (Heraeus RW2/RGD210/ROK 10-300).
  • Optiskie elementi un aprīkojums daudzveidīgi pārkonfigurējamiem luminiscences un Ramana izkliedes mērījumiem (optomehāniskās detaļas, filtri, gaismas avoti, detektori, programmapgāds).
  • Rentgeniekārta paraugu apstarošanai (50kV, 15mA URS60).
  • Aprīkojums šķiedru optisko gaismasvadu zudumu un ultravioletās gaismas vai jonizējošās radiācijas inducētās absorbcijas mērīšanai spektrālajā diapazonā no tuvā infrasarkanā (1.5 μ)  līdz vakuuma UV (180 nm) rajonam: optiskie pozicionētāji, gaismas avots Ocean Optics  DH2000, SMA905 standarta optiskie pievadkabeļi.

Bite, I., Krieke, G., Zolotarjovs, A., Laganovska, K., Liepina, V., Smits, K., Auzins, K., Grigorjeva, L., Millers, D., Skuja, L. Novel method of phosphorescent strontium aluminate coating preparation on aluminum (2018) Materials and Design, 160, pp. 794-802. DOI: 10.1016/j.matdes.2018.10.021

Joost, U., Šutka, A., Oja, M., Smits, K., Döbelin, N., Loot, A., Järvekülg, M., Hirsimäki, M., Valden, M., Nõmmiste, E. Reversible Photodoping of TiO2 Nanoparticles for Photochromic Applications (2018) Chemistry of Materials, 30 (24), pp. 8968-8974.  DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b04813

Labrador-Páez, L., Jovanović, D.J., Marqués, M.I., Smits, K., Dolić, S.D., Jaque, F., Stanley, H.E., Dramićanin, M.D., García-Solé, J., Haro-González, P., Jaque, D. Unveiling Molecular Changes in Water by Small Luminescent Nanoparticles (2017) Small, 13 (30), art. no. 1700968, .  DOI: 10.1002/smll.201700968

Skuja, L., Kajihara, K., Smits, K., Silins, A., Hosono, H. Luminescence and Raman Detection of Molecular Cl2 and ClClO Molecules in Amorphous SiO2 Matrix (2017) Journal of Physical Chemistry C, 121 (9), pp. 5261-5266.  DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b13095

Polyakov, B., Kuzmin, A., Smits, K., Zideluns, J., Butanovs, E., Butikova, J., Vlassov, S., Piskunov, S., Zhukovskii, Y.F. Unexpected epitaxial growth of a few WS2 Layers on {1100} facets of ZnO nanowires (2016) Journal of Physical Chemistry C, 120 (38), pp. 21451-21459.  DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b06139

Kajihara, K., Skuja, L., Hosono, H. Diffusion and reactions of photoinduced interstitial oxygen atoms in amorphous SiO2 impregnated with 18O-labeled interstitial oxygen molecules (2014) Journal of Physical Chemistry C, 118 (8), pp. 4282-4286.  DOI: 10.1021/jp412606a

Šutka, A., Käämbre, T., Joost, U., Kooser, K., Kook, M., Duarte, R.F., Kisand, V., Maiorov, M., Döbelin, N., Smits, K. Solvothermal synthesis derived Co-Ga codoped ZnO diluted magnetic degenerated semiconductor nanocrystals (2018) Journal of Alloys and Compounds, 763, pp. 164-172.  DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.05.036

Šutka, A., Vanags, M., Joost, U., Šmits, K., Ruža, J., Ločs, J., Kleperis, J., Juhna, T. Aqueous synthesis of Z-scheme photocatalyst powders and thin-film photoanodes from earth abundant elements (2018) Journal of Environmental Chemical Engineering, 6 (2), pp. 2606-2615.  DOI: 10.1016/j.jece.2018.04.003

Šutka, A., Döbelin, N., Joost, U., Smits, K., Kisand, V., Maiorov, M., Kooser, K., Kook, M., Duarte, R.F., Käämbre, T. Facile synthesis of magnetically separable CoFe2O4/Ag2O/Ag2CO3 nanoheterostructures with high photocatalytic performance under visible light and enhanced stability against photodegradation (2017) Journal of Environmental Chemical Engineering, 5 (4), pp. 3455-3462.  DOI: 10.1016/j.jece.2017.07.009

Grigorjeva, L., Millers, D., Smits, K., Zolotarjovs, A. Gas sensitive luminescence of ZnO coatings obtained by plazma electrolytic oxidation (2015) Sensors and Actuators, A: Physical, 234, pp. 290-293.  DOI: 10.1016/j.sna.2015.09.018