>

Zespół Fotoniki i Nanotechnologii z Politechniki Śląskiej

Zespół Fotoniki i Nanotechnologii z Politechniki Śląskiej jest wielopokoleniowym interdyscyplinarnym zespołem naukowców, złożonym z fizyków, chemiczek, mechatronika i biotechnologa.

Działalność badawcza Zespołu realizowana w ramach projektu HYPHa związany jest z projektowaniem, wytwarzaniem i charakteryzacją struktur optyki zintegrowanej, głównie do zastosowań w planarnych czujnikach światłowodowych. Fundamentem dla tej tematyki badawczej są opracowane w Zespole kompozytowe warstwy falowodowe SiOx:TiOy o wysokim współczynniku załamania (1.8), wytwarzane metodą zol-żel i techniką dip-coating. Projektowanie struktur optyki zintegrowanej wspomagane jest analizami teoretycznymi prowadzonymi z użyciem komercyjnego oprogramowania oraz programów autorskich członków Zespołu. Wytwarzane struktury charakteryzowane są głównie metodami optycznymi, z użyciem urządzeń komercyjnych, jak również i autorskich układów pomiarowych.

Tematyka badawcza Zespołu koncentruje się przede wszystkim na zagadnieniach technologicznych, których celem jest dalszy rozwój metod wytwarzania kompozytowych warstw falowodowych SiOx:TiOy a w szczególności opracowanie warstw falowodowych o projektowanym współczynniku załamania z zakresu od ~1.5 do ponad 1.9. Poprzez dwu- bądź trzykrotne nakładania warstw na jedno podłoże, wytwarzane są warstwy falowodowe o grubościach odpowiednich do zastosowań w zakresie spektralnym NIR (1550 nm). Niezadawalająca jakość powierzchni dostępnych podłoży szklanych stała się pretekstem do podjęcia badań nad opracowaniem metody ich wygładzania również z wykorzystaniem metody zol-żel i techniki dip-coating. Ważnym wątkiem badawczym realizowanym w ramach projektu HYPHa są warstwy aktywne, które wytwarzane są poprzez domieszkowanie opracowanych warstw falowodowych jonami wybranych lantanowców. Równolegle prowadzone są badania technologiczne nad rozwojem warstw krzemionkowych i warstw ditlenku tytanu TiO2.

Dr hab. inż. Paweł Karasiński
Absolwent Wydziału Matematyczno-Fizycznego Politechniki Śląskiej, kierunek podstawowe problemy techniki – fizyka techniczna, Kariera naukowa: mgr inż. 1986 (fizyka), doktorat 1998 (fizyka), habilitacja 2013 (elektronika). Tematyka badawcza: uprawiana tematyka badawcza związana jest z projektowaniem, wytwarzaniem i charakteryzacją planarnych struktur światłowodowych do zastosowań w czujnikach pracujących w technice spektroskopii pola zanikającego. Wytwarzanie warstw dielektrycznych i struktur wielowarstwowych metodą zol-żel i techniką dip-coating a w szczególności warstw falowodowych, zwierciadeł dielektrycznych, struktur antyrefleksyjnych i warstw wielofunkcyjnych. Autor i współautor 115 publikacji naukowych indeksowanych w bazie Scopus (IF=99,807) i 1 rozdziału w książce (h=13).
Projekty: kierownik w 6 projektach, KBN, MNiSW, OPUS 3 i OPUS 13 (NCN), TANGO 3 (NCBiR), lider grupy badawczej z Politechniki Śląskiej w projekcie FNP-HYPHa, wykonawca w 11 innych projektach. Nagrody i wyróżnienia: stypendium promocyjne FIATa za pracę doktorską, liczne nagrody Rektora Politechniki Śląskiej za osiągnięcia naukowe, laureat Polskiej Nagrody Inteligentnego Rozwoju 2020, srebrny medal XIV Międzynarodowych Targów Wynalazków i Innowacji w Katowicach za „Innowacyjny fotoniczny system pomiarowy do zastosowań biomedycznych”.

https://orcid.org/0000-0002-5436-9212

https://www.researchgate.net/profile/Pawel-Karasinski

Dr hab. inż. Cuma Tyszkiewicz
Absolwent Wydziału Matematyczno-Fizycznego Politechniki Śląskiej, specjalność fizyka techniczna – optoelektronika. Kariera naukowa: Mgr inż. 2001 (fizyka), Dr 2006 (fizyka), Dr hab. 2019 (elektronika). Autor 48 publikacji (IF=37.2, h=10). Wykonawca w 7 projektach krajowych i zagranicznych. Obszarze jego zainteresowań badawczych obejmuje teoretyczne i eksperymentalne zagadnienia propagacji fal elektromagnetycznych w układach optyki zintegrowanej w szczególności bazujących na warstwach falowodowych SiOx-TiOy. Należy do towarzystw naukowych OPTICA i IEEE. Działalność edytorska: Edytor gościnny w czasopiśmie Energies i Photonics (MDPI). Nagrody i wyróżnienia: liczne nagrody Rektora Politechniki Śląskiej za osiągnięcia naukowe, srebrny medal XIV Międzynarodowych Targów Wynalazków i Innowacji w Katowicach za „Innowacyjny fotoniczny system pomiarowy do zastosowań biomedycznych”.

https://orcid.org/0000-0001-9724-5183

https://www.researchgate.net/profile/Cuma-Tyszkiewicz

Dr inż. Paweł Kielan
Absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Śląskiej, specjalność mechatronika i robotyka. Kariera naukowa: Mgr inż. 2004, Dr inż. 2011, Tytuł rozprawy doktorskiej: Aspekty sterowania urządzeniami mechatronicznymi przez Internet – analiza protokołu TCP/IP. Autor 60 publikacji naukowych i referatów konferencyjnych indeksowanych w bazie Web of Science i w bazie Scopus oraz autor w czasopismach wysoko punktowanych: Electronics, Robotics, Materials oraz w Biuletynie Polskiej Akademi Nauk. Wykonawca w 9 projektach krajowych i zagranicznych. Działalność edytorska: Recenzent gościnny w czasopiśmie Applied Sciences i Electronics.
Do jego zainteresowań naukowych należą metody oraz algorytmy sterowania urządzeniami mechatronicznymi, przetwarzanie sygnałów, przetwarzanie obrazów, sterowanie systemami mechatronicznymi poprzez sieć Internet, robotyka, elektrotechnika.

https://orcid.org/0000-0002-5648-2120

https://www.researchgate.net/profile/Pawel-Kielan

dr Katarzyna Wojtasik
Absolwentka Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego w 2005, specjalność: nowoczesna synteza i fizykochemia organiczna. Stopień doktora nauk ścisłych i przyrodniczych w dyscyplinie nauki chemiczne uzyskała w styczniu 2020 r. na Uniwersytecie Opolskim (Wydział Chemii). Od lipca 2020 zatrudniona jest na Politechnice Śląskiej w Katedrze Optoelektroniki, gdzie odbywa staż podoktorski w ramach projektu TEAM-NET. W projekcie zajmuje się technologią wytwarzania cienkich warstw metodą zol-żel oraz charakteryzacją warstw do zastosowań w optoelektronice. Pracuje także na Politechnice Krakowskiej w Katedrze Fizyki, gdzie prowadzi badania w zakresie nanotechnologii i struktur warstwowych do zastosowań w optoelektronice. Członkini Polskiego Towarzystwa Chemicznego.

https://orcid.org/0000-0002-2022-842X

https://www.researchgate.net/profile/Katarzyna-Wojtasik-2

Mgr inż. Magdalena Zięba
Absolwentka studiów magisterskich na kierunku Chemia, specjalność Chemia Bioorganiczna (2016 r.) na Wydziale Chemii Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Po ukończeniu studiów przez 3.5 roku pracowała w Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych PAN w Zabrzu na stanowisku asystenta, gdzie zdobyła cenne doświadczenie naukowe. Obecnie jest doktorantką Wspólnej Szkoły Doktorskiej przy Politechnice Śląskiej w dyscyplinie automatyka, elektronika i elektrotechnika. Brała udział w realizacji 4 projektów badawczych finansowanych ze źródeł krajowych oraz europejskich, z czego w dwóch aktualnie prowadzi badania. Współautorka 17 publikacji naukowych wydanych w czasopismach z tzw. listy Filadelfijskiej (IF=58.135). Liczba cytowani w bazie Scopus 92 (h=6). Obecnie obszarem jej aktywności naukowej są badania technologiczne nad wytwarzaniem warstw optycznych metodą zol-żel i techniką dip-coating. Istotnym elementem prowadzonych badań naukowych są badania technologiczne nad kompozytowymi warstwami falowodowymi domieszkowanymi jonami lantanowców oraz ich charakteryzacja.

https://orcid.org/0000-0002-0126-031X

https://www.researchgate.net/profile/Magdalena-Zieba-4

Mgr Mateusz Wdowiak
Jest absolwentem studiów licencjackich oraz magisterskich na kierunku Biotechnologia, specjalność Biotechnologia molekularna, na Wydziale Biologii Uniwersytetu Warszawskiego. Obecnie jest doktorantem w ramach Warszawskiej Szkoły Doktorskiej Nauk Ścisłych i BioMedycznych, w Instytucie Chemii Fizycznej PAN. Jest współautorem publikacji naukowej oraz rozdziału książki publikowanej przez Springer Nature. W ramach doktoratu zajmuje się opracowaniem nowatorskich detektorów bakterii patogennych, opartych na bakteriofagach. Jego zainteresowania naukowe skupiają się również na metodach modyfikacji powierzchni, umożliwiających m.in. ulepszenie długoterminowego przechowywania materiałów biologicznych, oraz wykorzystania ich w charakterze powierzchni sensorycznych.

Zespół Fotoniki i Nanotechnologii z Politechniki Śląskiej w ramach projektu HYPHa zajmuje się następującymi zagadnieniami:

Rozkład pola symetrycznego modu TE w sprzęgaczu kierunkowym
Procesy w metodzie zol-żel

metodą zol-żel, która jest chemicznym sposobem wytwarzania materiałów z fazy ciekłej a jej najważniejszą zaletą jest możliwość kontroli struktury materiału i homogeniczności na poziomie cząsteczkowym. Zespół posiada duże doświadczenia w zakresie syntezy jednoskładnikowych zoli SiO2, TiO2 i zoli dwuskładnikowych SiOx:TiOy. oraz w zakresie wytwarzania z nich warstw metodą dip-coating. Z zoli dwuskładnikowych wytwarzane są warstwy falowodowe. Na etapie przygotowania zolu wprowadzone mogą być do niego domieszki modyfikujące jego właściwości. W ten sposób wytwarzane są warstwy aktywne. Stosując odpowiednie surfaktanty lub porogeny można kontrolować porowatość wytwarzanego materiału.

Obraz warstwy falowodowej i światłowodu planarnego pobudzonego sprzęgaczem pryzmatycznym
Obraz warstwy falowodowej i światłowodu planarnego pobudzonego sprzęgaczem pryzmatycznym

pasywnymi warstwami falowodowymi wytwarzanymi metodą zol-żel i techniką dip-coating do zastosowań w planarnych czujnikach światłowodowych. Rutynowo wytwarzane są kompozytowe warstwy falowodowe SiOx:TiOy o stosunku molowym Si:Ti=1:1 i współczynniku załamania 1,8. Grubości tych warstw falowodowych są na poziomie ~200 nm a szorstkości powierzchni (rms) poniżej 0,2 nm. Dla tych warstw falowodowych osiągnięto rekordowo niskie straty optyczne <0,2 dB/cm. Warstwy te cechują się wieloletnią stabilnością parametrów. Nakładając kolejno dwie lub trzy warstwy wytwarzane są warstwy falowodowe o grubościach odpowiednich do zastosowań w zakresie spektralnym NIR (1550 nm). Dobierając inne proporcje krzemu i tytanu można uzyskiwać inne współczynniki załamania. Wykorzystując te możliwości opracowano warstwy falowodowe o współczynnikach załamania z zakresu od ~1,5 do ponad 1,9, które są nadal rozwijane. Głównym źródłem strat w wytwarzanych światłowodach planarnych jest rozpraszanie na defektach powierzchni podłoża. Dla wygładzania powierzchni podłoży opracowano warstwy o współczynniku załamania równym współczynnikowi załamania podłoża.

Widma fotoluminescencyjne warstw kompozytowych SiOx:TiOy o różnej zawartości erbu
Widma fotoluminescencyjne warstw kompozytowych SiOx:TiOy o różnej zawartości erbu

aktywnymi warstwami falowodowymi do zastosowań w optyce zintegrowanej, które wytwarzane są na bazie opracowanych pasywnych warstw falowodowych. Na etapie formowania zolu dodawane są do niego sole lantanowców. Przedmiotem badań jest wpływ lantanowców na krystalizację TiO2, jak również i wpływ zawartości TiO2 w kompozytowych warstwach falowodowych SiOx:TiOy domieszkowanych lantanowcami na ich właściwości fotoluminescencyjne. Zakładanym celem tego wątku badawczego jest opracowanie aktywnych struktur optyki zintegrowanej do zastosowań we wzmacniaczach optycznych i w planarnych laserach światłowodowych.

Charakterystyki odbiciowe warstw kompozytowych SiOx:TiOy o różnych grubościach
Charakterystyki odbiciowe warstw kompozytowych SiOx:TiOy o różnych grubościach
Obraz AFM powierzchni kompozytowej warstwy falowodowej SiOx:TiOy o szorstkości rms=0.23 nm
Obraz AFM powierzchni kompozytowej warstwy falowodowej SiOx:TiOy o szorstkości rms=0.23 nm

charakteryzacją warstw wytwarzanych metodą zol-żel i techniką dip-coating. Rutynowymi metodami badawczymi wytwarzanych warstw jest spektrofotometria oraz elipsometria monochromatyczna i spektroskopowa. Morfologia powierzchni badana jest metodą mikroskopii sił atomowych. Członkowie Zespołu posiadają duże doświadczenie w posługiwaniu się tymi metodami badawczymi. Podstawowymi charakterystykami technologicznymi są zależności wpływu szybkości wynurzania podłoża z zolu na grubość warstwy i jej współczynnik załamania. Pomiary te wykonywane są z użyciem elipsometru monochromatycznego SENTECH SE 400. Elipsometria monochromatyczna stosowana jest do wyznaczania grubości i współczynników załamania wytwarzanych warstw. Metody spektrofotometryczne w zakresie 190 nm do 1700 nm używane są do wyznaczania położenia krawędzi i pasm absorpcyjnych oraz do określania jednorodności optycznej wytwarzanych warstw. Metodą elipsometrii spektroskopowej wyznaczane są charakterystyki dyspersyjne współczynników załamania i ekstynkcji, które wykorzystywane są w analizach teoretycznych. Morfologia powierzchni wytwarzanych warstw badana jest metodami mikroskopii sił atomowych AFM i skaningowej mikroskopii elektronowej SEM.

Rozkład pola symetrycznego modu TE w sprzęgaczu kierunkowym
Rozkład pola symetrycznego modu TE w sprzęgaczu kierunkowym

analizą i projektowaniem planarnych struktur światłowodowych która jest realizowana z wykorzystaniem autorskich programów członków Zespołu oraz z użyciem komercyjnego oprogramowania FIMMPROP i FIMMWAVE. Autorskie programy wykorzystywane są głównie do analizy jednowymiarowych struktur fotonicznych, jak również do wstępnej analizy niektórych struktur dwuwymiarowych. Oprogramowanie FIMMPROP i FIMMWAVE wykorzystywane jest do analizy teoretycznej struktur paskowych optyki zintegrowanej a otrzymywane wyniki są wykorzystywane do projektowania tych struktur i jednocześnie do projektowania wzorów masek fotolitograficznych.

2021

1. Butt M. A., Kaźmierczak A., Tyszkiewicz C., Karasiński P., Piramidowicz R., Mode sensitivity exploration of silica-titania waveguide for refractive index sensing applications, Sensors 2021 vol. 21iss. 22s. 1-14 (art. no. 7452), DOI: 10.3390/s21227452

2. Zięba M., Wojtasik K., Tyszkiewicz C., Gondek E., Nizioł J., Suchanek K., Wojtasik M., Pakieła W., Karasiński P., High refractive index silica-titania films fabricated via sol-gel method and dip-coating technique – physical and chemical characterization, Materials 2021 vol. 14iss. 23s. 1-20 (art. no. 7125), DOI: 10.3390/ma14237125