EMaciak Autoreferat vF...E. Maciak, Autoreferat 3 1. Imię i Nazwisko Erwin Maciak 2. Posiadane...

Załącznik 3A

AUTOREFERAT

przedstawiający opis dorobku i osiągnięć naukowych,

w szczególności określonych w art. 16 ust. 2 ustawy

dr inż. Erwin MACIAK Politechnika Śląska Wydział Elektryczny

Katedra Optoelektroniki 44-100 Gliwice, ul. B. Krzywoustego 2

[email protected]

Gliwice 2019 r.

E. Maciak, Autoreferat

2

Spis treści

1. Imię i Nazwisko ....................................................................................................3

2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe/ artystyczne ......................................3

3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych ...3

4. Wskazanie osiągnięcia naukowego .................................................................4

4.1. Tytuł osiągnięcia naukowego ................................................................ 4

4.2. Wykaz publikacji stanowiących osiągnięcie naukowe ...................... 4

4.3. Omówienie celu naukowego osiągnięcia, uzyskanych wyników oraz

wskazanie ich ewentualnego wykorzystania .............................................. 7

4.3.1. Wprowadzenie ……………………………………….…………………..... 7

4.3.2. Motywacja i cel podjęcia badań oraz osadzenie ich w aktualnej

problematyce naukowej dziedziny …..…………………………………..….. 7

4.3.3. Założenia badań własnych ……………………..………………..…… 11

4.3.4. Światłowodowe i optoelektroniczne niskokoherentne

interferencyjne struktury sensorowe w czujnikach gazów …….……….. 15

4.3.5 Opto- i mikroelektroniczne struktury sensorowe z organicznymi

receptorami do selektywnej i dedykowanej sorpcji wybranych analitów

gazowych ………………………………………………………………….....….. 24

4.3.6. Znaczenie badań dla rozwoju elektroniki ………………………..… 32

4.3.7. Podsumowanie badań własnych w ramach osiągnięcia …….... 33

5. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo – badawczych ..................... 35


3

1. Imię i Nazwisko

Erwin Maciak

2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe/ artystyczne

mgr inżynier

Gliwice 2000, Politechnika Śląska, Wydział Matematyczno-Fizyczny, kierunek Fizyka Techniczna, specjalność: optoelektronika, dyplomowa praca magisterska pt. „Wykonanie objętościowego czujnika plazmonowego w układzie Kretschmanna”, promotor prof. dr hab. inż. Aleksander Opilski. Studia ukończone z wyróżnieniem.

doktor nauk fizycznych

Gliwice 2005, Politechnika Śląska, Wydział Matematyczno-Fizyczny, rozprawa doktorska pt. „Wykorzystanie sensorowych struktur warstwowych metal-dielektryk-

metal do optycznej detekcji wodoru” (obroniona z wyróżnieniem) promotor prof. dr hab. inż. Marian Urbańczyk.

3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych

Okres zatrudnienia Jednostka naukowa, stanowisko 1.10.2000 – 1.06.2005 Politechnika Śląska, Wydział Matematyczno-Fizyczny,

Instytut Fizyki, doktorant (pensum dydaktyczne asystenta);

1.10.2005 – 30.09.2006 Politechnika Śląska, Wydział Matematyczno-Fizyczny,

Instytut Fizyki, asystent z doktoratem; 1.10.2006 – 30.09.2009 Politechnika Śląska, Wydział Matematyczno-Fizyczny,

Instytut Fizyki, adiunkt; 1.10.2009 – obecnie Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny,

Katedra Optoelektroniki, adiunkt.

Adres miejsca zatrudnienia: Politechnika Śląska Wydział Elektryczny Katedra Optoelektroniki ul. B. Krzywoustego 2 44-100 Gliwice


4

4. Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.):

4.1. Tytuł osiągnięcia

Moim osiągnięciem naukowym uzyskanym po otrzymaniu stopnia doktora, stanowiącym znaczny wkład w rozwój dyscypliny naukowej elektronika, określonym w art. 16. ust. 2 Ustawy, jest cykl publikacji powiązanych tematycznie pod zbiorczym tytułem:

Wytwarzanie i badania struktur sensorowych na bazie przewodzących materiałów receptorowych w

optoelektronicznych i mikroelektronicznych czujnikach gazów

4.2. Wykaz publikacji stanowiących osiągnięcie naukowe

Cykl publikacji jednotematycznych i wytworów tworzących wskazywane osiągnięcie naukowe obejmuje 10 [A1, A2, A4, A6 - A12] artykułów i 2 [A3, A5] recenzowane materiały konferencyjne. Prace naukowe są indeksowane w bazie Web of Science (WoS).

Cykl publikacji powiązanych tematycznie [A1] E. Maciak, Z. Opilski.

Transition metal oxides covered Pd film for optic al H2 gas detection. Thin Solid Films vol. 515 iss. 23, (2007) s. 8351-8355.

DOI: 10.1016/j.tsf2007.03.022 IF: 1.693 (24 pkt.) Wkład habilitanta w powstanie pracy: 75%

[A2] E. Maciak, Z. Opilski. Hydrogen gas detection by means of a fiber optic interferometer sensor. Journal de Physique IV. Proc.; vol. 137, (2006), s. 135-140.

DOI: 10.1051/jp4:2006137027 IF: 0.315 (bd.) Wkład habilitanta w powstanie pracy: 75%

[A3] E. Maciak. Fiber optic sensor for H2 gas detection in the presence of methane based on Pd/WO3 low-coherence interferometric structure. Proceedings of SPIE. vol. 10455, (2017) UNSP 104550W. 12th Conference on Integrated Optics - Sensors, Sensing Structures, and Methods, Szczyrk, POLAND, FEB 27-MAR 03, 20176

DOI: 10.1117/12.2282891 Conference WoS (15 pkt.) Wkład habilitanta w powstanie pracy: 100%

[A4] E. Maciak. Low-Coherence Interferometric Fiber Optic Sensor for Humidity Monitoring based on Nafion® Thin Film. Sensors vol. 19 (3), (2019) s. 1-20

DOI: 10.3390/s19030629 IF: 2.475 (30 pkt.) Wkład habilitanta w powstanie pracy: 100%


5

[A5] E. Maciak. Optical fiber coated with Nafion® thin film for humidity sensing. Proceedings of SPIE. vol. 10034, (2016) UNSP 100340N. 11th Conference on Integrated Optics - Sensors, Sensing Structures, and Methods, Szczyrk, POLAND, FEB 29-MAR 04, 2016

DOI: 10.1117/12.2244821 Conference WoS (15 pkt.) Wkład habilitanta w powstanie pracy: 100%

[A6] T. Pustelny, E. Maciak, Z. Opilski, M. Bednorz. Optical interferometric structures for application in gas sensors. Optica Applicata. vol. 37 no. 1/2, (2007) s. 187-194.

DOI: b.d. IF: 0.284 (10 pkt.) Wkład habilitanta w powstanie pracy: 50%

[A7] E. Maciak, T. Pustelny. An optical ammonia (NH3) gas sensing by means of Pd/CuPc interferometric nanostructures based on white light interferometry. Sensors and Actuators, B Chem. vol. 189, (2013) s. 230-239.

DOI: 10.1016/j.snb.2013.04.051 IF: 3.840 (40 pkt.) Wkład habilitanta w powstanie pracy: 85%

[A8] E. Maciak, M. Procek, K. Kępska, A. Stolarczyk. Study of optical and electrical properties of thin films of the conducting comb-like graft copolymer of polymethylsiloxane with poly(3-hexyltiophene) and poly(ethylene) glycol side chains for low temperature NO2 sensing. Thin Solid Films vol. 618 Pt B, (2016) s. 277-285.

DOI: 10.1016/j.tsf.2016.08.031 IF: 1.879 (30 pkt.) Wkład habilitanta w powstanie pracy: 50%

[A9] A. Rydosz, E. Maciak, K. Wincza, S. Gruszczyński. Microwave-based sensors with phthalocyanine films for acetone, ethanol and methanol detection. Sensors and Actuators, B Chem. vol. 237, (2016) s. 876-886.


[A10] K. Staszek, A. Rydosz, E. Maciak, K. Wincza, S. Gruszczyński. Six-port microwave system for volatile organic compounds detection. Sensors and Actuators, B Chem. vol. 245, (2017) s. 882-894.


[A11] W. Jakubik, M. Urbańczyk, E. Maciak. Metal-free phthalocyanine and palladium sensor structure with a polyethylene membrane for hydrogen detection in SAW systems. Sensors and Actuators, B Chem. vol. 127 iss. 2, (2007) s. 295-303.


[A12] W. Jakubik, M. Krzywiecki, E. Maciak, M. Urbańczyk. Bi-layer nanostructures of CuPc and Pd for resistance-type and SAW-type hydrogen gas sensors. Sensors and Actuators, B Chem. vol. 175, (2012) s. 255-262.



6

Podsumowanie cyklu publikacji w liczbach

Sumaryczny impact factor (IF) ww. prac wg bazy Journal Citation Raport

(JCR) przyjęty zgodnie z rokiem opublikowania pracy wynosi: 28,023.

Sumaryczna liczba punktów przyznawanych przez MNiSW dla prac zaliczonych do osiągnięcia wynosi: 308 pkt. Punktację podano zgodnie z rokiem opublikowania prac.

Średni, szacowany wkład habilitanta w pracach, na podstawie których

przedstawiono ww. osiągnięcie naukowe wynosi 65,8%


7

4.3. Omówienie celu naukowego osiągnięcia, uzyskanych wyników oraz wskazanie ich ewentualnego wykorzystania

4.3.1. Wprowadzenie

Zasadniczym celem naukowym moich prac badawczo-rozwojowych prowadzonych po doktoracie było projektowanie, wytwarzanie, charakteryzacja i badania właściwości struktur

sensorowych do zastosowań w światłowodowych, optoelektronicznych i mikroelektronicznych czujnikach gazów.

Unikalność zaproponowanych rozwiązań czujnikowych, przedstawionych w osiągnięciu, z jednej strony jest związana z opracowaniem i wykonaniem dedykowanych i skutecznych

konfiguracji opto- i mikroelektronicznych przetworników pomiarowych. Natomiast drugi aspekt nowości, dotyczy wykorzystania w tych strukturach, jako materiałów

aktywnych, klasy przewodzących materiałów receptorowych obejmujących: - chemo(gazo)chromowe półprzewodzące tlenki metali przejściowych (TMO, ang.

Transition Metal Oxide) wytwarzane technikami PVD (ang. Physical Vapour Deposition); - przewodzące kopolimery blokowe szczepione bocznymi grupami funkcyjnymi;

- półprzewodzące ftalocyaniny (Pc) i metaloftalocyaniny (MPc); Przetworniki zaprojektowałem i wykonałem z założeniem i uwzględnieniem optymalnego

wykorzystania czujnikowych właściwości ww. przewodzących, innowacyjnych materiałów receptorowych.

Rys. 1. Schematyczna budowa i proces transformacji sygnału w czujniku gazu.

4.3.2. Motywacja i cel podjęcia badań oraz osadzenie ich w aktualnej problematyce naukowej dziedziny

Dynamiczny i ciągły rozwój cywilizacji niesie za sobą skutki uboczne w postaci szeregu

zagrożeń, o których nie zawsze pamiętano w dotychczasowym rozwoju technicznym i postrzeganiu katalogu potencjalnych zagrożeń. W ostatnich latach częstotliwość

występowania zanieczyszczeń w postaci lotnych związków organicznych (VOC, ang. Volatile Organic Compounds) oraz niepożądanych, groźnych dla zdrowia i życia substancji stale


8

wzrasta, powodując zmianę w naszym rozumieniu zanieczyszczenia środowiska miejskiego.

Pogłębiająca się globalna świadomość czynników wpływających na nasze zdrowie i jakość życia, poparta szeregiem długofalowych badań, wymusza poszukiwanie nowych materiałów

i technologii sensorowych, które są w stanie sprostać aktualnym i przewidywanym wyzwaniom, przed którymi obecnie stoi nasza cywilizacja. Niewątpliwie, należy do nich detekcja

zanieczyszczeń powietrza, gruntu i wody, kontrola przemysłowych procesów technologicznych, bezpieczeństwo obiektów infrastruktury krytycznej czy detekcja markerów

chorobowych.

Nowoczesna sensoryka XXI w. to układy związane z rozwiązaniami autonomicznymi, internetem rzeczy (IoT, ang. Internet of Things), sztuczną inteligencją (AI, ang. Artificial

Intelligence), gdzie szczególnie ważne jest i będzie pozyskiwanie pewnej i precyzyjnej wiedzy o otaczającym środowisku. Element czujnikowy jest tym, który odbiera bodźce środowiskowe, i

chociaż bardzo wiele w dzisiejszych technologiach możemy poprawić stosując zaawansowane metody kondycjonowania, obróbki i przetwarzania sygnałów pomiarowych,

to jednak uzyskanie mierzalnego (dobry stosunek SNR, ang. Signal-to-Noise Ratio), jednoznacznego i powtarzalnego sygnału użytecznego jest kluczowe dla finalnej aplikacji

czujnikowej. Nie bez znaczenia jest również energochłonność i koszt stosowanych rozwiązań. Konieczne są zatem ciągłe wysiłki i starania, w celu poprawy stosowanych technik

sensorowych do wykrywania i skutecznego pomiaru różnorakich związków chemicznych, w tym substancji gazowych, mających na celu bezpieczeństwo i kontrolę prowadzonych

procesów przemysłowych oraz monitorowanie zanieczyszczeń środowiska.

Czujniki gazów, obok biosensorów, zaliczane są do szerokiego wachlarza czujników chemicznych. Z tej klasyfikacji wymykają się czujniki wilgotności, które historycznie zalicza się do

sensorów fizycznych [1-3]. Metody detekcji i pomiaru gazu można zasadniczo podzielić na dwie grupy:

(a) metody bezpośrednie, które monitorują fizyczne cechy określonego analitu gazowego, (b) metody pośrednie, w których wykorzystuje się fizykochemiczną reakcję pomiędzy

molekułami gazu a receptorem w celu ilościowego i jakościowego pomiaru badanego gazu [1-4]. Zatem, dobrą definicją czujnika gazu może być sformułowanie: urządzenie, które

przekształca informację o chemicznym analicie (chemiczny skład mieszaniny, obecność określonego pierwiastka lub jonu, stężenie analitu, aktywność chemiczna) w analitycznie

użyteczny sygnał czujnikowy. Informacja o badanym analicie chemicznym może pochodzić z reakcji chemicznej analitu lub z jego właściwości fizycznych.

Moje badania w całości dotyczą drugiej grupy metod, czyli pośrednich technik detekcji i pomiaru gazów. Zatem, sformułowanie „czujnik gazu” w dalszej części autoreferatu będzie

dotyczyć pośrednich metod pomiaru analitów gazowych.

Czujniki gazów zawierają dwa podstawowe elementy połączone szeregowo: system

chemicznego, molekularnego rozpoznawania badanego analitu tzw. receptor i fizykochemiczny przetwornik energii sygnału. Na rys. 1 pokazano schematycznie proces

transformacji sygnału w czujniku gazu. Receptor oddziałuje z cząsteczkami analitu w wyniku czego, jego fizyczne właściwości zmieniają się w taki sposób, że dołączony szeregowo

przetwornik pozwala uzyskać mierzalny sygnał, najczęściej elektryczny. Funkcję receptora spełnia w wielu przypadkach materiał w postaci niskowymiarowych nanostruktur lub cienkich

warstw, które mogą oddziaływać z cząsteczkami analitu, selektywnie katalizować reakcję lub uczestniczyć w równowadze chemicznej razem z analitem. Receptor może reagować

selektywnie na określone substancje lub na grupę substancji (np. substancje utleniające, redukujące, etc.). Wśród procesów interakcji analit-receptor, najważniejsze dla czujników


9

gazów są adsorpcja, absorpcja, chemisorpcja oraz wymiana jonowa. Zjawiska te przede

wszystkim występują na granicy między analitem (środowiskiem pomiarowym) i powierzchnią receptora.

Rolą przetwornika pomiarowego jest transformacja formy energii sygnału. Obecnie sygnały przetwarzane są niemal wyłącznie za pomocą oprzyrządowania pozwalającego uzyskać

sygnał elektryczny jako analityczny sygnał użyteczny. W związku z tym, czujnik powinien realizować funkcję przetwarzania w taki sposób, aby rzeczywista wartość wielkości chemicznej,

najczęściej stężenia (koncentracji) analitu, która jest wielkością nieelektryczną została przekształcona na wielkość elektryczną, np. napięcie, natężenie prądu lub rezystancję.

Niektóre z przetworników pełnią funkcję czujnika tylko w połączeniu z dodatkową warstwą receptora. W innych typach działanie receptora jest nieodłączną funkcją przetwornika

pomiarowego (np. czujniki elektrochemiczne).

Rys. 2. Klasyfikacja sensorów gazu ze względu na rodzaj przetwornika pomiarowego.

Klasyfikację czujników gazów można poprowadzić wg rożnych kryteriów: zastosowany

materiał gazoczuły, rodzaj mierzonej substancji, sposób działania, branża przeznaczenia, czy rodzaju sygnału wyjściowego. Rys. 2 przedstawia podstawowy podział czujników gazów ze

względu na typ przetwornika pomiarowego. Jest to najczęściej spotykana klasyfikacja w literaturze przedmiotu [1, 2]. Podświetlone na niebiesko pola w tej klasyfikacji wskazują obszary

sensoryki gazów, w których zostały zakotwiczone prowadzone przeze mnie badania.

Detekcja i pomiar gazów jest wyzwaniem, które dotyczy wielu sektorów nauki, rynku i gospodarki. W swej istocie podjęta tematyka jest zagadnieniem interdyscyplinarnym,

wymagającym łączenia kompetencji wielu dziedzin nauki. Aby podołać wyzwaniom związanym z detekcją analitów gazowych, technologie czujników ewoluowały. Dynamiczny

rozwój „nowożytnej” sensoryki gazów rozpoczyna się w latach dwudziestych (1924 r.-1926 r.) ubiegłego stulecia, kiedy to dr O.W. Johnson (pracujący dla kompanii Standard Oli Co. CA –

obecnie Chevron) opracowuje katalityczny czujnik gazów palnych (tzw. pelistor) [2, 3]. W tym samym czasie (1925 r.-1927 r.) dr J. Tsuji (Institute of Physical & Chemical Research, Japan)

opracowuje pierwszy prototyp optycznego interferometrycznego czujnika do detekcji metanu i par benzyny [3]. Kolejne kamienie milowe w rozwoju sensoryki, które należy odnotować,

zostały położone dzięki rozwojowi przetworników i gazoczułych materiałów sensorowych. W


10

1957r. zostaje opracowana koncepcja czujników elektrochemicznych na bazie stałego

elektrolitu, a w roku 1962 Seiyama opracowuje koncepcję rezystancyjnych czujników gazu (1967 r. wprowadzenie do sprzedaży - Figaro™). Czujniki te bazują na półprzewodnikowych

tlenkach metali, przede wszystkim SnO2. Wprowadzenie tego typu czujników pozwoliło na realizację relatywnie tanich detektorów wielogazowych. Od początku lat 80-tych ubiegłego

stulecia możemy zauważyć niezwykle dynamiczny rozwój nanomateriałów i nanotechnologii, który wywarł niebagatelny wpływ na rozwój różnorodnych technik pomiarowych, w tym

technik służących do detekcji substancji gazowych. W tabeli 1 wskazano najistotniejsze, przełomowe odkrycia dotyczące rozwoju technik czujnikowych w zakresie detekcji analitów

gazowych [2, 3]. Obecnie czujniki gazów obejmują rozwiązania od prostych czujników wilgotności względnej

(tj. pomiaru procentowego poziomu pary wodnej) [A4, A5] do wyrafinowanych systemów wykrywania substancji, takich jak materiały wybuchowe i leki, których lotna sygnatura może

występować w koncentracjach rzędu ppb [A9, 5]. Zatem, sensoryka gazów obejmuje swym zasięgiem niezwykle różnorodny i szeroki zakres tematyczny światowego dorobku naukowego.

Jest to związane z ogromną różnorodnością koniecznych do monitorowania i analizy substancji chemicznych oraz szerokim zakresem stężeń i koncentracji analitów. Konsekwencją tego jest

potrzeba stosowania różnorodnych materiałów receptorowych oraz różnorakich konfiguracji i konstrukcji przetworników pomiarowych [5]. W obecnym świecie, niebagatelny wpływ na

wybór techniki sensorowej, obok skuteczności i niezawodności, mają również czynniki ekonomiczne (tj. branża przemysłu finalnego zastosowania, koszt punktu pomiarowy, etc.).

Dlatego głównym motorem napędzającym rozwój sensoryki gazów w wielu branżach przemysłu w ostatnich latach jest miniaturyzacja i rozwój nanotechnologii [6-9]. Wraz z

rozwojem technologii półprzewodnikowych i nanoelektronicznych oraz pojawieniem się platform MEMS, czujniki gazów zyskały wysoką precyzję, niskie zużycie energii, małe rozmiary i

szybką reakcję. Nanotechnologia radykalnie zmieniła charakterystykę działania chemicznych czujników gazu i ciągle zyskuje ona na znaczeniu w komercyjnych aplikacjach. Jak wskazują

raporty [10], światowy rynek chemicznych czujników gazu był szacunkowo wyceniany na 18,56 mld USD w 2017 r. I szacuje się, że osiągnie wartość 28,16 mld USD do 2023 r. przy średniorocznej

stopie wzrostu (CAGR) tego rynku na poziomie 7,20% w okresie prognozy (2018–2023). Szacunki obejmują takie czujniki, jak elektrochemiczne, optyczne i katalityczne, a zastosowania są

ograniczone do przemysłu medycznego, monitorowania środowiska, obrony i bezpieczeństwa wewnętrznego.

Tab. 1. Ważniejsze wydarzenia w historii rozwoju czujników gazu [2, 3].


11

4.3.3. Założenia badań własnych

W obszarze moich zainteresowań badawczych znalazły się optoelektroniczne i mikroelektroniczne struktury sensorowe obejmujące nowoczesne materiały receptorowe, których wspólną cechą jest zdolność do zmiany przewodnictwa elektrycznego w wyniku

oddziaływania z badanym analitem gazowym. Ta cecha rzutuje na zmianę innych właściwości, jak np. zmiana właściwości optycznych struktur. Badane struktury wykorzystują

zarówno receptory komercyjnie dostępne, jak i materiały syntezowane i modyfikowane w procesach technologicznych z przeznaczeniem do zastosowania w detekcji określonej

substancji oraz aplikacji w dedykowanym układzie przetwarzania. Założenia, którymi kierowałem się w badaniach, miały na celu opracowanie skutecznych technik pomiarowych

dla wybranych analitów gazowych, które powinny cechować się: - dobrą kinetyką adsorpcji i desorpcji w niskich temperaturach ( < 100 °C);

- niskim zużyciem energii (ograniczenie stosowania elementów grzejnych z tendencją do ich docelowej eliminacji);

- rodzajem i strukturą receptora skorelowaną ze specyficznością wykrywanego analitu bądź klasą badanych substancji chemicznych (poprawa selektywności, odporności na zatrucia

innymi substancjami); - uproszczoną konfiguracją i technologią wytwarzania przetwornika pomiarowego, co stanowi

potencjał do nisko kosztowego wytwarzania elementarnego czujnika.

Wybór badanych analitów determinowany był moim zaangażowaniem w pracach grup i

zespołów badawczych zawiązanych do realizacji zadań i projektów badawczych o tematyce sensorowej - PW-004/07/2006/4/UW-2006, 0314/T02/2006/01, 3742/B/T02/2009/37,

0362/R/T02/2009/06, i.in. (szczegółowy wykaz zamieściłem w Załączniku 4 pkt. IIJ), w których uczestniczyła moja macierzysta jednostka naukowa, czyli Katedra Optoelektroniki Politechniki

Śląskiej (do 2009 r. Zakład Optoelektroniki Instytutu Fizyki Politechniki Śląskiej). Zasadnicze badania skupiły się na opracowaniu przetworników do detekcji i pomiaru takich analitów

gazowych, jak: wodór (H2), amoniak (NH3), ditlenek azotu (NO2), para wodna (wilgotność względna RH) i wybrane lotne substancje organiczne (VOC).

Wodór (H2): detekcja wodoru jest bardzo ważnym problemem, zwłaszcza w kontekście

wykorzystania go jako paliwa i źródła energii w nowoczesnej, przyjaznej dla środowiska, energetyce. Energetyczne technologie wodorowe zyskały już przemysłowy wymiar aplikacyjny

dzięki rozwojowi technologii wodorowych ogniw paliwowych. H2 jest również ważnym medium przemysłowym stosowanym w nowoczesnym, przemyśle, na przykład w procedurach

uwodorniania substancji, chłodzenia lub produkcji niektórych związków w przemyśle chemicznym. Wodór pełni również rolę szerokopasmowego wskaźnika wczesnych uszkodzeń

wewnętrznych transformatorów elektroenergetycznych z olejową izolacją [A1-A3, 5, E5, E7]. Zawartość gazów rozpuszczonych w oleju transformatorowym świadczy o rozwijającym się

procesie degradacji izolacji, który jest wywołany wewnętrzną usterką. Przyczynę usterki można określić, a także ocenić stopień zagrożenia transformatora i ustalić sposób postępowania w

oparciu o badania składu i koncentracji gazów. Ograniczeniem stosowania tego medium są między innymi względy bezpieczeństwa, ponieważ wodór w połączeniu z tlenem w stężeniach

4% - 75% (w warunkach standardowych) tworzy mieszaninę wybuchową. Amoniak (NH3): w dzisiejszych czasach, jego obecność w atmosferze jest pochodną

bezpośredniej i pośredniej działalności człowieka [5, 11, 12]. Jest jedną z ważniejszych, w kontekście przemysłowych zastosowań, toksycznych i wybuchowych substancji chemicznych.

Jego wdychanie może być przyczyną takich chorób, jak zapalenie oskrzelików, obrzęk płuc czy odoskrzelowe zapalenie płuc. Stosowany jest do produkcji nawozów sztucznych i jako gaz


12

chłodzący w instalacjach przemysłowych. NH3 wykorzystywany jest również w przemyśle

spożywczym jako bardzo ważny wskaźnik w procesach rozkładu białek oraz w medycynie. Ponadto, przemysł motoryzacyjny wykorzystuje amoniak jako czynnik redukujący dla

selektywnego (SCR, ang. Selective Catalytic Reduction) dopalania tlenków azotu (NOx) w procesach katalitycznych. W związku z tym, monitorowanie koncentracji NH3 jest niezwykle

ważne. Ditlenek azotu (NO2): jest bardzo powszechnym i niebezpiecznym zanieczyszczeniem

powietrza wytwarzanym przez różnego rodzaju źródła, w tym naturalne takie jak wyładowania atmosferyczne czy aktywność wulkaniczna. Emitowany jest również ze źródeł pochodzenia

antropogenicznego, takich jak motoryzacja, przemysł ciepłowniczy i energetyka oparte na wykorzystaniu paliw kopalnych [5, 11, 12]. NO2 powoduje kwaśne deszcze, smog

fotochemiczny i niszczenie warstwy ozonowej, które są szkodliwe zarówno dla człowieka, jak i środowiska [12]. Długotrwałe narażenie na niskie stężenie NO2 powoduje choroby sercowo-

naczyniowe i choroby układu oddechowego [11, 12]. W związku z tym istnieje spore zapotrzebowanie na skuteczne, czułe, selektywne i kosztowo opłacalne sensory do

monitorowania zanieczyszczenia powietrza w środowisku o dobrej dynamice działania.

Rys. 3. Schematyczny przebieg procesu projektowania i wytwarzania wieloskładnikowych struktur

sensorowych

Lotne związki organiczne (VOC). Chemiczne substancje organiczne o wysokiej prężności

par (0,01 kPa) w temperaturze pokojowej (293,15 K = 20 °C). Ich wysokie ciśnienie par wynika z niskiej temperatury wrzenia, która powoduje, że duża liczba cząsteczek paruje z cieczy lub

sublimuje z fazy stałej związku. Ta cecha znana jest jako lotność. Zanieczyszczenia tego typu pochodzą przede wszystkim z parowania paliwa, ruchu samochodowego, procesów


13

przemysłowych, systemów grzewczych na obszarach mieszkalnych, a także stosowania

rozpuszczalników. Te zanieczyszczenia są trwałe, ulegają bioakumulacji w żywych tkankach i są w stanie rozprzestrzeniać się na duże odległości w środowisku [A9, A10, 5, 12]. Chociaż ich

wpływ na zdrowie ludzi jest tylko częściowo znany, naukowcy wykazali działania ogólnoustrojowe (wątrobowe, hematologiczne, immunologiczne), wykazali ich toksyczność na

układy rozrodcze oraz toksyczność genetyczną. VOC są znane również jako substancje rakotwórcze oraz markery chorobowe.

Para wodna (wilgotność względna powietrza – RH%, ang Relative Humidity): jest powszechnie występującą substancją w naszym codziennym życiu oraz w wielu dziedzinach

przemysłu. Dlatego pomiary wilgotności są niezwykle ważne w przetwórstwie chemicznym, elektronice, przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, motoryzacyjnym, rolnictwie i wielu

innych branżach [2, 3, A4, A5]. Kontrola poziomu wilgotności przyczynia się do usprawnienia procesów produkcyjnych i przechowywania różnych materiałów. Zróżnicowanie warunków

pracy czujników wilgotności oraz poziomów mierzonej wilgotności wymusza dywersyfikację rozwiązań i poszukiwanie nowych technik sensorowych.

Podsumowując charakterystykę badanych substancji chemicznych w stanie gazowym,

chcę wyraźnie wskazać na różnicę pomiędzy gazami i parami substancji chemicznych. Gazami określamy substancje występujące naturalnie w stanie gazowym w standardowych

warunkach termodynamicznych. Natomiast pary są fazą gazową substancji chemicznych naturalnie występujących w standardowych warunkach termodynamicznych w innym niż

gazowy, stanie skupienia, najczęściej ciekłym.

Proces projektowania skutecznych przetworników pomiarowych do detekcji ww. substancji oraz realizujący powyższe założenia, które przyświecały badaniom, zilustrowano

schematycznie na rys. 3. Przedstawiony, przykładowy proces dotyczy zaawansowanej optoelektronicznej struktury czujnikowej wykorzystującej organiczny receptor w postaci

kopolimeru grzebieniowego z funkcjonalnymi grupami aktywnymi. Jak pokazano, uzyskanie struktury sensorowej jest procesem wieloetapowym, na który składa się współpraca wielu

specjalistów o różnych kompetencjach. Proces rozpoczyna się od selekcji materiału do (efektywnej) sorpcji analitu, prowadzi przez kontrolowane modyfikacje receptora wspierane

charakteryzacją jego właściwości i jest zwieńczony otrzymaniem skutecznej i efektywnej konfiguracji przetwornika. Prace związane z wytwarzaniem materiałów sensorowych

realizowane były głównie przez zespoły chemików (zasadniczo z Katedry Fizykochemii Polimerów Politechniki Śląskiej).

Prace własne habilitanta koncentrowały się na: projektowaniu konfiguracji opto- i mikroelektronicznych przetworników i systemów

pomiarowych,

prowadzeniu technologicznych i modyfikacji parametrów technologicznych wytwarzania niskowymiarowych struktur wybranych, komercyjnie dostępnych,

materiałów receptorowych, opracowywaniu nowych konstrukcji czujników oraz ocenie i interpretacji ich

podstawowych właściwości sensorowych, opracowaniu metod analizy sygnału pomiarowego (optoelektroniczne konfiguracje),

analizie zjawisk fizykochemicznych i mechanizmów oddziaływania nowych materiałów gazoczułych na podstawie charakterystyk optycznych i elektrycznych, wyznaczanych

w atmosferze gazowej o zmiennym składzie, jakościowej analizie przyczyn niestabilności czujników pracujących w warunkach

laboratoryjnych.


14

Wynikiem takiego podejścia było prowadzenie prac i badań w dwóch

obszarach, które stały się podstawą przedmiotowego osiągnięcia,

stanowiącego istotny wkład w rozwój dyscypliny naukowej elektronika w

obszarze optoelektronicznej i mikroelektronicznej sensoryki pośredniej

wybranych analitów gazowych.

Pierwszy obszar osiągnięcia obejmuje opracowanie i badania światłowodowych i optoelektronicznych niskokoherentnych, interferencyjnych struktur sensorowych z aktywnymi materiałami wnęki rezonansowej i zwierciadeł.

Drugi obszar osiągnięcia dotyczy natomiast opracowania i badań optoelektronicznych i mikroelektronicznych struktur czujnikowych na bazie organicznych receptorów przewodzących do programowanej, selektywnej sorpcji wybranego analitu gazowego.


15

4.3.4. Światłowodowe i optoelektroniczne niskokoherentne interferencyjne struktury sensorowe w czujnikach gazów [A1-A7]

Głównym celem, w tym obszarze badań, było opracowanie efektywnych,

optoelektronicznych, niskokoherentnych interferometrycznych struktur sensorowych o konfiguracji interferometru Fabry-Perota. Struktury zostały zaprojektowane do detekcji i

pomiaru wodoru (H2) i wilgotności względnej (RH%) w konfiguracji struktur światłowodowych oraz amoniaku (NH3) w konfiguracji planarnej struktury warstwowej. W wyniku prowadzonych

prac badawczych wyselekcjonowano materiały receptorowe, wytworzono serie ww. struktur oraz przeprowadzono charakteryzację i badania właściwości sensorowych

a) [A1]

b) [A2]

c) [A3] d) [A4-A6]

e) [A7] Rys. 4. Schematyczne konfiguracje niskokoherentnych interferencyjnych struktur sensorowych do

detekcji analitów gazowych. a) struktury do detekcji wodoru w zakresie LEL z pracy [A1], b) do detekcji H2 z warstwą zabezpieczającą [A2], c) do detekcji wodoru w obecności węglowodorów

[A3], d ) do detekcji i pomiaru wilgotności względnej powietrza [A4, A5] i amoniaku [A6], e) objętościowa, planarna struktura czterokanałowa dedykowana do pomiaru amoniaku [A7].


16

Optoelektroniczne a zwłaszcza światłowodowe struktury czujnikowe do zastosowań w

sensoryce analitów gazowych, stały się przedmiotem moich zainteresowań naukowych ze względu na swoje szczególne cechy. Czujniki światłowodowe posiadają wiele zalet w stosunku

do innych czujników. Wiele z tych zalet zostało uwypuklonych w pracach [A1-A6] cyklu. Główne zalety światłowodowych czujników wynikają z faktu, że czynnikiem sondującym,

oddziaływującym bezpośrednio lub pośrednio z badanym analitem gazowym, jest fala elektromagnetyczna. Dzięki temu do niewątpliwych zalet takich rozwiązań należy:

- możliwość transmitowania użytecznego sygnału pomiarowego na duże odległości wykorzystując technikę światłowodową,

- usunięcie energii elektrycznej ze środowiska pomiarowego, w którym pracuje czujnik, co istotnie polepsza bezpieczeństwo stosowania światłowodowych sensorów np. w środowisku

wybuchowym i łatwopalnym, - istotne ograniczenie rozmiarów fizycznych i masy czujników,

- relatywnie łatwiejsze multiplikowanie punktów i kanałów pomiarowych oraz tworzenie sieci czujników w tzw. sensoryce rozłożonej w porównaniu do konkurencyjnych rozwiązań,

- możliwość konstruowania układów sensorowych odpornych na zakłócenia elektromagnetyczne.

Dodając do tych niewątpliwych zalet światłowodowych sensorów, możliwości miniaturyzacji i dywersyfikacji źródeł i detektorów światła, zyskujemy nowe, dotychczas nieosiągalne obszary

aplikacyjne chemooptycznej sensoryki.

Idea światłowodowych sensorów przedstawionych w pracach [A1-A6], opiera się na

warstwowej konstrukcji struktury interferometru Fabry-Perota (FPI) (rys. 4).

a) [A4]

b) [A1]

Rys. 5. Unormowany sygnał optyczny - interferogram - zarejestrowany dla różnych struktur FPI.

Pokazano różny sposób rejestracji wpływu analitu gazowego na względny sygnał optyczny. a) struktura Nafionu światłowodowego higrometru [A4], b) światłowodowa struktura Pd/NiOx do

detekcji wodoru w zakresie LEL [A1].

Struktury FPI są bardzo wrażliwe na modulacje i zmiany parametrów wnęki rezonansowej,

czyli przestrzeni znajdującej się między zwierciadłami interferometru. W rozwiązaniu światłowodowym, struktury FPI charakteryzują się kompaktowymi rozmiarami, na kierunku

propagacji światła - rozmiary struktur mogą mieć wymiar rzędu kilkuset nanometrów. W moich badaniach, głowica jest warstwową strukturą, naniesioną na koniec odsłoniętego włókna

światłowodowego, której parametry optyczne i geometryczne są tak dobrane aby spełniała ona warunek interferencji dla pomiarowego zakresu długości fal (rys. 4). Wnęka rezonansowa

jest warstwą wykonaną z materiału aktywnego (H2- chemochromowego TMO [A1-A3], RH%, NH3 – Nafionu [A4-A6]), który wskutek absorpcji badanego gazu zmienia swoje parametry.

Pierwsze zwierciadło (od strony włókna) jest zwierciadłem półprzepuszczalnym, które jest realizowane przez kontrast dielektryczny między światłowodem (SiO2) i materiałem wnęki.


17

Drugim zwierciadłem, w przypadku czujników H2, jest cienka, metaliczna warstwa katalityczna

wykonana z palladu (Pd), niezbędna do dysocjacji wodoru [A1-A3] (rys. 4 a) b) c)). W przypadku czujnika RH% i NH3 rolę zwierciadła, tak jak w przypadku pierwszego zwierciadła,

pełni kontrast dielektryczny granicy fazowej warstwy wnęki rezonansowej i środowiska pomiarowego (najczęściej powietrze). Głowicę sensorową opcjonalnie można wyposażać w

dodatkową polimerową warstwę zabezpieczającą przed wpływem środowiska pomiarowego [A2].

Do analizy zmian parametrów struktur FPI z wyposażonych w aktywne fizykochemicznie

warstwy, zaproponowałem metodę niskokoherentnej interferometrii (ang. low-coherence interferometry – LCI lub white-light interferometry - WLI) [A4, A5, 14]. W przeciwieństwie do

klasycznej interferometrii, w której często występuje niejednoznaczność wyniku pomiaru, metoda LCI pozwala relatywnie łatwo uzyskać jednoznaczny wynik pomiaru. Przy

zastosowaniu światłowodowej odmiany LCI. Metoda ta pozwala wykonywać pomiary zdalne, których wyniki są niezależne od zakłóceń czynników zewnętrznych. Głównym celem

interferometrii jest pomiar różnicy dróg optycznych (ang. optical path difference - OPD) wiązek interferujących i określenie wartości wielkości fizycznych, które powodują zmiany OPD. Pierwsze

doniesienia na temat implementacji światłowodowych interferometrów o niskiej koherencji pojawiły się w latach osiemdziesiątych XX w. [14]. Od tego czasu opracowano wiele czujników

wielkości fizycznych, takich jak temperatura, ciśnienie lub współczynnik załamania światła bazujących na technice LCI. Metoda ta stanowi ponadto podstawę takich technik

pomiarowych jak optyczna profilometria czy optyczna tomografia koherentna.

Najistotniejsze wspólne cechy zaproponowanych w pracach [A1-A7] rozwiązań czujnikowych, decydujące o unikalności tych rozwiązań i wyróżniające je w skali światowej, odnoszą się do następujących aspektów i zagadnień naukowo-badawczych.

1. Konfiguracje struktur ograniczyłem w zakresie ilości warstw struktur interferencyjnych tylko

do warstw materiałów aktywnych, niezbędnych i biorących udział w oddziaływaniu z badanym typem analitu gazowego. Tego typu ograniczenie uzyskałem dzięki wykorzystaniu

do odbicia światła kontrastów dielektrycznych granic fazowych materiałów. Skutkiem jest wzbudzenie zjawiska interferencji światła bez konieczności stosowania dodatkowych warstw,

pasywnych fizykochemicznie w kontekście oddziaływania z analitem, pełniących rolę zwierciadeł półprzepuszczalnych.

2. Relatywnie niskie współczynniki odbicia światła na granicach fazowych, rzędu kilku % (np.

2 - 3% w pracach [A4-A6]) okazały się wystarczające dzięki zaproponowaniu metodologii

rejestracji sygnału pomiarowego w postaci unormowanego interferogramu struktury FPI. W pracach [A1-A3] sposób normowania polegał natomiast na rejestracji względnego sygnału

dla gazowego analitu odniesienia (powietrze syntetyczne lub azot). Tego typu normowanie gwarantuje uwypuklenie zmian w widmie interferencyjnym wywołanych obecnością

badanego analitu i jego ilością. Na rys. 5 przedstawiono unormowane dla dwóch sposobów normowania sygnału optycznego. Charakterystyki wskazują w jakim zakresie badany analit jest

w stanie wpływać na widmowe cechy unormowanego sygnału pomiarowego.


18

3. Ważnym atutem jest możliwość różnorodnej analizy spektralnego interferogramu. W

pracach [A1-A7] wykorzystałem kilka metod do uzyskania użytecznego sygnału niosącego informację o stężeniu lub koncentracji badanego analitu. Metody te dotyczą zarówno

spektralnej dziedziny sygnału pomiarowego [A4, A6], jak i jego dziedziny natężeniowej [A1-A5]. W zakresie analizy widmowej, rejestracji podlegała spektralna pozycja arbitralnie wybranego

minimum lub maximum intrferogramu. Bardziej praktyczny wymiar, niewymagający rejestracji szerokiego zakresu widmowego a co za tym idzie brak konieczności stosowania w układzie

pomiarowym spektrometru, posiada podejście amplitudowe. W przypadku tego rodzaju struktur interferencyjnych, jednym z lepszych rozwiązań jest metoda oparta na jednobarwowej

analizie sygnału tzw. metoda punktu Q. Metodę tą zaimplementowałem w pracy [A3]. Metoda analizy punktu Q jest doskonale znana z prac dotyczących interferometrycznej

sensoryki fizycznej (np. czujników ciśnienia czy temperatury) opartych na strukturach Fabry-Perota (F-P). Punkt Q interferometru F-P znajduje się pośrodku zakresu liniowego prążków

interferencyjnych, gdzie krzywa ma największe nachylenie; punktem pracy jest długość fali źródła (najczęściej laserowego) odpowiadająca długości fali w prążkach interferencyjnych.

Czujniki mają niską czułość natężeniową na szczytach lub w dolinach prążków. Z kolei najmniejsze zniekształcenie sygnału i najwyższą czułość natężeniową można uzyskać, jeśli

punkt pracy wpisuje się w Q-punkty interferometru F-P. Na rys. 6 przedstawiono ideę metody Q-punktu na przykładzie struktury FPI wykonanej z Nafionu w pracy [A4].

Rys. 6. Metodologia uzyskania sygnału pomiarowego z wykorzystaniem metody Q-punktu na

przykładzie interferogramu zarejestrowanego w pracy [A4].

Tego typu podejście ma jednak kilka wad, z których najbardziej istotną jest nieodporność na

czasowe fluktuacje mocy optycznej źródła światła zastosowanego w układzie pomiarowym. Dlatego wynikiem prac nad metodologią uzyskania użytecznego sygnału pomiarowego o

poprawionych własnościach, był rozwój natężeniowych analitycznych metod pochodnych. W pierwszej kolejności, do analizy tego rodzaju struktur FPI opracowaliśmy (w zespole, moje

współautorstwo 50%) metodę dwubarwową. Polega ona na wyborze niejako dwóch punktów Q struktury, co ważne w obrębie tego samego prążka interferencyjnego (rys. 6). Przesuniecie

interferogramu w dziedzinie długości fali (rys. 5), będącego skutkiem oddziaływania badanego analitu na strukturę FPI, powoduje jednoczesny wzrost natężenia sygnału w jednym

punkcie Q i spadek sygnału w drugim punkcie Q. Użyteczny sygnał pomiarowy jest ilorazem


19

sygnałów w punktach Q wybranych dla dwóch różnych długości fali. Metoda ta jest odporna

na fluktuacje optycznej mocy źródła. Szersza analiza wad i zalet jest przedstawiona w pracy [A4]. Opisana metoda pomiarowa oraz konstrukcja światłowodowych struktur FPI do detekcji i

pomiaru wodoru stały się przedmiotem krajowego patentu nr 204 016 [C6] (Zał. 4). Uzyskanie sygnału odpowiedzi czujników zrealizowane za pomocą tej metody przeprowadziłem w

pracach [A1, A2, A4, A5].

a) [A3]

b) [A4] c) [A7] Rys. 7. Przykłady sygnałów odpowiedzi czujników na bazie struktur FPI. a) detekcja sygnału w

metodzie Q-punktu w strukturze Pd/WO3 czujnika wodoru, b) dwubarwowa detekcja w strukturze światłowodowego higrometru [A4], c) wielobarwowa detekcja w strukturze Pd/CuPc do pomiaru NH3

[A7].

Kolejnym etapem badań i rozwinięciem metod analizy sygnału w aktywnych strukturach FPI było zaimplementowanie detekcji wielobarwowej. Metoda ta opiera się na idei detekcji barwy

interferencyjnej. Zmiana koloru interferencyjnego jest pochodną zmiany rozkładu prążków interferencyjnych w zakresie badanego widma Vis-NIR wywołanego fizykochemicznym

oddziaływaniem analitu na strukturę FPI. Dynamiczny rozwój optoelektroniki, zaowocował między innymi pojawieniem się na rynku relatywnie tanich przyrządów (detektorów) do

pomiaru koloru. Przyrządy tego typu umożliwiają analityczne określenie koloru poprzez pomiar współrzędnych barwowych. W pracy [A7] zaproponowałem konfigurację dwuwarstwowej

struktury FPI Pd/CuPc w czterokanałowym układzie pomiarowym do pomiaru amoniaku. Strukturę skonfigurowałem w taki sposób aby fizykochemiczne cechy receptora – ftalocyaniny

miedzi wzmocnić fizycznymi cechami struktury interferencyjnej. Skutkiem tej realizacji było zintensyfikowanie zmian barwy badanej struktury. Sygnałem użytecznym w tym rozwiązaniu jest

wartość „zielonej” współrzędnej barwowej G(y) (wielkość względna). Przedstawione w pracy [A7] wyniki wykazały, że możliwe jest skuteczne połączenie opisanej metody detekcji z


20

odpowiednio zaprojektowaną optoelektroniczną strukturą sensorową. Praca [A7] zawiera

szeroką analizę zarówno metody pomiarowej opartej na pomiarze koloru, jak i metodykę przygotowania struktur wraz z ich wieloparametrową charakterystyką właściwości. Na rys. 7

przedstawiłem przykłady dynamicznych sygnałów odpowiedzi czujników pracujących w trybie dwubarwowej [A4] i wielobarwowej detekcji [A7].

Przedstawione metody analizy optycznych sygnałów interferencyjnych mogą być z

powodzeniem implementowane do analizy struktur, dla których charakteryzujący je interferogram nie zawiera zbyt dużej ilości prążków interferencyjnych. Ograniczenie ilości

prążków interferencyjnych w zakresie badanego widma, niesie ze sobą zalety w postaci łatwiejszej analizy charakterystycznych cech interferogramu. Z moich badań wynika, że

dobrym kryterium, z punktu widzenia analizy sygnału interferencyjnego, jest rejestracja w zakresie badanego widma, jednego maksimum (lub minimum) interferencyjnego. Skutkuje to

ograniczeniem grubości warstwy wnęki rezonansowej struktur FPI do rozmiarów rzędu 100 nm – 500 nm w zależności od rodzaju materiału wnęki rezonansowej. W takich warunkach analiza

jest mniej czuła na tzw. przełączanie się prążków interferencyjnych. Natomiast z drugiej strony, potencjalne niedoskonałości procesu technologicznego wytwarzania struktur (zwłaszcza

technologie z fazy ciekłej), prowadzące do fluktuacji grubości wnęki rezonansowej, nie wymuszają zmian zakresu widmowego w analizie bazującej na poszukiwaniu maksimum (lub

mnimum), bądź też krytycznych zmian wyboru długości fal (wymiana źródeł światła) w natężeniowej analizie dwubarwowej.

Tego typu podejście jest również słuszne z punktu widzenia procesów fizykochemicznych w strukturze. Chodzi tutaj o wpływ na dynamikę przebiegu procesów fizykochemicznej penetracji

(procesy dyfuzji i sorpcji) warstw(y) receptorowych(ej) przez badany analit gazowy. Ostatecznie interferogram, w miarę możliwości konfiguracyjnych (ograniczenia związane z

technologią wytwarzania), powinien uwzględniać widmowe właściwości materiałów receptorowych i percepcję ich zmian wywołanych oddziaływaniem z badanym analitem

gazowym. Fizyczna konfiguracja struktury powinna uwypuklać a najlepiej „wzmacniać” cechy receptorów. Zatem ograniczenie grubości warstw struktur FPI jest procesem wielowymiarowym

i należy go prowadzić w kontekście zastosowania konkretnego typu materiałów gazoczułych.

a) [A4]

b) [A7]

Rys. 8. Obrazy wybranych struktur w mikroskopii konfokalnej. Wizualizacja niejednorodności

właściwości optycznych (wskazuje lokalne różnice we współczynnikach odbicia światła). a) struktura Nafionu światłowodowego higrometru [A4], b)wygrzana struktura Pd/CuPc do detekcji NH3 [A7].

4. Do realizacji struktur sensorowych FPI, pracujących w interferometrycznych,

niskokoherentnych konfiguracjach pomiarowych w zakresie pasma Vis-NIR, stosowałem


21

przewodzące materiały receptorowe. Właściwości przewodzące są wspólną cechą

zastosowanej grupy receptorów, niemniej jednak typ przewodnictwa jest różny w różnych typach materiałów badanych w pracach [A1-A7]. Do realizacji czujników wodoru na bazie

struktur FPI zastosowałem dwuwarstwowe konfiguracje typu pallad/TMO (Pd/TiO2 [A1, A2], Pd/NiOx [A1], Pd/WO3 [A3]), gdzie TMO są tlenkami metali przejściowych o właściwościach

gazochromowych. Mechanizm gazochromowego barwienia (lub wybielania) TMO, polega na podwójnej absorpcji/desorpcji kationów wodorowych i elektronów [15, 16, A1, A3]. Jony te

powstają wskutek dysocjacji molekuł wodoru na katalitycznej warstwie wykonanej z palladu. Elektrony i jony atomowego wodoru dyfundują gwałtownie przez cienką warstwę katalizatora

(Pd) a następnie penetrują warstwę TMO. Elektrony w kolejnej fazie redukują jony metalu w TMO powodując w ten sposób powstanie centrów absorpcyjnych wychwytujących protony.

Finalnym skutkiem jest zmiana własności optycznych warstw TMO w paśmie Vis-NIR. Mechanizmy te opisano w pracach [A1-A3, 15].

W pracach [A4-A6] jako warstwę receptorową zastosowałem Nafion®. Jest to komercyjny, syntetycznym kopolimerem grzebieniowy na bazie politetrafluoroetylenu (PTFE) o jonowych

właściwościach, które nadają mu boczne grupy kwasu sulfonowego (-SO3H). Jego przewodność jonowa jako materiału objętościowego jest rzędu 0,1 S/cm. Nafion® jest ponadto

stabilnym elektrochemicznie i przezroczystym w szerokim zakresie spektralnym polimerem. Jest odporny na oddziaływanie większość substancji chemicznych. Jednak dzięki swym

właściwościom jonowym silnie reaguje na substancje polarne takie jak para wodna [A4, A5] czy amoniak [A6]. Posiada budowę klastrową. Zbadano to i opisano w pracy [A4]. Polimer, po

zaadsorbowaniu cząsteczek wody w hydrofilowych klastrach jonowych, silnie puchnie budując jonowe kanały przewodzące w matrycy PTFE. W pracach [A4, A5] wykorzystałem

fizyczny efekt zmiany grubości warstwy Nafionu® do budowy struktur FPI realizując tym samym światłowodowy higrometr. W pracy [A6] została przeanalizowana absorpcja NH3 w klastrach

jonowych. Rezultatem oddziaływania jest zmiana współczynnika załamania Nafionu®, czego efektem jest przesunięcie w kierunku dłuższych fal.

W pracy [A7] z kolei, do optoelektronicznego pomiaru niskich stężeń amoniaku zastosowałem dwuwarstwowy układ Pd/CuPc struktury FPI na bazie organicznego

półprzewodnika CuPc. Ftalocyaniny są termicznie stabilnymi materiałami do temperatury 400 °C. Cząsteczki tych materiałów posiadają budowę pierścieniową z możliwością wbudowania

pierwiastków metalicznych wewnątrz pierścienia. Nadają się zastosowań w postaci cienkich warstw nakładanych metodami próżniowymi. Z punktu widzenia właściwości elektrycznych i

optycznych, ftalocyaniny należą do organicznych materiałów z układem π - sprzężonych orbitali sąsiadujących cząsteczek. Cecha ta predestynuje ftalocyaniny do zastosowań

mikroelektronicznych, w szczególności do aplikacji sensorowych. CuPc charakteryzuje się zmianą właściwości optycznych wywołanych wstrzykiwaniem

nośników dostarczanych z procesów sorpcji NH3 w CuPc wspomaganych katalitycznymi właściwościami palladu. Z drugiej strony, w tym przypadku, nanostruktura sensorowa CuPc jest

receptorem optycznym, który również oddziałuje ze światłem. Ponieważ CuPc jest materiałem wrażliwym na krótkofalowe promieniowanie z zakresu Vis, jego przewodnictwo zależy od

absorpcji światła. W CuPc absorpcja światła generuje ekscytony, a nie wolne nośniki. Ekscytony te ulegają dysocjacji na nośniki ładunku, co prowadzi to do szybszej regeneracji

struktur Pd/CuPc. Mechanizm oddziaływania przedstawiłem w pracy [A7]. W pracy tej przedstawiłem ponadto szeroką charakteryzację właściwości fizykochemicznych CuPc i

układu Pd/CuPc. Wykonałem badania morfologiczne struktur – AFM, mapowanie właściwości optycznych – CLSM, badania przebudowy termicznej struktur – spektroskopia Ramana.


22

5. Do skonfigurowania i wykonania światłowodowych struktur FPI w pracach [A1-A6]

wykorzystałem typowe, gradientowe światłowody wielomodowe (ang. Multi-mode Fiber - MMF) 62,5 µm / 125 µm (50 µm / 125 µm). Dotychczas światłowody typu MMF w interferometrii

były stosunkowo rzadko wykorzystywane. Jest to związane z wpływem interferencji między modowej na sygnał wyjściowy. W pracach [A1-A6] wykazałem eksperymentalnie, że

zastosowanie światłowodów MMF wraz z aktywnymi strukturami interferencyjnymi do niskokohrentnej interferometrii w zakresie pasma Vis-NIR, pozwala uzyskać stabilne

interferogramy, a co za tym idzie stabilny sygnał odpowiedzi czujników. Struktury FPI zrealizowane na włóknach MMF są mniej wrażliwe na orientację kątową struktury

interferometrycznej względem padającej wiązki światła oraz na wszelkie zniekształcenia optyczne między wnęką a włóknem niż rozwiązania jednomodowe. Zaproponowane struktury

FPI z włóknem MMF doprowadzającym i odprowadzającym światło, wykazują niską wrażliwość na jakość optyczną wnęki (jej jednorodność optyczną) oraz jej płasko-równoległość. Rys. 8

przedstawia przykładowe obrazy struktur wykonane w technice konfokalnej laserowej mikroskopii skaningowej, wskazując na ich niejednorodność optyczną. Niemniej jednak, ani

optyczna niejednorodność struktur [A4, A7] ani potencjalny efekt interferencji między modowej w MMF nie ogranicza wydajności wielomodowego trybu pracy struktur FPI i nie prowadzi do

zniszczenia interferogramu a w konsekwencji do niestabilności sygnału odpowiedzi. Więcej uwagi, w zakresie analizy tych zagadnień poświęciłem w pracy [A4]. Z drugiej strony,

praktyczne zastosowania przemysłowe rozwiązań zbudowanych na włóknach MMF są łatwiejsze do realizacji, dzięki prostszej technice sprzęgania szerokopasmowych źródeł i

detektorów z włóknami MMF.

Za istotny wkład do dziedziny elektronika, w ramach omawianego zagadnienia, uznaję:

- kluczowy wkład w opracowanie idei niskokoherentnych struktur FPI (światłowodowych MMF i optoelektronicznych) wraz z zaprojektowaniem i wykonaniem ich optymalnej konfiguracji;

- zaproponowanie (jako współautor) metody rejestracji efektywnego sygnału optycznego oraz dwubarwowej oraz wielobarwowej metody detekcji zmian parametrów optycznych niskokoherentnych struktur interferencyjnych z gazoczułymi receptorami, prowadzącą do określenia koncentarcji lub stężenia badanego analitu. Metoda wielobarwowej detekcji (detekcji barwy interferencyjnej) jest jedną z pierwszych notowanych w literaturze metod analizy podejmujących problem pomiaru zmian współrzędnej(ych) barwowej(ych) do określania stężenia i/lub koncentracji analitu;

- wyłączny udział w optymalizacji konfiguracji niskokoherentnych struktur interferencyjnych w kierunku uzyskania pożądanych cech optycznych (rozkładu prążków interferencyjnych) oraz właściwości sensorowych – wyrażona wrażliwością struktur na badany analit w temperaturze około pokojowej oraz dynamiką oddziaływania, charakteryzowaną czasem reakcji i regeneracji struktur rzędu kilkudziesięciu sekund;


23

- określenie i opis oddziaływania analitów gazowych na fizykochemiczne właściwości receptorów w strukturach FPI, na podstawie przeprowadzonych badań w warunkach ekspozycji struktur FPI na mieszaniny gazowe zawierające dany analit. Interpretacja uzyskanych wyników wraz z określeniem i analizą mechanizmów oddziaływania wspartych wieloparametrową charakteryzacją struktur;

- wyłączny udział w opracowaniu technologii kontrolowanego wytwarzania struktur interferencyjnych w technologiach PVD i technologiach chemicznych z fazy ciekłej (zależnie od materiału struktur).

Rezultatem prac jest m.in. patent krajowy PL 204016 [C6] dotyczący światłowodowego czujnika wodoru.

Przedstawione w pracy [A1] rozwiązanie światłowodowego sensora wodoru, było jednym z

pierwszych w literaturze wskazującym na efektywną możliwość pomiaru analitu gazowego oddziałującego fizykochemicznie z aktywną strukturą interferencyjną wykonaną na końcówce

światłowodu wielomodowego 62,5/125 µm. Praca została zauważona w środowisku sensorowym. Świadczy o tym spora ilość cytowań w światowych bazach bibliograficznych WoS

i Scopus (ponad 50) pracy [A1] w literaturze przedmiotu, w tym w publikacjach przeglądowych dotyczących sensoryki światłowodowej.

W oparciu o tą koncepcję zbudowano demonstrator systemu pomiarowego do pomiaru stężenia wodoru w oleju transformatorowym [1B1], które zostało nagrodzone MEDALEM AMAT

VICTORIA CURAM dla Katedry Optoelektroniki Politechniki Śląskiej przyznanym przez Zarząd Międzynarodowych Targów Katowickich za Światłowodowy System Monitoringu Wodoru TraFOSens-500® podczas I Międzynarodowych Targów Optoelektroniki i Fotoniki OPTON 2010.

Pozostałe rezultaty badań, świadczące o istotnym wkładzie opracowanych koncepcji w rozwój światowej, optoelektronicznej sensoryki gazów, to:

- opracowanie i wykonanie światłowodowego higrometru, który charakteryzuje się bardzo dobrymi parametrami dynamicznymi. Posiada jedne z najszybszych czasów odpowiedzi (< 5 s dla RH < 50% i RT) i regeneracji (12 s dla RH < 50% i RT) spotykanych w literaturze dla światłowodowych czujników wilgotności;

- opracowanie i wykonanie optoelektronicznego czujnika amoniaku (3-500 ppm) na bazie interferencyjnej struktury Pd/CuPc z wielobarwową detekcją (barwy) sygnału użytecznego pracującego w warunkach zmiennej wilgotności względnej mieszaniny gazowej zawierającej NH3.

Wyniki tych badań opublikowałem w wysoko punktowanych czasopismach naukowych o zasięgu ogólnoświatowym, charakteryzujących się wysokim współczynnikiem SJR dla dziedziny elektronika (Q1 i Q2).


24

4.3.5. Optoelektroniczne i mikroelektroniczne struktury sensorowe z organicznymi receptorami do selektywnej i dedykowanej sorpcji wybranych analitów gazowych [A8-A12]

Organiczna elektronika jest relatywnie młodym, prężnie rozwijającym się sektorem

elektroniki. W pewnym zakresie sektor ten zyskał nowe obszary aplikacyjne, niedostępne dla elektroniki bazującej na materiałach nieorganicznych. Stosowanie materiałów organicznych

pozwala na użycie względnie tanich procesów technologicznych nanoszenia struktur aktywnych. Do takich metod należą techniki nanoszenia materiałów organicznych z fazy

ciekłej (tzw. technologie mokre) typu nadruku (inkjet), rozwirowania (spin-coating), zanurzania (dip-coating) czy nakrapiania (drop-coating) [17, 18].

O ważności i aktualności zagadnień związanych z organiczną elektroniką i fotoniką, świadczy między innymi obecność tej tematyki w najważniejszych światowych programach

badawczych. Tematyka ta jest zapisana w jawny sposób np. w strukturze programu „Horyzont 2020" w tzw. kluczowych technologiach prorozwojowych (KET - Key Enabling Technologies) [19]. W ostatnich latach, tematyka obejmująca zastosowania organicznych materiałów w optoelektronicznej i mikroelektronicznej sensoryce stała się silnie obecna w prowadzonych

przeze mnie badaniach naukowych. Rezultatem tych prac są m.in. opracowania czujnikowe zawarte w drugim obszarze badawczym mojego osiągniięcia.

Drugi obszar badawczy, który wchodzi w skład mojego osiągnięcia naukowego w

dziedzinie elektronika, dotyczy opracowania oraz badań optoelektronicznych i mikroelektronicznych struktur czujnikowych na bazie organicznych materiałów receptorowych

do sensoryki analitów gazowych. W tym obszarze prowadziłem badania nad konfiguracjami struktur sensorowych wyposażonych w nowatorskie, aktywne kopolimery przewodzące i

ftalocyaniny dedykowane do programowanej sorpcji wybranego analitu gazowego. Wspólną cechą tych materiałów jest układ π - sprzężonych orbitali sąsiadujących cząsteczek [A8, 18, 20-22], który decyduje o ich unikalnych właściwościach elektrycznych (półprzewodnikowych). Układ ten, nazywany również π – skoniugowanym, jest ponadto odpowiedzialny za zdolność

transportu nośników ładunku oraz częściową przezroczystość w zakresie Vis-NIR materiałów w postaci cienkowarstwowych struktur. Zatem, materiały z układem π – sprzężonych elektronów

zostały wyselekcjonowane jako gazoczułe materiały receptorowe.

a) [A8]

b) [A9, A10]

Rys. 9. Schematyczna konfiguracja organicznych receptorów w postaci kopolimerów blokowych

szczepionych aktywnymi grupami bocznymi. a) Konfiguracja kopolimeru PMS-graft-P3HT-garaft-PEG do detekcji analitów utleniających [A8], b) kopolimer PMS-graft-Pc do detekcji acetonu [A9, A10].


25

W ostatnich latach prowadzono wiele prac i badań [17, 18, 21, 22] dotyczących

wykorzystania organicznych (pół)przewodników jako materiałów sensorowych w detekcji zmian składu mieszaniny gazowej środowiska zewnętrznego. Zaleta zastosowania receptorów

z układem tzw. π - sprzężonych elektronów, leży w ich unikalnej zdolności do ulegania nie stechiometrycznym reakcjom redoks (utlenianie i redukcja), które prowadzą do uzyskania

nośników ładunku, których elektryczne i optyczne właściwości zależą od ich stanu spinowego. W niezdegenerowanym stanie podstawowym organicznego materiału przewodzącego,

ftalocyaniny lub polimeru, np. takich jak politiofen czy polipirol w reakcji redoks wiązań π mogą się generować dwa typy nośników ładunku, a mianowicie spinowe, pojedynczo naładowane

polarony lub podwójnie naładowane, bezspinowe bipolarony, których ilość zależy od stopnia domieszkowania, przy czym domieszki mogą stanowić anality gazowe utleniające (np. NO2)

lub redukujące (np. NH3), które mogą być substancjami toksycznymi i niebezpiecznymi.

a) [A8] b) [A9, A10] Rys. 10. Procesy wytwarzania struktur sensorowych z wykorzystaniem organicznych receptorów w

postaci kopolimerów blokowych szczepionych aktywnymi grupami bocznymi. a) Konfiguracja plazmonowa i chemorezystancyjna na bazie kopolimeru PMS-graft-P3HT-garaft-PEG do detekcji

analitów utleniających [A8], b) Konfiguracja aktywnego kondensatora do układów mikrofalowych na bazie kopolimeru PMS-graft-Pc do detekcji acetonu [A9, A10].

Receptory organiczne w postaci kopolimerów grzebieniowych sczepionych przewodzącymi grupami funkcyjnymi

Obiektem badań, w pierwszej części tego obszaru badawczego, są optoelektroniczne [A8] i mikroelektroniczne [A8-A10] struktury sensorowe wykorzystujące nowatorskie, organiczne receptory zaprojektowane i wytworzone w oparciu o sfunkcjonalizowany polimer grzebieniowy

na szkielecie polisiloksanowym. Polisiloksan jako rdzeniowy materiał wykazujący zdolność do samoorganizacji, do którego możliwe jest podstawienie szeregu rodzajów łańcuchów

polimerów przewodzących (polialkilotiofenów (PAT)), polielektrolitów oraz plastyfikatorów wewnętrznych. Struktura materiału bazowego korzysta z zalet układów liniowych.

Opracowane przez zespoły chemików, metody syntez pozwalają na uzyskanie jednoskładnikowych układów, które można dopasować do dowolnego zestawu wymagań

materiałowych stawianych obecnie polimerom skoniugowanym, ekologiczną metodą syntezy jednonaczyniowej. Procesy technologiczne prowadzące do uzyskania polimerowych

materiałów gazoczułych zostały opisane w pracach [A8] i [A9]. Struktury makrocząsteczek, wykorzystanych w pracach [A8-A10] z p- domieszkowanym polimerem poli(3-alkilotiofenem –

P3HT) i poliglikolem etylenowym (PEG) jako polielektrolitem (jeden z przykładów podstawnika) przedstawia rys. 9a oraz z ftalocyaniną –Pc – rys. 9b. Polimer taki, w którym wszystkie rodzaje

ugrupowań funkcjonalnych przyłączone są w sposób chemiczny do łańcucha głównego,


26

określany jest mianem multi-funkcyjnego. Tego typu materiały charakteryzuje dobra

jednorodność oraz stabilność układu. Gwarantują one właściwe i kontrolowane „wymieszanie” wszystkich rodzajów grup funkcyjnych, co z kolei pozwala na uniknięcie

miejscowego zagęszczenia jednego ze składników (tzw. problemy agregacyjne). Szczepione kopolimery blokowe z punktu widzenia ich architektury posiadają wiele stopni swobody. Istnieje

możliwość szczepienia kopolimerów przewodzących na różnego rodzaju łańcuchach polimetylosiloksanowych (np. o różnej długości lub zawierających separatory

dimetylosiloksanowe). Co więcej istnieje możliwość kontroli gęstości szczepienia łańcuchów siloksanowych kopolimerami przewodzącymi regioregularegularnych poli(3-alkilotiofenów (np.

rrP3HT/rrPDT - polidodecylotiofen) oraz dobór innych kopolimerów wysycających, które modyfikują właściwości kopolimeru blokowego. Dodatkowo możliwością sensybilizacji oraz

stabilizacji właściwości fizykochemicznych badanych kopolimerów jest domieszkowanie bloku przewodzącego.

Opracowanie i synteza kopolimerów grzebieniowych szczepionych aktywnymi,

przewodzącymi grupami funkcyjnymi z układem π - sprzężonych elektronów, była realizowana przez zespoły chemików współpracujące z moją macierzystą jednostką naukową. Moim

zadaniem było zaproponowanie i zaprojektowanie optymalnych przetworników opto- i mikroelektronicznych o zwiększonej czułości, adsorpcji i selektywności na bazie opracowanych

receptorów w postaci szczepionych kopolimerów blokowych. Rys. 10 przedstawia schematycznie procesy technologiczne wytwarzania struktur sensorowych w pracach [A8-A10]. Ponadto moje prace skupiały się na charakteryzacji struktur oraz badaniach ich wrażliwości na specyficzny rodzaj analitu gazowego.

Rys. 11. Konfiguracja plazmonowa optoelektronicznej struktury sensorowej wyposażonej w organiczny receptor w postaci polimeru PMS-graft-P3HT-garaft-PEG do detekcji analitów utleniających [A8].

Wynikiem tych prac było opracowanie optoelektronicznego przetwornika w plazmonowym

układzie Kretschmanna (rys. 11) z aktywnym kopolimerem grzebieniowym PMS-graft-P3HT-graft-PG. Konfiguracje plazmonowe charakteryzują się bardzo dobrą czułością na zmianę

parametrów optycznych układu warstw struktury, w których możliwe jest wzbudzenie kolektywnych oscylacji gęstości ładunku (elektronów) w obszarze interfazy metal (plazmowo

aktywny – Au, Ag, etc.) / receptor, czyli wzbudzenia tzw. zjawiska powierzchniowego rezonansu plazmonowego (ang. Surface Plasmon Resonance – SPR). Wzbudzenie tego zjawiska objawia

się pojawieniem minimum plazmonowego w spektralno – kątowym rozkładzie sygnału optycznego odbitego od struktury. Położenie minimum w dziedzinie długości fali i kątowego

rozkładu wiązki światła odbitego oraz kształt tego minimum jest ściśle związany z parametrami optycznymi układu warstw struktury SPR. Zatem, zmiana parametrów optycznych struktury,

wywołana oddziaływaniem analitu gazowego z receptorem, będącego integralną częścią struktury, będzie objawiała się przesunięciem tego minimum i zmianą jego kształtu. Analiza i


27

charakterystyka tego minimum pozwala na wnioskowanie o fizykochemicznych

mechanizmach zmian parametrów optycznych warstwy lub struktury. W związku z tym, przedstawiona na rys. 11 konfiguracja plazmonowa, oprócz roli struktury sensorowej, pełni rolę

analityczną, umożliwiającą charakterystykę parametrów optycznych niskowymiarowych materiałów receptorowych naniesionych na metaliczną warstwę plazmonową.

Optoelektroniczna struktura została wykorzystana do detekcji i pomiaru niskich koncentracji

(mniejszych niż 10 ppm) ditlenku azotu (NO2) w temperaturze pokojowej z pomiarem rezonansowej długości fali. W pracy [A8] przeanalizowałem mechanizm zmiany parametrów

optycznych ww. struktur powstałych wskutek oddziaływania NO2, z wykorzystaniem symultanicznych pomiarów elektrycznych (konduktometrycznych) struktur w układzie

mikroelektronicznego przetwornika międzypalczastego (IDT) o powierzchni czynnej układu elektrod rzędu 36 mm2. Przetworniki tego typu zostały przeze mnie zaprojektowane do

zastosowań materiałów receptorowych nanoszonych z fazy ciekłej. Przetworniki wykonano w Instytucie Technologii Elektronowej w Warszawie. Wyniki pomiarów i badań przedstawiłem w

pracy [A8].

a) b)

Rys. 12. Widmo unormowanego natężenia wiązki światła odbitej pod różnymi kątami od struktury SPR

prezentujące minimum plazmonowe. a) demonstracja wpływu pojawienia się warstwy polimeru na powierzchni warstwy metalicznej Au, b) wpływ NO2 na parametry optyczne polimeru PMS-graft-P3HT-

garaft-PEG [A8].

W ramach współpracy z Katedrą Elektroniki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie przeprowadziłem pionierskie badania nad zastosowaniem szczepionych kopolimerów

blokowych w chemicznych czujnikach lotnych substancji organicznych (VOC) pracujących w mikrofalowym zakresie widma promieniowania elektromagnetycznego [A9, A10]. Idea, która

przyświecała tym badaniom, zakładała opracowanie kosztowo efektywnych czujników acetonu. Analit ten jest markerem chorobowym cukrzycy obecnym w wydychanej mieszaninie

gazowej. Po zapoznaniu się z mikrofalową platformą pomiarową i przeanalizowaniu fizykochemicznych właściwości analitów gazowych w klasie związków VOC,

zaproponowałem, przy współpracy z zespołem chemicznym, cechy funkcjonalnego receptora do detekcji tej klasy związków. W wyniku prac badawczo eksperymentalnych został

opracowany polimer przewodzący z przewodzącymi grupami bocznymi ftalocyaniny, (rys. 9b), dedykowanymi do sorpcji par acetonu.

Zasadniczym moim udziałem w badaniach mikrofalowych czujników gazów, była realizacja

i optymalizacja procesów technologicznych prowadzących do wytworzenia serii czujników pojemnościowych na przygotowanych podłożach w postaci międzypalczastych

kondensatorów. Ponadto prowadziłem badania i charakteryzację wytworzonych przeze mnie struktur sensorowych. Na rys. 13 przedstawiłem przykładowe wyniki tych badań. Pełna analiza

znajduje się w pracy [A9] w części eksperymentalnej. Otrzymane struktury


28

chemokondensatorów mikrofalowych wyposażonych w kopolimer PMS-graft-Pc

charakteryzowały się częstotliwością rezonansową fres ≈ 8.6 GHz. Struktury były badane w mikrofalowym zakresie promieniowania elektromagnetycznego zarówno szerokopasmowo (0-

10 GHz) [A9], jak i w układzie 6-cio kanałowego reflektometru, będącego alternatywnym, nisko kosztowym rozwiązaniem dla widmowego pomiaru za pomocą wektorowego analizatora sieci

(ang. Vector Network Analyzer – VNA) [A10]. Badania dynamiczne w mieszaninach gazowych, zawierających substancje VOC o różnych koncentracjach, przeprowadzono w AGH.

Rejestrowano zarówno częstotliwość rezonansową struktur i jej zmianę wywołaną oddziaływaniem substancji VOC z organicznym receptorem, jak i współczynnik odbicia S11 i

jego zmianę w dB dla częstotliwości 8 GHz (podobieństwo do metody Q-punktu w strukturach FPI w paśmie Vis-NIR fali elektromagnetycznej). Generalnie należy tutaj wskazać na

podobieństwo metodologii analizy sygnału pomiarowego w pracach [A9, A10] do metodyki pomiaru sygnału użytecznego w strukturach FPI. Opracowane w naszym zespole badawczym

struktury charakteryzują się dobrymi parametrami czujnikowymi, w szczególności dobrą dynamiką i czułością. Uzyskane wyniki pomiarów dynamicznych: czas odpowiedzi 60 s, czas

regeneracji struktur 260 s dla 20 ppm acetonu w suchym powietrzu syntetycznym w temperaturze pokojowej, wskazują na spory potencjał aplikacyjny zaproponowanych

rozwiązań. Praca [A9] została zauważona w (mikrofalowym) środowisku czujnikowym, skutkiem czego jest istotna ilość (30) obcych cytowań. Pomimo, iż praca [A9] została opublikowana

relatywnie niedawno, bo w grudniu 2016 r.

Rys. 13. Charakteryzacja struktury sensorowej w układzie mikrofalowego kondensatora wyposażonego w organiczny receptor w postaci polimeru PMS-graft-Pc do detekcji acetonu [A9].

Podsumowując, wyniki prac [A8-A10] wskazują na możliwość określenia wpływu morfologii

i uporządkowania międzycząsteczkowego polimerowych materiałów funkcjonalnych oraz kształtowania ich fizykochemicznych właściwości, w szczególności optycznych, elektrycznych

i adsorpcyjnych. Ponadto daje możliwość formowania wieloskładnikowych struktur receptorowych dla optoelektronicznych i mikroelektronicznych elementów czujnikowych o

programowanych właściwościach dzięki zastosowaniu materiałów na bazie niedomieszkowanych oraz domieszkowanych szczepionych kopolimerów blokowych

zawierających funkcyjne polimerowe grupy przewodzące.

Receptory organiczne do akustoelektronicznych czujników wodoru typu SAW

Równolegle z pracami nad światłowodowymi niskokoherentnymi strukturami FPI

wykorzystującymi nieorganiczne receptory TMO do detekcji i pomiaru wodoru, prowadziłem prace naukowo-badawcze nad strukturami sensorowymi do akustoelektronicznych czujników

wodoru z akustyczną falą powierzchniową (typu SAW - ang. Surface Acoustic Wave). Badania


29

i prace technologiczne w tym obszarze badawczym, prowadziłem w ramach realizacji

sensorowych projektów badawczo-rozwojowych [J6, J7, J13] (zał. 4). Sensory gazu typu SAW są czułymi detektorami między innymi analitów gazowych, wykorzystujące

Przetworniki pomiarowe typu SAW, w rozwiązaniach przedstawionych w pracach [A11, A12] oraz [B4, B8, B13, B19, B20], zawierają dwie lub cztery linie opóźniające, wyposażone w

symetryczny układ dwóch przetworników międzypalczastych, wytworzonych na powierzchni kryształów piezoelektrycznych. Przede wszystkim w badaniach zespołów, których byłem

członkiem, stosowany był niobianu litu (LiNbO3). Sporadycznie realizowane były również konfiguracje sensorowe na kwarcu (SiO2-ST). Zespół przetworników międzypalczastych

wytwarzany był w procesach PVD, fotolitografii oraz mokrego trawienia. Przetworniki typu SAW były wytwarzane i pracują w układach różnicowych. Jedna z linii jest linią odniesienia,

natomiast pozostałe linie czujnikowe wyposażane są w warstwy i struktury receptorowe, naniesione na kryształ pomiędzy przetwornikami SAW. Linie pracują w układzie dodatniego

sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. Zasilenie przetwornika przemiennym napięciem na wejściu, generuje przemienne odkształcenie pola na powierzchni kryształu i generuje

akustyczną falę, która propaguje się przy powierzchni podłoża piezoelektrycznego kryształu. Zanim energia fali zostanie zamieniona na elektryczny sygnał przez drugi przetwornik na wyjściu

układu, fala akustyczna oddziałuje z warstwą receptorową. Prędkość i tłumienie propagującej się fali zmieniają się nawet przy nieznacznej zmianie masy (sensory grawimetryczne typu SAW)

czy lepkosprężystości cienkiej warstwy uformowanej na powierzchni układu lub na skutek zmiany przewodności na interfazie warstwa receptorowa / powierzchnia kryształu (sensory

akustoelektroniczne). Użytecznym sygnałem wyjściowym z układu przetwornika pomiarowego jest częstotliwość różnicowa (∆f) obydwu generatorów. Zależy ona od zjawisk, które zachodzą

na powierzchni sensorowej linii opóźniającej na skutek oddziaływania gazu ze strukturą receptorową.

Rys. 14. Konfiguracja struktury sensorowej w układzie akustoelektronicznego sensora typu SAW wyposażonego w receptor dwuwarstwowy Pd/MPc do detekcji H2 [A11].

Zasadnicze zagadnienie jakie zostało rozwiązane w tym obszarze badawczym, dotyczy opracowania dwuwarstwowego układu i technologii wykonania optymalnego receptora

pallad / ftalocyanina do detekcji H2 w czujnikach SAW. Układ ten okazał się niezwykle


30

efektywny ze względu na generację efektu dipolowego na interfazie Pd/MPc wskutek

oddziaływania na strukturę wodoru. Sytuację tą przedstawia rys. 14. Mechanizm oddziaływania jest zbliżony do układu Pd/TMO. Wodór ulega katalitycznej dysocjacji na

powierzchni cienkiej warstwy palladu, następnie dyfunduje w obszar interfazy Pd-Pc struktury. Elektrony z kolei wstrzykiwane są organicznego półprzewodnika, zmieniając jego przewodność.

W związku z tym, w przypadku organicznego półprzewodnika z układem π-sprzężonych elektronów, jakim jest MPc, rejestrujemy istotną zmianę jego przewodności elektrycznej, która

jest źródłem zmiany prędkości fali akustycznej propagującej się w krysztale piezoelektrycznym. Jednakże znaczące zmiany prędkości fali w przetwornikach SAW są możliwe w przypadku

zmian przewodności powierzchniowej tylko wtedy, gdy sumaryczna przewodność struktury dwuwarstwowej jest odpowiednio dopasowana do aktywnego zakresu efektu

akustoelektrycznego. Ten aktywny zakres zależy głównie od prędkości fali w krysztale czujnika SAW i jego właściwości dielektrycznych oraz grubości warstw struktury. Szczegółowa analiza

tych zagadnień została przedstawiona w pracach [A11, A12] dla dwóch różnych ftalocyanin w zbliżonym układzie pomiarowym.

W ramach niniejszego obszaru badawczego przeprowadziłem badania i prace

technologiczne nad optymalizacją grubości warstw ftalocyanin przewodzących w układach dwuwarstwowych Pd/Pc, pod kątem optymalizacji akustoelektrycznego parametru struktur

sensorowych typu SAW oraz analizą wpływu efektu dipolowego na interfazie Pd/MPc na wrażliwość struktur na gazowy wodór i parametry dynamiczne czujników. Prace zaowocowały

uzyskaniem struktur o czasach odpowiedzi rzędu kilku sekund w zakresie stężenia LEL wodoru mierzonego w temperaturze około pokojowej [A11, A12]. Dodatkowo w pracy [A11] zaproponowałem autorską konfigurację struktury z warstwą zabezpieczającą, wykonaną z PE metodą próżniowego osadzania. Konfigurację przedstawia rys. 14.

W zakresie prac technologicznych opracowałem założenia do prowadzenia procesów wytwarzania ftalocyanin metodą PVD w celu uzyskania struktur o dedykowanych

parametrach elektrycznych dwuwarstwowego układu Pd/Pc poprzez kontrolę temperatury pre-wygrzewania, temperatury źródła Pc w czasie nanoszenia, z jednoczesną kontrolą

szybkości osadzania oraz kontroli czystości interfazy Pd/Pc. Rozwiązanie zaadoptowałem w przestrzeni technologicznej do realizacji struktur Pd/H2Pc [A11] i Pd/CuPc [A12]. Badania były

wspierane wykonaniem bliźniaczych struktur rezystancyjnych do analizy i pomiarów ich właściwości elektrycznych

Za istotny wkład do dziedziny elektronika, w ramach omawianego zagadnienia, uznaję:

- opracowanie mikroelektronicznych przetworników i układów pomiarowych dedykowanych do nanoszenia materiałów receptorowych w postaci struktur sensorowych z fazy ciekłej, w szczególności przewodzących materiałów kopolimerowych;

- autorstwo idei konfiguracji mikroelektronicznego przetwornika w układzie mikrofalowego kondensatora z aktywnym kopolimerem grzebieniowym PMS-graft-Pc do detekcji i pomiaru niskich koncentracji (< 5 ppm) acetonu w temperaturze około pokojowej z pomiarem częstotliwości rezonansowej (ok. 8,6 GHz). Jest to pionierskie rozwiązanie w zakresie zastosowania funkcjonalnych kopolimerów w mikrofalowej sensoryce gazów;

- zasadniczy udział w opracowaniu idei opto- i mikroelektronicznych czujników gazów z zastosowaniem nowoczesnych, organicznych receptorów w postaci kopolimerów


31

blokowych szczepionych przewodzącymi bocznymi grupami funkcyjnymi do dedykowanej sorpcji danej klasy analitów gazowych wraz z określeniem mechanizmów oddziaływania;

- wyłączny udział w opracowaniu i realizacji technologii kontrolowanego wytwarzania struktur Pd/Pc w technologiach PVD do zastosowań w czujnikach SAW oraz chemicznych technologii nanoszenia roztworów kopolimerów blokowych z fazy ciekłej;

- realizacja i optymalizacja procesów technologicznych prowadzących do wytworzenia serii czujników pojemnościowych do badań w monochromatycznym, mikrofalowym układzie 6-cio kanałowego reflektometru, będącego alternatywnym, nisko kosztowym rozwiązaniem dla widmowego pomiaru za pomocą wektorowego analizatora sieci (ang. Vector Network Analyzer – VNA).


32

4.3.6. Znaczenie wyników badań w rozwoju elektroniki

Trudno poddać w wątpliwość tezę, że optoelektroniczne i mikroelektroniczne podzespoły oraz układy mają w ostatnich dziesięcioleciach kluczowe znaczenie dla produktów i usług,

którymi posługuje się nasza cywilizacja. Nowoczesna elektronika ma również fundamentalny wpływ na innowacyjność i konkurencyjność wszystkich czołowych sektorów gospodarki.

Badania i rozwiązania czujnikowe, które przedstawiłem w obrębie mojego osiągnięcia naukowego, wpisują się w bieżące trendy rozwojowe nowoczesnej, optoelektronicznej oraz

mikro- i nanoelektronicznej sensoryki. Dotyczą one konfiguracji optoelektronicznych i mikroelektronicznych struktur sensorowych, wyposażonych w nowoczesne, przewodzące

receptory oraz opracowania metod rejestracji i analizy użytecznego sygnału pomiarowego.

Detekcja i pomiar niskich koncentracji wybuchowych i toksycznych analitów gazowych,

może posłużyć do ich wczesnej identyfikacji w newralgicznych miejscach wielu branż przemysłu oraz szeroko rozumianej przestrzeni publicznej. Monitoring zagrożeń, w tym zagrożeń

wywołanych obecnością niepożądanych analitów chemicznych w środowisku, jest dzisiaj jednym z głównych problemów, z którym borykają się konstruktorzy systemów pomiarowych.

Dlatego pożądane jest poszukiwanie nowych rozwiązań czujnikowych charakteryzujących się dobrym fizykochemicznym dopasowaniem (powinowactwem) do badanego analitu lub

substancji chemicznej. Ważne jest również opracowywanie technik pomiarowych optymalnych dla zastosowań w danym środowisku pomiarowym.

Przedstawione w osiągnięciu rozwiązania sensorowe mogą być z powodzeniem

implementowane w nowoczesnych systemach pomiarowych. Nieustanny rozwój cywilizacji wymusza poszukiwanie rozwiązań pozwalających sprostać wyśrubowanym wymaganiom

technicznym oraz rozwiązań elementów i systemów adaptowalnych do monitorowania trudnych obiektów i środowisk pomiarowych. Coraz częściej konieczne staje się opracowanie

dedykowanych urządzeń, pełniących bardzo określone funkcje i zadania. Przedstawione w osiągnięciu zagadnienia naukowo-badawcze z obszaru optoelektronicznej i

mikroelektronicznej sensoryki, wpisują się w bieżące trendy rozwoju fotonicznych i elektronicznych, kompaktowych oraz kosztowo efektywnych urządzeń i systemów

pomiarowych, stanowiących alternatywę dla metod analitycznych. Innym aspektem jest możliwość implementacji relatywnie nisko kosztowych rozwiązań pomiarowych o małych

wymiarach i małej masie na nowoczesnych, autonomicznych platformach mobilnych (drony, smartfony, etc.) oraz w autonomicznym monitoringu rozproszonym (internet rzeczy, sieci 5G z

obsługą protokołów M2M, sztuczna inteligencja, etc.). Obserwując bieżące trend rynkowe, obejmujące szeroko pojętą sensorykę, możemy już zaobserwować, że te kierunki rozwoju są

obecnie wypełniane praktycznymi rozwiązaniami.

Zatem analizując znaczenie osiągnięcia dla elektroniki, stwierdzam że, przedstawione

rozwiązania i uzyskane rezultaty badań, pozwalają na rozpoczęcie prac nad opracowaniem szeregu ultraczułych, kompaktowych, wieloparametrowych urządzeń i elementów

pomiarowych wpływających na bezpieczeństwo osób i obiektów (systemy pomiaru i monitoringu gazów wybuchowych i toksycznych), czystość procesów chemicznych,

wykrywanie zanieczyszczeń atmosfery, itp. Na potwierdzenie tej opinii mogę powiedzieć, że zarejestrowałem istotne zainteresowanie środowiska naukowego i partnerów przemysłowych

przedstawionymi rozwiązaniami czujnikowymi w aspekcie praktycznych aplikacji pomiarowych.


33

4.3.7. Podsumowanie wyników badań

Podsumowując zaprezentowane badania, do najistotniejszych moich oryginalnych osiągnięć wchodzących w skład przedłożonego osiągnięcia naukowego, stanowiącego istotny wkład w rozwój dyscypliny naukowej elektronika w obszarze optoelektronicznej i mikroelektronicznej sensoryki pośredniej wybranych analitów gazowych z zastosowaniem przewodzących materiałów receptorowych, należy zaliczyć:

I. Opracowanie niskokoherentnych światłowodowych i optoelektronicznych struktur

sensorowych z aktywnymi materiałami wnęki rezonansowej oraz opcjonalnie

zwierciadeł o fizykochemicznych właściwościach modulowanych badanym

analitem wraz z metodologią pomiaru i analizy użytecznego sygnału odpowiedzi

czujnika [A1-A7].

W szczególności, w wyniku prowadzonych prac badawczych:

- zoptymalizowałem struktury interferencyjne w zakresie ograniczenia ilości warstw przetwornika oraz metodologii detekcji zmian parametrów optycznych struktur interferencyjnych, modulowanych badanym analitem, wykorzystujących dwubarwową lub wielobarwową metodę detekcji optycznego sygnału odpowiedzi;

- w zakresie metodologii analizy sygnałów, zaproponowałem (jako współautor) dwubarwową oraz wielobarwową metodę detekcji zmian parametrów optycznych niskokoherentnych struktur interferencyjnych z gazoczułymi receptorami, prowadzącą do określenia koncentarcji lub stężenia badanego analitu. Metoda wielobarwowej detekcji (detekcji barwy interferencyjnej) jest jedną z pierwszych notowanych w literaturze metod analizy podejmujących problem pomiaru zmian współrzędnej(ych) barwowej(ych) do określania stężenia i/lub koncentracji analitu;

- określiłem założenia konstrukcyjne i technologiczne, w zakresie technologii PVD, prowadzące do uzyskania aktywnych struktur Pd/TMO w światłowodowych czujnikach wodoru, pracujące w temperaturach niższych niż 100 °C. Otrzymane struktury były jednymi z pierwszych w literaturze, które wykorzystały nieorganiczne, gazochromowe materiały receptorowe (półprzewodzące tlenki metali przejściowych) do optycznej detekcji wodoru w niskich temperaturach. Przeprowadziłem badania nad optymalizacją konfiguracji struktur i doboru materiału receptora wnęki w zakresie poprawy wrażliwości na wodór i poprawy parametrów dynamicznych (czasy odpowiedzi i regeneracji) [A1-A3]. Ponadto, przeanalizowałem mechanizmy oddziaływania analitów (głównie wodoru) na parametry optyczne struktur Pd/TMO przy wsparciu i z uwzględnieniem pomiarów elektrycznych i akustoelektronicznych typu SAW wybranych struktur;

- opracowałem i zooptymalizowałem światłowodowy higrometr bazujący na komercyjnym kopolimerze blokowym – Nafionie. Higrometr charakteryzuje się bardzo dobrymi parametrami dynamicznymi. Posiada jedne z najszybszych czasów


34

odpowiedzi (< 5 s dla RH < 50% i RT) i regeneracji (12 s dla RH < 50% i RT) spotykanych w literaturze dla światłowodowych czujników wilgotności [A4-A6];

- opracowałem i wykonałem optoelektroniczny czujnik amoniaku (3-500 ppm) na bazie interferencyjnej struktury Pd/CuPc z wielobarwową detekcją sygnału użytecznego. Określiłem morfologię struktur i jej wpływ na wrażliwość na NH3. Scharakteryzowałem wpływ wilgotności na wrażliwość oraz na parametry dynamiczne optoelektronicznego czujnika [A7].

II. Opracowanie optoelektronicznych i mikroelektronicznych struktur czujnikowych na

bazie organicznych materiałów receptorowych, w szczególności kopolimerów

blokowych szczepionych bocznymi grupami funkcyjnymi dedykowanymi do

programowanej sorpcji specyficznego analitu gazowego oraz ftalocyanin [A8-A12].

W wyniku prowadzonych prac badawczych:

- opracowałem optoelektroniczny przetwornik w układzie plazmonowym z aktywnym kopolimerem grzebieniowym PMS-graft-P3HT-graft-PG do detekcji i pomiaru niskich koncentracji (< 10 ppm) ditlenku azotu (NO2) w temperaturze pokojowej z pomiarem rezonansowej długości fali. Przeanalizowałem mechanizm zmiany parametrów optycznych ww. struktur powstałych wskutek oddziaływania NO2, z wykorzystaniem symultanicznych pomiarów elektrycznych struktur [A8];

- opracowałem, wykonałem i scharakteryzowałem mikroelektroniczny przetwornik w układzie mikrofalowego kondensatora z aktywnym kopolimerem grzebieniowym PMS-graft-Pc do detekcji i pomiaru niskich koncentracji (< 5 ppm) acetonu w temperaturze około pokojowej (25 °C - 40 °C) z pomiarem częstotliwości rezonansowej (ok. 8,6 GHz). Jest to pionierskie rozwiązanie w zakresie zastosowania funkcjonalnych kopolimerów przewodzących w mikrofalowej sensoryce gazów [A9, A10].

- przeprowadziłem badania i prace technologiczne nad optymalizacją grubości warstw ftalocyanin przewodzących w układach dwuwarstwowych Pd/Pc, pod kątem optymalizacji akustoelektrycznego parametru sensorowych struktur typu SAW oraz analizą wpływu efektu dipolowego na interfazie Pd/Pc na wrażliwość struktur na gazowy wodór i parametry dynamiczne. Prace zaowocowały uzyskaniem struktur o czasach odpowiedzi rzędu kilku sekund w zakresie stężenia LEL wodoru mierzonego w temperaturze około pokojowej [A11, A12].

- opracowałem założenia do prowadzenia technologii PVD ftalocyanin w celu uzyskania struktur o dedykowanych parametrach elektrycznych dwuwarstwowego układu Pd/Pc poprzez kontrolę temperatury pre-wygrzewania, temperatury źródła Pc w czasie nanoszenia, z jednoczesną kontrolą szybkości osadzania oraz zagwarantowanie czystości interfazy Pd/Pc. Rozwiązanie zaadoptowałem w przestrzeni technologicznej do realizacji struktur Pd/H2Pc [A11] i Pd/CuPc [A12].


35

5. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo-badawczych

Moja działalność naukowa od samego początku była ściśle i nierozłącznie związana z optoelektroniczną, fotoniczną i mikroelektroniczną sensoryką, zwłaszcza w zakresie

opracowywania unikalnych, dedykowanych konfiguracji czujnikowych z doborem nowoczesnych materiałów receptorowych oraz technologią ich wytwarzania. W ramach

realizacji dyplomowej pracy magisterskiej zaproponowałem autorską konfigurację plazmonowego układu czujnikowego w konfiguracji Kretschmana pracującego w środowisku

wodnym. W mojej rozprawie doktorskiej, z kolei, zaproponowałem autorską konfigurację struktury sensorowej metal-dielektryk-metal do optycznej detekcji wodoru. W pracy został

przeanalizowany szereg zjawisk fizykochemicznych, których występowanie było uzależnione od właściwości zastosowanych materiałów metalicznych i dielektrycznych modulowanych

oddziaływaniem z wodorem. Wyniki zaprezentowane w obronionej z wyróżnieniem dysertacji znalazły uznanie w wymiarze aplikacyjnym i zostały nagrodzone w postaci stypendium

promocyjnego FIATA w 2005 r. W trakcie trwania studiów doktoranckich na Wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki

Politechniki Śląskiej, odbyłem 3-miesięczny staż naukowy w ramach programu Socrates-Erasmus, na University of Oulu w Finlandii (Optoelectronics And Measurement Techniques

Laboratory, Department of Electrical and Information Engineering). Okres ten zaowocował zdobytymi przeze mnie nowymi doświadczeniami w zakresie nowoczesnych,

niskokoherentnych konfiguracji sensorowych. Ośrodek ten słynie z bogatego doświadczenia w zastosowaniach techniki optycznej tomografii koherentnej (OCT) w sensoryce fizycznej i

biomedycznej.

Głównym celem moich prac badawczych, realizowanych po uzyskaniu stopnia naukowego doktora nauk fizycznych w 2005 r., była działalność prowadząca do opracowania

skutecznych konfiguracji chemooptycznych i chemoelektronicznych struktur czujnikowych będących podstawowym i jednocześnie kluczowym elementem opto- i mikroelektronicznych

sensorów gazów do zastosowań w detekcji i pomiarze wybranych analitów. Prace te w szczególności dotyczyły projektowania różnorodnych konfiguracji struktur, technologii

wytwarzania, charakteryzacji i pomiarów opracowanych przetworników wraz z analizą mechanizmów oddziaływania badanego analitu gazowego na fizykochemiczne właściwości

materiału gazoczułego w strukturze. W związku z tym starałem się doskonalić swoje umiejętności, podnosić kwalifikacje i kompetencje oraz zdobywać doświadczenie w zakresie:

budowy i obsługi próżniowych systemów nanoszenia struktur cienkowarstwowych, wieloparametrowej charakteryzacji nanomateriałów gazoczułych oraz metodologii

opracowania danych pomiarowych. Szczegółowe informacje na temat tej działalności oraz wykaz cytowanych poniżej osiągnięć zamieściłem w Załączniku nr 4. Informację o kursach i

szkoleniach doskonalących kompetencje zawodowe zawarłem w [2L1].

Bezpośrednio po zakończeniu prac związanych z uzyskaniem doktoratu zaangażowałem się w pracę w zespołach badawczych powołanych do realizacji projektów [J6, J9]. Wynikiem

tych prac był rozwój nowych konfiguracji opto- i mikroelektronicznych struktur sensorowych, wymagających m.in. precyzyjnych nanotechnologii nanoszenia materiałów gazoczułych i

przetwornikowych. Wymusiło to konieczność modernizacji urządzeń w Laboratorium Nanoszenia Powłok i Struktur Cienkowarstwowych Katedry Optoelektroniki (wtedy Zakładu

Optoelektroniki Instytutu Fizyki). Prace te przede wszystkim obejmowały wymianę układów pompowych wraz ze sterowaniem oraz niezbędną infrastrukturą. Byłem za te prace

odpowiedzialny i prowadziłem je w zakresie projektu i częściowej realizacji. Wynikiem prac są


36

układy (cztery zestawy) do nanoszenia szerokiej gamy materiałów, próżniowymi technikami

PVD. Układy te charakteryzują się bazową, tzw. suchą próżnią rzędu 10-7 hPa.

Poza głównymi tematami badawczymi, które są przedmiotem osiągnięcia, przedstawionego w niniejszym autoreferacie, w mojej działalności naukowo-badawczej po

doktoracie zajmowałem się badaniami z zakresu wieloparametrowej analizy i charakteryzacji sensorowych, nanostrukturalnych materiałów tlenkowych [B3, B7, B9, B11], węglowych [B4, B5, B6, B10], materiałów polimerowych i struktur do zastosowań fotowoltaicznych [E16, E18] oraz struktur plazmonowych [B16]. Mam doświadczenie w prowadzeniu badań i interpretacji

wyników pomiarów (odbyte szkolenia [2L2]) uzyskanych metodami takich jak SEM, AFM, spektroskopia plazmonowa, spektroskopia rozpraszania Ramana, konfokalna mikroskopia

laserowa, służącymi m.in. do nanoidentacji materiałów czujnikowych. W ramach realizacji projektu [J5] opracowałem ideę oraz byłem współautorem wykonania

dedykowanego układu pomiarowego grawimetrycznego przetwornika typu QCM ze strukturą sensorową wykonaną z nanostrukturalnego, półprzewodnikowego ditlenku tytanu (TiO2),

otrzymanego metodą hydrotermicznej kalcynacji [B2, C2]. Układ charakteryzuje się stabilną pracą komercyjnych rezonatorów kwarcowych typu QCM w warunkach przepływu badanej

mieszaniny gazowej przy jednoczesnym podgrzewaniu badanych struktur QCM w zakresie temperatur 20 °C - 120 °C. Unikalną cechą rozwiązania jest możliwość zmiany temperatury

struktury QCM wraz z dodatkową możliwością wykonywania pomiarów grawimetrycznych w trybie termicznie programowanej desorpcji analitów utleniających z próbek materiałów (w tym

wybuchowych) stałych i/lub ciekłych, w celu analizy ich par w trybie aspiracyjnym i dyfuzyjnym. Unikalne rozwiązanie układu pomiarowego uzyskało patent krajowy [C3]. Ponadto

sposób nanoszenia nanostruktury sensorowej na kryształ QCM również został opatentowany [C2]. W ramach tego samego projektu [J5] zaprojektowałem cylindryczny prekoncentrator do

zatężania związków utleniających na bazie nanostrukturalnych materiałów tlenkowych. Rozwiązanie zostało zgłoszone do patentowania [Z1].

Brałem udział w pracach nad optoelektronicznym systemem spektrometrycznym do diagnozowania zmian dysplastycznych i nowotworowych na powierzchni ciała pacjenta w

ramach projektu [J11]. Byłem m.in. odpowiedzialny za opracowanie i technologiczne wykonanie przestrajalnego filtra pasmowego w układzie analizy widma luminescencji tkanek.

Szczegóły budowy systemu chronione są dwoma patentami [C4, C5]. Zawsze, niezwykle istotny w mojej działalności badawczej, był pierwiastek aplikacyjny

projektowanych i opracowywanych rozwiązań, związany z komercjalizacją wyników. Dlatego wymiernym efektem moich prac, oprócz publikacji naukowych, jest uzyskanie, jako

współtwórca, czterech oryginalnych osiągnięć projektowo konstrukcyjnych [1B1-1B4] oraz sześciu patentów krajowych [C1-C6].

Byłem i jestem zaangażowany w realizację szeregu interdyscyplinarnych zadań,

przedsięwzięć, projektów badawczych i dydaktycznych w krajowej współpracy z ośrodkami akademickimi oraz podmiotami gospodarczymi. Dotyczy to zarówno rozległych konsorcjów

naukowo-badawczych takich jak np. NLPQT czy InTechFun [2A1-2A4], finansowanych z Funduszy Strukturalnych, jak i programów koordynowanych przez podmioty gospodarcze [2A6, 2A7] w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Śląskiego. Efektem tych działań jest nie tylko wysoki poziom opracowywanych rozwiązań ale również promocja i

popularyzacja rozwiązań badawczych i technicznych obejmujących optoelektroniczną, fotoniczną i mikroelektroniczną sensorykę w szeroko pojętym otoczeniu społeczno-

gospodarczym.


37

Wyniki moich prac zostały zaprezentowane na ponad 30 konferencjach naukowych

zarówno z zakresu optoelektroniki, mikroelektroniki, jak i inżynierii materiałowej, nanotechnologii materiałów oraz sensoryki. W przypadku znakomitej większości wspomnianych prezentacji

ustnych (11 referatów [L1-L11], w tym 1 plenarny i 2 zaproszone) i plakatowych, byłem pierwszym i prezentującym autorem.

Mój dorobek naukowy od czasu uzyskaniu stopnia naukowego doktora stanowi: 30 publikacji [A1, A2, A4, A6-A12, B1-B20] w międzynarodowych czasopismach z listy JCR (tzw.

listy Filadelfijskiej), indeksowanych w bazie Web of Science, których sumaryczny Impact Factor (zgodnie z rokiem publikacji) wynosi lF = 46,925. Wg bazy Web of Science, mój indeks Hirscha

wynosi H = 14 a liczba cytowań wynosi 510 (392 bez autocytowań, stan na dzień 17.04.2019).

W uznaniu uzyskanych rezultatów prowadzonych prac badawczo-rozwojowych, przyznano mi szereg nagród [K1-K9, 2D1-2D3] zarówno indywidualnych, jak i zespołowych. Między innymi

jestem beneficjentem Grantu Projakościowego JM Rektora Politechniki Śląskiej [K1] oraz zostałem uhonorowany za osiągnięcia naukowe indywidualnymi nagrodami II stopnia i III

stopnia JM Rektora Politechniki Śląskiej [K2, K3]. Wykaz nagród zamieszczono poniżej.

Wiedzę, umiejętności i doświadczenie zdobyte w pracy naukowo-badawczej wykorzystuję w pracy dydaktycznej prowadzonej dla studentów kilku różnych wydziałów Politechniki Śląskiej.

Jestem autorem programu i prowadzącym czterech przedmiotów [2I2-2I5] z zakresu technologii, materiałoznawstwa i metrologii oraz pomysłodawcą i wykonawcą 25 ćwiczeń

laboratoryjnych [2I6] wraz z instrukcjami stanowiskowymi. Większość z nich dotyczy szeroko pojętej sensoryki i optoelektroniki.

Ważną część mojej działalności stanowią aktywności związane z popularyzacją nauki i pracą z młodzieżą, poza statutowymi ramami akademickiej działalności dydaktycznej. Od

2013 jestem opiekunem prężnie działającego Studenckiego Koła Naukowego Foton. W ramach tej działalności brałem udział w szeregu wydarzeń popularyzatorskich (tj. Pikniki

Naukowe PRiCK Warszawa, Dni Energii Miasta Katowice, Forum Nowej Gospodarki Eurocentrum Katowice, Ekoodpowiedzialni Katowice, i in.) w charakterze m.in. organizatora,

koordynatora, pomysłodawcy zestawów demonstracyjnych oraz wystawcy i wykładowcy [2I10]. Obecnie, od 2015, SKN Foton ściśle współpracuje z Centrum Popularyzacji Nauki

Politechniki Śląskiej. W ramach mojej działalności naukowo-dydaktycznej sprawowałem również opiekę

naukową i byłem promotorem 7 prac magisterskich i 8 inżynierskich [2J1-2J3], w szczególności 3 prac magisterskich wyróżnionych w konkursach ogólnopolskich [2J2]. Sprawowałem opiekę

nad studentem studiów doktoranckich, zdobywcą grantu „Doctoris” [2J6]. Pełniłem funkcję Promotora pomocniczego w zakończonym z wyróżnieniem przewodzie doktorskim [2K1].

Gliwice, dn. 17 kwietnia 2019 Erwin Maciak


38

Istotne, światowe pozycje literaturowe z tematycznego zakresu osiągnięcia

[1] J. Janata, Principles of chemical sensors, 2nd edn. (2009) Springer, New York.

[2] T. Seiyama, Chemical sensors – current state and future outlook, in „Chemical Sensors Technology”, Vol. 1, Ed. T.

Seiyama, (1988) Elsevier, Amsterdam, Kodansha LTD, Tokyo.

[3] W. Göpel, T. A. Jones, M. Kleitz, I. Lundström, T. Seiyama, Sensors: A Comprehensive Survey, Chemical and

Biochemical Sensors Vol.2 part I (1991) VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, New York, Basel Cambridge

[4] J.R. Stetter, W.R. Penrose, S. Yao, Sensors, Chemical Sensors, Electrochemical Sensors, and ECS, Journal of The

Electrochemical Society, 150 (2) (2003) S11-S16.

[5] G. Korotcenkov. Handbook of Gas Sensor Materials: Properties, Advantages, and Shortcomings for Applications.

(2013) Springer, New York.

[6] M. Ratner, D. Ratner, Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea, Prentice Hall, USA, November

2002.

[7] B. Bhushan, Springer Handbook of Nanotechnology, Springer-Verlag, Heidelberg, Germany, 2004.

[8] M. A. Carpenter, S. Mathur, A. Kolmakov, Metal Oxide Nanomaterials for Chemical Sensors (2013) Springer

Science+Business Media New York.

[9] G. Eranna, Metal Oxide Nanostructures as Gas Sensing Devices (2011) CRC Press - Taylor & Francis Group.

[10] Chemical Sensor Market - Segmented by Product Type (Electrochemical, Optical, and Pellistor/Catalytic Bead), End-user Industry (Industrial, Medical, Environmental Monitoring, and Defense and Homeland Security), and Region - Growth, Trends, and Forecast (2019 - 2024), Global Industry Report published MAR 2018 by Mordor Intelligence Inc.

www.mordorintelligence.com (industry reports).

[11] B. Timmer W. Olthuis, A. van den Berg. Ammonia sensors and their applications—a review, Sensors and Actuators

B 107 (2005) 666–677.

[12] G. Hoek, R. M. Krishnan, R. Beelen, A. Peters, B. Ostro, B. Brunekreef, J. D. Kaufman. Long-term air pollution

exposure and cardio- respiratory mortality: a review, Environmental Health 2013, 12:43.

[13] M. Kampa, E. Castanas. Human health effects of air pollution, Environmental Pollution 151 (2008) 362 e 367.

[14] Rao, Y.-J.; Jackson, D.A. Recent progress in fibre optic low-coherence interferometry. Meas. Sci. Technol. 1996, 7,

981–999.

[15] C.G. Granqvist, in: Elsevier Science B. V. (Ed.), Handbook of Inorganic Electrochromic Materials, (2002) Oxford.

[16] N. Barsan, K. Schierbaum (eds.), Gas Sensors Based on Conducting Metal Oxides 1st Edition Basic Understanding,

Technology and Applications (2018) Elsevier Science B. V.

[17] E. García-Breijo, B. Gómez-Lor Pérez, P.Cosseddu (eds.), Organic Sensors. Materials and Applications (Control,

Robotics and Sensors). (2016) IET Digital Library

[18] J. Jiang (vol. ed.), Functional Phthalocyanine Molecular Materials (2010) Springer Heidelberg Dordrecht London

New York

[19] http://www.nauka.gov.pl/horyzont-2020/program-horyzont-2020.html.

[20] N. Hadjichristidis, S. Pispas, M. Pitsikalis, H. Iatrou, D.J. Lohse, Graft copolymers, Encyclopedia Of Polymer Science

and Technology, John Wiley & Sons, Inc. 2010, pp. 1–38.

[21] Ed. A. Bhattacharya, J. W. Rawlins, P. Ray. Polymer Grafting And Crosslinking Published by John Wiley & Sons,

Inc., Hoboken, New Jersey 2009.

[22] V.C. Goncalves, D.T. Balogh, Optical VOCs detection using poly(3-alkylthiophenes) with different side-chain

lengths, Sensors and Actuators B 142 (2009).


39

Syntetyczne podsumowanie dorobku publikacyjnego i ważniejszych pozostałych osiągnięć

Opis pracy twórczej Przed doktoratem

Lata 2000 2005 Po doktoracie

Lata 2006 2019

Opublikowane naukowe prace twórcze 1A – pierwszy autor (lub jedyny), WA – współautor, Σ – suma

Rodzaj publikacji Punkty MNiSW 1A WA Σ 1A WA Σ

Publikacje

Baza WoSa)

505

2 2 4 5 25 30 Baza

Scopusb) 0 1 1 1 0 1

Baza Pol. Śl. c) 4 4 8 4 7 11

Materiały konferencyjne (referat/komu-

nikat)

Baza WoSa) 120 1 4 5 5 6 11 Baza

Scopusb) N/D 2 1 3 0 2 2

Baza Pol. Śl. c) N/D 5 4 9 14 30 44 Patenty

(baza UPRP) d) krajowe 150 0 0 0 0 6 6

zgłoszenia 15 0 1 1 1 6 7

Udział w projektach badawczych

Projekty badawczo-rozwojowe

Kierownik projektu lub zadania - 3

Główny wykonawca lub

wykonawca 3 12

Pozostała działalność naukowo-badawcza

Recenzje publikacji z bazy JCR - 8 Autorstwo, współautorstwo merytorycznej części złożonych wniosków NCN, NCBR e) - 5 Autorstwo, współautorstwo opracowań - 5

Promotor pomocniczy doktoratu - 1 Promotorstwo prac dyplomowych

nagrodzonych w konkursach krajowych - 3

a) Baza WoS – Web of Science by Clarivate Analytics;

b) Baza Scopus – prace indeksowane, poza pracami wykazanymi w bazie WoS;

c) Baza Pol. Śl. – baz a e-Dorobek (http://www.bg.polsl.pl/expertus/p/) obejmuje wszystkie prace naukowe pracowników Politechniki Śląskiej. Wykazano pozostałe prace naukowe, które

nie zostały wykazane jako prace indeksowane w bazach WoS i Scopus;

d) Baza UPRP – baza Urzędu Patentowego Rzeczpospolitej Polskiej (https://grab.uprp.pl/PrzedmiotyChronione/Strony%20witryny/Wyszukiwanie%20proste.aspx);

e) Wg systemów osf.org.pl, lsi.ncbr.gov.pl: wysłane wnioski konkursowe.


40

Nagrody za prowadzenie działalności naukowej, dydaktycznej i organizacyjnej

Lp. Rodzaj nagrody lub wyróżnienia Miejsce Rok

1. Grant projakościowy I stopnia JM Rektora Politechniki Śląskiej

przyznany za wysoko punktowane publikacje w czasopismach

i patenty;

Gliwice, Pol. Śl.

2018

2. Indywidualna nagroda II stopnia JM Rektora Politechniki

Śląskiej za osiągnięcia w dziedzinie naukowej;

Gliwice,

Pol. Śl.

2016,

2005

3. Indywidualna nagroda III stopnia JM Rektora Politechniki

Śląskiej za osiągnięcia w dziedzinie naukowej;

Gliwice, Pol. Śl.

2017

4. Zespołowa Nagroda I stopnia JM Rektora Politechniki Śląskiej

za osiągnięcia w dziedzinie naukowej;

Gliwice, Pol. Śl.

2014,

2013, 2012,

2011, 2010,

2006, 2005,

2004

5.

Medal Amat Victoria Curam nadany podczas I Międzynarodowych Targów Optoelektroniki i Fotoniki OPTON

2010 za „Światłowodowy System Monitoringu Wodoru TraFOSens-500” – wyróżnienie zespołowe;

Katowice 2010

6. Zespołowa Nagroda II stopnia JM Rektora Politechniki Śląskiej

za osiągnięcia w dziedzinie naukowej;

Gliwice,

Pol. Śl. 2009

7. Grand Prix Brussels Eureka 2007 na 56. Światowych Targach

Wynalazczości za „Spektrometryczny system wczesnego

wykrywania i diagnostyki nowotworów” - nagroda zespołowa;

Bruksela 2007

8. Złoty Medal z Wyróżnieniem Jury Brussels Eureka 2007 za:

„Spektrometryczny system wczesnego wykrywania i

diagnostyki nowotworów” – nagroda zespołowa;

Bruksela 2007

9. Dyplom Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego na XV Giełdzie

Polskich Wynalazków nagrodzonych na światowych targach i

wystawach wynalazczości;

Warszawa 2007

10. Stypendium promocyjne FIATA 2005 rok (Nagroda Fiata); Gliwice-

Turyn 2005

11. Zespołowa Nagroda II stopnia JM Rektora Politechniki Śląskiej

za osiągnięcia w dziedzinie dydaktycznej;

Gliwice,

Pol. Śl. 2003

12. Wyróżnienie w Ogólnopolskim Konkursie im. Adama Smolińskiego za najlepszą pracę dyplomową w roku

akademickim 1999/2000 z dziedziny optoelektroniki.

Warszawa 2000

Gliwice, dn. 17 kwietnia 2019 Erwin Maciak

EMaciak Autoreferat vF...E. Maciak, Autoreferat 3 1. Imię i Nazwisko Erwin Maciak 2. Posiadane...

Documents

Transcript of EMaciak Autoreferat vF...E. Maciak, Autoreferat 3 1. Imię i Nazwisko Erwin Maciak 2. Posiadane...