V005 Studium interakce tranzitních kovů s nanodiamanty a fullerény a příprava a modifikace jejich kompozitů. (2006-2009) J. Vacík, V. Lavrentiev, V. Bejšovec, V. Hnatowicz
Hybridizace Hybridizace organických a kovových materiálů je slibný způsob syntézy nových látek se zajímavými vlastnostmi. Typickým příkladem jsou tenké vrstvy kompozitů kovů a fullerenů, které vykazují neobvyklé vlastnosti, např. spontánní sebeorganizaci při vlastní depozici nebo po ozařování energetickými ionty a termálním žíhání. Ni+C60/MgO(001)
Hybridizace Hybridizace organických a kovových materiálů je slibný způsob syntézy nových látek se zajímavými vlastnostmi. Typickým příkladem jsou tenké vrstvy kompozitů kovů a fullerenů, které vykazují neobvyklé vlastnosti, např. spontánní sebeorganizaci při vlastní depozici nebo po ozařování energetickými ionty a termálním žíhání. In+Ni+C60/Si(001)
Studium hybridních kompozitů TM+C60 metodou MFM (Magnetic Force Microscopy) V experimentu byla studována hybridizace tenkých vrstev kompozitů TM+C60 deponovaných na substráty při pokojové teplotě. Pomocí metody MFM (Magnetic Force Microscopy) byl objeven systém magnetických domén, který ukázal na skrytou vnitřní separaci fází. Toto fázové rozdělení se vytvořilo v průběhu procesu depozice vrstvy a svědčí o značné termodynamické nestabilitě hybridního kompozitu. Následné termální žíhání vedlo k zásadnímu přerozdělení struktury vrstvy s tím, že soustava magnetických domén vymizela.
MBE držák vzorku substrát MgO(001) ~ 750 nm TM+C60 binární mix 10-7 Torr 5 Å/s C60 5 Å/s Ni shutter Knudsen cell 99.9% C60 99.9% Ni kodepozice TM a C60 bombardování elektrony Hybridizace kompozitu TM+C60: kodepozice při RT, depoziční rychlosti DR(TM) = DR(C60) = 5 Å/s, tloušťka vrstvy = 750 nm.
SEM cross section SEM tilt surface morphology as deposited SEM cross section - detail TM+C60 bulk morphology as deposited at RT particle Morphologie kompozitu TM+C60 deponovaného na monokrystal Mg(001) při RT. Kompozit je sestaven z nanočástic < 100 nm tvořených z nanokrystalků TM obalených tenkou vrstvou C60.
100 90 TM + C60, RT depozition A g (2) Intensity (a. u.) 80 70 60 50 40 30 Intensity (arb. unit) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 1458 cm -1 H g (7) A g (2) = 1468 cm -1 STANDARD H g (8) 0 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 Raman Shift (cm -1 ) H g (7) H g (8) 20 10 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Raman Shift (cm -1 ) Analýza hybridních vrstev TM+C60 (připravených při RT) pomocí Ramanovské spektroskopie. Červený posun vibračního módu Ag(2) svědčí o polymerizaci molekul fullerenů C60.
4 000 3 500 Ni+C 60 /MgO(001) Ni edge Counts per channel 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 as deposited 500 0 C / 1 hr 750 0 C / 1 hr Mg 500 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Channels Analýza RBS ukazuje, jak termální žíhání tenkých vrstev při teplotách < 500ºC způsobuje difúzi molekul C60 k povrchu vzorku i k rozhraní s MgO. Při vyšších teplotách dochází k fragmentaci molekul C60.
a) AFM topografie b) MFM analýza Povrchová morfologie tenké vrstvy kompozitu TM a C60 (deponovaného na Si při RT) měřená pomocí AFM (a) a MFM (b). Metoda MFM ukázala na existenci skryté soustavy periodických magnetických domén.
Soustava periodických magnetických domén skrytých v povrchové morfologii kompozitu TM+C60 (deponovaného na Si při RT) měřená pomocí metody MFM.
a) AFM topografie b) MFM analýza Povrchová morfologie tenké vrstvy kompozitu TM a C60 (deponovaného na Si při RT a žíhaného na teplotu 500 C) měřená pomocí AFM (a) a MFM (b). Metoda MFM ukázala na existenci skryté soustavy periodických magnetických domén.
Závěr Hybridní kompozity typu TM+C60 jsou termodynamicky nestabilní materiály. Pnutí, které se vytváří ve struktuře kompozitů vznikajících kombinací přirozeně nemísitelných komponent, může indukovat procesy spontánní sebeorganizace. Je zajímavé, že tyto procesy mohou být spuštěny i při pokojové teplotě, jak ukazuje analýza kompozitu TM+C60 pomocí metody MFM. Depozice TM+C60 při RT vytvořila ve struktuře kompozitu skrytý periodický systém magnetických domén, který se neprojevil na povrchové topografii vrstvy.
Růst kostních buněk MG 63 na kompozitu Ti+C60 s mikrodoménkovou strukturou A B C D Výška mikrodomének Ti+C60: 128 nm (A), 238 nm (B), 326 nm (C) a 1043 nm (D).
Hustota populace buněk MG 63 na mikrodoménkové struktuře Ti+C60 100000 80000 Prominences Grooves A 80000 60000 Prominences Grooves B Cells / cm 2 60000 40000 20000 Cells / cm 2 40000 20000 0 0 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 Days after seeding Days after seeding Cells / cm 2 100000 80000 60000 40000 20000 0 Prominences Grooves C Cells / cm 2 40000 30000 20000 10000 0 * *** Prominences Grooves *** D 0 2 4 6 8 Days after seeding 0 2 4 6 8 Days after seeding Výška mikrodomének Ti+C60: 128 nm (A), 238 nm (B), 326 nm (C) a 1043 nm (D).
PUBLIKACE 2008 1) V. Lavrentiev, J. Vacik, H. Naramoto, Structural phenomena in glassy carbon induced by cobalt ion implantation, Appl. Phys. A92 (2008) 673-680. 2) J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Hnatowicz, V. Vorlicek, S. Yamamoto, H. Stadler, Spontaneous partitioning of the Ni+C60 thin film grown at RT, J. Alloy and Compounds (2008), DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2008.08.112. 3) J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Hnatowicz, V. Vorlicek, H. Naramoto, Hybridization And Modification Of The Ni/C60 Composites, AIP Proceedings 2008 in press. 4) V. Lavrentiev, J. Vacik, H. Naramoto, S. Sakai, Self-assembling hybrid nanoparticles during simultaneous deposition of Co and C60 on sapphire, J. Nanoscience and Nanothechnology (2008) in press. 5) V. Lavrentiev, J. Vacik, H. Naramoto, Thermal Effect on Structure Organization in Cobalt-Fullerene Nanocomposition, J. Nanoscience and Nanothechnology (2008) in press. 6) V. Lavrentiev, J. Vacik, H. Naramoto, K. Narumi, Fullerene Nanostructure Design with Cluster Ion Impacts, J. Alloy and Compounds, DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2008.08.114. 7) V. Lavrentiev, J. Vacik, H. Naramoto, K. Narumi. Polymerization of solid C60 under C60+ cluster ion bombardement, Appl. Phys. A. (2008) in press. 8) M. Vandrovcova, J. Vacik, V. Svorcik, P. Slepicka, N. Kasalkova, V. Vorlicek, V. Lavrentiev, V. Vosecek, L. Grausova, V. Lisa, L. Bacakova, Fullerene C60 and hybrid C60/Ti films as substrates for adhesion and growth of bone cells, phys. stat. sol. (a) 205, No. 9 (2008) 2252-2261. 9) L. Grausova, J. Vacik, V. Vorlicek, V. Svorcik, P. Slepicka, P. Bilkova, M. Vandrovcova, V. Lisa, L. Bacakova, Fullerene C60 films of continuous and micropatterned morphology as substrates for adhesion and growth of bone cells, Diamond & Related Materials, DOI: 10.1016/J.DIAMOND.2008.10.024. 10) L. Bacakova, L. Grausova, M. Vandrovcova, J. Vacik, A. Frazcek, S. Blazewicz, A. Kromka, B. Rezek, M. Vanecek, M. Nesladek, V. Svorcik, V. Vorlicek, M. Kopecek, Carbon nanoparticles as substrates for cell adhesion and growth, In: Nanoparticles: New Research, pp. 1-71, Editor: Simone Luca Lombardi, 2008 Nova Science Publishers, Inc. 11) L. Grausova, J. Vacik, P. Bilkova, V. Vorlicek, V. Svorcik, D. Soukup, M. Bacakova, V. Lisa, L. Bacakova, Regionally-selective adhesion and growth of human osteoblast-like MG 63 cells on micropatterned fullerene C60 layers, Journal of optoelectronics and advanced materials Vol. 10, No. 8 (2008) 2071-2076. 12) M. Kopecek, L. Bacakova, J. Vacik, F. Fendrych, V. Vorlicek, I. Kratochvilova, V. Lisa, E. Van Hove, C. Mer, P. Bergonzo, M. Nesladek, Improved adhesion, growth and maturation of human bone-derived cells on nanocrystalline diamond films, phys. stat. sol. (a) 205, No. 9 (2008) 2146-2153.