Struktūra

Molekulinių darinių fizikos skyrius

Molekulinių darinių fizikos skyrius

Skyriaus vadovas prof., habil. dr. Leonas Valkūnas

tel. +370 5 2313769

Fotoindukuotieji elektroniniai vyksmai ir jų ypatumai įvairiose organinėse ir hibridinėse sistemose – tai pagrindinę mokslinių tyrimų, vykdomų Molekulinių darinių fizikos skyriuje, kryptis. Šiais tyrimais siekiama nustatyti dinaminių vyksmų sąryšius su nagrinėjamų sistemų struktūromis, siekiant optimizuoti kuriamų organinės optoelektronikos prietaisų parametrus.

Šiuose tyrimuose plačiai taikomi įvairūs ultrasparčiosios spektroskopijos metodai, leidžiantys nustatyti molekulinių medžiagų optines ir elektrines savybes bei sąryšius, reikalingus kuriant ir tobulinant mokelulinių prietaisų veikimo principus ir plečiant jų taikymo galimybes. Fotoindukuotų krūvininkų generacijos detalės, greitai kintanti dreifo ir difuzijos sparta tiriami analizuojant dinaminio Štarko matavimo rezultatus bei naudojant antrosios harmonikos generavimo metodikas, derinant gaunamus rezultatus su įprastiniais skirtuminės sugerties, fluorescencijos gesinimo ir lėkio trukmės metodais.

Kita skyriaus veiklos kryptis - tai vyksmų biologinėse sistemose tyrimai. Ultrasparčiosios spektroskopijos metodais tiriami pirminiai fotosintezės procesai, kuriami sužadinimų bei krūvininkų (elektronų, protonų) dinamiką aprašantys modeliai, atspindintys baltyminės terpės šiems vyksmams ypatumus. Naudojant skyriuje sukurtą CARS ir daugiafotonės fluorescencijos mikroskopą, ieškoma galimybių su submikronine skyra nustatyti nematomas biologinių ir kitų molekulinių objektų detales. Tikslesniam jų sandaros ir savybių nagrinėjimui analizuojami fluorescencijos gesinimo bei dvimatės koherentinės spetroskopijos metodais gaunami rezultatai, vystomi pavienių molekulių fluorescencinės spektroskopijos metodai.

Molekulinių darinių fizikos skyrius yra sudarytas iš dviejų laboratorijų: ultrasparčiosios spektroskopijos laboratorijos ir biofizikinių tyrimų laboratorijos.

Laboratorijos:

SKYRIAUS DARBUOTOJAI

įranga

UV-VIS spektrofotometras JASCO V-670 Dviejų gardelių, dviejų detektorių komplektacija leidžia matuoti sugertį iki 2700 nm. Šio V-670 dviejų spindulių spektrofotometro unikalus dizainas leidžia matuoti plačiame bangų ilgių diapazone (nuo 190 iki 2700 nm) naudojant tik vieną monochromatorių. Monochromatorius aprrūpintas dviem difrakcinėm gardelėm (keičiamom automatiškai): 1200 rėžių/mm UV/VIS sričiai; 300 rėžių/mm NIR sričiai. Detekcijai UV/VIS srityje naudojamas fotodaugintuvas, NIR srityje – Peltje elementu šaldomas PbS detektorius. Gardelė ir detektorius automatiškai keičiami laisvai pasirinktame taške tarp 800 ir 900 nm. http://www.jascoint.co.jp/asia/products/spectroscopy/uv/v670.html

Fluorescencijos gesimo laikos spektrometras Edinburgh Instruments FL920 FLS920-t tai modulinis laikinės skyros fluorescencijos spektrometras valdomas kompiuteriu. L geometrijos, laike koreliuotų pavienių fotonų skaičiavimo (LKPFS) pagrindu veikiantis spektrometras gali matuoti laikinės skyros liuminescencijos spektrus bei liuminescencijos kinetikas besitesiančias nuo 100 pikosekundžių iki 10 mikrosekundžių. LKPFS metodika leidžia pasiekti itin aukštą tikslumą bei laikinę rezoliuciją. Instrumentas veikia Laike Koreliuotų Pavinių Fotonų Skaičiavimo pagrindu ir turi standartinė PS kortą fluorescencijos spektrometro valdymui. Galimas pilnas valdymas kompiuteriu naudojant FL900 programą, bei duomenų dekonvoliucijos galimybė naudojant netiesinį mažiausių kvadratų aproksimavimo metodą https://www.edinst.com/products/fls920-upgrades/

Fotoelektronų kamera Fotoelektronų kamera (angliškai „Streak camera“), tai laikinės skyros fluorescencijos registravimo įrenginys, kurio veikimas panašus į analoginį oscilografą. Fotoelektronų kamera pranašesnė už kitus fluorescencijos matavimo prietaisus tuo, jog galima greitai išmatuoti visą norimą spektrą su laiko dedamąja. Sistemoje naudojama „Hamamatsu“ fotoelektronų kamera pasižymi itin didele laikine skyra ~1,9ps. Šios kameros viduje šviesos srautas yra verčiamas elektronų srautu, o po to atgal į šviesą. Pagrindinė šios kameros idėja – elektronų srauto trajektoriją išlenkti kintančiu elektriniu lauku. Šis elektrinis laukas pastoviai stiprėja, todėl vėliausiai atkeliavusių elektronų trajektorijos bus smarkiausiai užlenktos. Kadangi elektronai yra lenkiami tik vertikaliąja kryptimi, horizontalioji kryptis gali būti išnaudojama spektrinei informacijai (200-1600nm bangos ilgio spektrui). Taip mes vienu metu galime užfiksuoti visą spektrą su itin gera laikine skyra. Fotoelektronų kamera itin naudinga ten kur bandiniai greitai degraduoja ar norint išmatuoti tik pačią bandinio sužadinimo gesimo pradžią. Sistema naudoja ~3W optinės galios, 1030nm bangos ilgio lazerį („Pharos“ osciliatorius) ir generuojant antrą, trečią ir ketvirtą harmonikas(„Hiro“ harmonikų generatorius) iš netiesinio kristalo galima gauti 515nm, 343nm, 257nm bangos ilgio impulsus. Lazerio generuojamų impulsų dažnis 76MHz, o impulsų trukmė ~80fs, tačiau naudojant pokelso elementą galima gauti 10kHz pasikartojimų dažnį.

2D spektrometro stendas 2D spektrometro stendas šiuo metu yra surinkinėjamas. Daugiau informacijos artimiausiu metu.

Žadinimo-zondavimo stendas Žadinimo-zondavimo metodas yra tikriausiai dažniausiai naudojamas ultrasparčios spektroskopijos metodas. Jo pagrindinė idėja labai parasta, metodui reikalingi du trumpi lazerio impulsai: intensyvus „žadinimo“ impulsas, kuris sukelia fotoreakciją tiriamame bandinyje ir mažesnio intensyvumo „zondavimo“ impulsas su kuriuo galima tirti žadinimo impulso sukeltą sugerties pokytį. Zondavimo impulsas, naudojantis mechanine vėlinimo linija gali būti vėlinamas žadinimo impulso atžvilgiu ir atitinkamai sugerties pokyčiai gali būti išmatuoti esant įvairiems laiko tarpams tarp žadinimo ir zondavimo impulsų. Tokiu būdu išmatuota sugerties pokyčio dinamika atspindi procesus, kurie vyksta sužadintų molekulių relaksacijos metu. Žadinimo-zondavimo spektrometras paremtas femtosekundiniu Ti:safyro lazeriu „Quantronix Integra-C“, kuris generuoja 130 fs trukmės, 805 nm bangos ilgio, 1 kHz pasikartojimo dažnio impulsus. Optinis parametrinis generatorius „TOPAS-C“ naudojamas norimo žadinančio impulso bangos ilgio nustatymui. 2 mm storio safyro arba kalcio fluorido langelis naudojamas sugeneruoti baltos šviesos kontinuumą, kuris naudojamas kaip zonduojantis impulsas

KARS mikroskopas KARS mikroskopija – tai bežymeklinė technologija, kurios kontrasto mechanizmas pagrįstas molekulių vibracijomis. KARS metodo jautris keliomis eilėmis lenkia spontaninio Ramano mikroskopiją. Netiesinis KARS atsakas leidžia gauti 3D vaizdus nenaudojant konfokalinės konfigūracijos. Anti-Stokso signalas yra pasislinkęs į mėlynąją spektro pusę, taigi išvengiama vienfotonės fluorescencijos fono. Mūsų laboratorijoje surinktas KARS mikroskopas naudoja dviejų bangų ilgių lazerinį šaltinį ir skenuojantį mikroskopą. Lazeris suideda iš pikosekundinio, padvigubinto dažnio Nd:YVO4 kaupinimo lazerio veikiančio 1 MHz pasikartojimo dažniu ir bėgančios bangos optinio parametrinio generatoriaus (OPG), leidžiančio zonduoti 700 – 4500 cm-1 diapazoną. Mūsų KARS schemoje sudvejinti OPG (6 ps) ir Nd:YVO4 (1064 nm) signalai naudojami kaip žadinimo ir Stokso spinduliai atitinkamai.

Pavienių molekulių mikroskopas/spektrometras Turimu pavienių molekulių fluorescenciniu mikrospektrometru įmanoma registruoti individualių fluorescuojančių ant paviršiaus imobilizuotų molekulių spektrus ir jų dinamiką. Tai gali būti atliekama dviem būdais: Žadinant plačią paviršiaus sritį visiško vidaus atspindžio konfigūracijoje ir registruojant fluorescencijos signalą iš daugelio individualių molekulių lygiagrečiai. Šituo būdu fluorescencijos signalas išskaidomas į dvi spektrines komponentes. Laikinė skyra yra ne geresnė nei maždaug video dažnio. Pagrindinis privalumas – didelio molekulių skaičiaus tyrimas lygiagrečiai. Tinka, pvz., stebėti FRET fluorescuojančių donoro-akceptoriaus dažų poroje [1]. Žadinant individualias molekules konfokalinėje modoje ir registruojant fluorescencijos signalą iš pavienių molekulių viena po kitos. Šiuo būdo geresnė laikinė skyra ir įmanomas pilno fluorescencijos spektro registravimas. Registruojant visą spektrą, laikinė skyra siekia kelias ms, o apsiribojant dviemis spektrinėmis komponentėmis, kaip pirmuoju būdu, laikinė skyra siekia dešimtis ns. Be to, konfokalinėje modoje įmanoma registruoti fluorescencijos pliūpsnius iš laisvai tirpale difunduojančių molekulių. Tokiu būdu labai greitai surenkamos didelės statistikinės imtys. Apdorojant duomenis koreliacine analize įmanoma nustatyti, kiek reikšminga yra elektroninės sužadinimo energijos pernaša tiriamos molekulės viduje. Pastaruoju metu buvo įdiegtas besikeičiančio lazerio žadinimas (ALEX) [2] ir spindulio sukiojimas apatiniame objektyvo fokuso plokštumoje, leidžiantis pasiekti ypač tolygų plataus lauko apšvietimą. Literatūra: 1. D. Rutkauskas, M. Petkelytė, P. Naujalis, G. Sasnauskas, G. Tamulaitis, M. Zaremba, V. Šikšnys. Restriction enzyme Ecl18kI-induced DNA looping dynamics by single-molecule FRET. Journal of Physical Chemistry B 118, (2014), 8575-8582. 2. Kapanidis AN, Lee NK, Laurence T, Doose S, Margeat E, Weiss S. Fluorescence-aided molecule sorting: analysis of structure and interactions by alternating-laser excitation of single molecules. Proc Natl Acad Sci. 2004;101: 8936-41.

Inertinių dujų kamera Ši inertinių dujų kamera skirta atlikti eksperimentus, kuriems būtina izoliacija nuo žalingo aplinkos poveikio. Kamera lengvai pritaikoma konkretiems eksperimentams. Be to, ši kamera yra kompaktiška, lengva ir lengvai transportuojama. Skaidri akrilinė viršutinė dalis Dvigubos, uždaros korėtos struktūros, oro nepraleidžiančios neopreninės tarpinės tarp viršutinės ir apatinės dalių Reguliuojami SS spaustukai leidžia kompensuoti nusidėvėjimą 8" O.D. angos su dviem Hypalon® pirštinėm Skaidrus, reguliuojamo vakuumo, pernešimo kambarys (12" × 11" Ø) Keturi valymo ventiliai – du pernešimo kambaryje, du pagrindiniame skyriuje Daugiaskylis elektros lizdas

Pavadinimas: TEA_MT - intensyvumo bėgant laikui signalų ištraukimo iš fluorescuojančių taškų ir analizės paketas. Autorius: Marijonas Tutkus Bendra informacija Analizės paketas parašytas “Igor Pro” kalba. Šis analizės paketas gali būti pasidalintas su kituo asmeniu tik turint autoriaus leidimą!
Programinis paketas buvo parašytas taip kad visos kasdienės pavienių molekulių duomenų analizės užduotys būtų prieinamos vienoje vietoje: Fluorescuojančių taškų aptikimas vaizduose, Kolokalizacija aptiktų fluorescuojančių taškų iš dviejų kanalų, Intensyvumo bėgant lakui signalų ištraukimas iš pasirinkto tipo fluorescuojančių taškų, Ištrauktų signalų filtravimas, bei normalizavimas apšvietimo netolygumui pašalinti, Intensyvumo pasikeitimo taškų aptikimas ištrauktuose signaluose, Aptiktų būsenų charakterizavimas, Patogus rankinis ištrauktų signalų atrinkimas, Automatinis ištrauktų signalų atrinkimas pagal užduotus parametrus, Dvimačių histogramų piešimas iš ištrauktų duomenų. Programinis paketas gali naudoti daugelį vaizdinių duomenų formatų. Jis taip pat turi vidinę atmintį - įvedus parametro vertę ji bus išsaugota atmintyje, todėl kitą sykį programa prisimins praeitą kart naudotų parametrų vertes. Kiekvieną programos dalis išsaugo rezultatus “igor binary” formatu. Yra galimybė greitai ir patogiai konvertuoti juos į “delimited text” formatą. Programinis paketas vystytas MacOS aplinkoje, bet puikiai veikia ir naudojant Windows. Aš pastoviai atnaujinu šį programinį paketą, todėl pasiūlymai ir komentarai yra labai laukiami: marijonas.tutkus@ftmc.lt

Vykdomi projektai

"Perovskitinių saulės elementų stabilumas: degradacijos vyksmų identifikavimas ir valdymas" (Nr. 09.3.3-LMT-K-712-01-0031). 2018-2021. Projekto vadovas dr. Marius Franckevičius, vykdytojai: Vidmantas Gulbinas, Renata Karpič, Andrius Devižis, Andrej Dementjev, Egidijus Kamarauskas.
Perovskitų saulės elementai pastarajį dešimtmetį yra viena iš sparčiausiai besivystančių alternatyvių saulės elementų technologijų. Nepaisant ypač didelės pažangos didinant perovskitų elementų našumą, kuris šiuo metu siekia 22%, jų laikinis stabilumas vis dar nėra pakankamas, o tai ypač nepalanku praktiniu požiūriu norint užtikrinti tolimesnį šios technologijos vystymą. Nors dalis priežasčių, dėl kurių vyksta perovskitų degradaciją yra žinomos ir siejamos tiek su išoriniais (deguonimi, ultravioletine spinduliuote, temperatūra) tiek su vidiniais (jonų migracija, histereze) veiksniais, visgi šių priežasčių įtakos perovskitų degradacijai supratimas dar nėra pakankamas, tačiau yra būtinas norint užtikrinti perovskitinių medžiagų stabilumą, kuris yra ypač svarbus tolimesniam šios technologijos vystymui.
Šiame projekte daugiausiai dėmesio bus skiriama dviems su perovskitų degradacija susijusiems aspektams. Pirma, tarpusavyje derindami spektroskopijos, fotoelektrinius ir struktūros charakterizavimo metodus tirsime šviesos sukeltų degradacijos procesų mechanizmus ir jų įtaką pagrindiniams prietaisų veikimą užtikrinantiems vyksmams. Antra, sieksime apsaugoti perovskitines medžiagas nuo fotodegradacijos įvesdami įvairias priemaišas ir apsaugodami nuo nepageidaujamo aplinkos poveikio apsauginėmis dangomis, bei tirsime šių priemonių stabilizavimo mechanizmus ir pašalinį poveikį.
“Akceptorinių medžiagų įtaka krūvininkų generacijai ir judėjimui organiniuose Saulės elementuose”, LMT mokslininkų grupių projektas. 2015-2017. Vadovas V.Gulbinas, vykdytojai: M.Franckevičius, A.Devižis, V.Pranculis, V. Bertašius, R.Karpič
Geriausiai veikiantys organiniai Saulės elementai naudoja fulereną ir jo darinius kaip elektrono akceptorines medžiagas . Bandymai panaudoti kitas, pigesnes medžiagas yra mažiau sėkmingi ir kol kas neaišku kodėl. Naujausi tyrimai, tame tarpe ir musų darbai, parodė, kad fulereno pagrindu sukurtos medžiagos pasižymi gan aukštu elektronų judriu, kuris manoma vaidina svarbų vaidmenį krūvininkų generacijos ir ištraukimo vyksmuose. Bendrai, krūvininkų judris ir difuzijos sparta yra vieni iš svarbiausių elektroninių medžiagų parametrų. Organinėse medžiagose jie yra žymiai mažesni nei neorganiniuose puslaidininkiuose, tačiau priklauso nuo laiko; pradiniais laiko momentais gali būti keliomis eilėmis aukštesni.
šiame projekte mes tirsime krūvininkų generacijos ir judrio dinamiką Saulės elementuose su elektrono akceptorinėmis medžiagomis polimere , mažų molekulių bei puslaidininkinių nanokristalų pagrindu. Pagrindinis projekto tikslas yra suprasti kaip krūvininkų generacijos ir ištraukimo vyksmai priklauso nuo elektrono akceptorinių medžiagų savybių. Mes naudosime fotoelektrinius ir optinius krūvininkų generacijos ir judrio dinamikos tyrimo metodus pasižyminčius itin aukšta laikine skyra, leidžiančius stebėti visą krūvininkų generacijos ir išsiurbimo ciklą. Derinant šious eksperimentinius duomenis su šiuolaikiniais teoriniais tyrimo metodais tikimės suprasti krūvininkų generacijos mechanizmo detales ir galiausiai suformuluoti reikalavimus elektrono akceptorinėms medžiagoms reikalingoms kuriant efektyvius organinius Saules elementus.
,,Metaloorganinių perovskitų fotodetektoriai“, LMT projektas, vykdomas pagal nacionalinę mokslo programą „Link ateities technologijų“. 2016-2018. Vadovas R.Augulis, vykdytojai: M.Franckevičius, S.Streckaitė, V.Gulbinas, R.Karpič
Pasiektas aukštas metaloorganinių perovskitų saulės elementų našumas suteikia pagrindo tikėtis, kad perovskitai gali būti sėkmingai panaudoti ir šviesos detektoriams. Dėka išskirtinių perovskitų savybių, jų formavimo ypatumų šie detektoriai gali ne tik pasiekti parametrus palyginamus su neorganinių puslaidininkių detektoriais, bet ir turėti išskirtinių savybių: gali būti pigūs, didelio ploto, lankstūs, lengvai integruojam i į ateities organinės elektronikos grandines. Saulės elementų ir detektorių veikimo principai kai kuriais aspektais yra panašūs, bet yra ir esminių skirtumų, kurie reikalauja kitokių medžiagų ir prietaisų sandaros. Galimos kelios skirtingos detektorių “architektūros”, suteikiančios galimybes optimizuoti skirtingus detektorių parametrus, reikalingus skirtingiems taikymams. Šis projektas skirtas ištirti CH3NH3PbX3 perovskitų panaudojimo galimybes šviesos detektorių gamyba i, įvertinti įvairių prietaisų architektūrų galimybes ir sukurti šviesos detektorių, kuris tam tikrais reikiamais parametrais gali būti palyginamas ar pranašesnis nei neorganinių puslaidininkių detektoriai. Vykdant projektą bus įsisavintos metalooraninių perovskitų sluoksnių formavimo technologijos, kuriamos naujos krūvio transporto medžiagos, išvystyti šių medžiagų ir vyksmų jose bei jų pagrindu sukurtuose prietaisuose tyrimo metodai, taigi bus įgyta kompetencija labai perspektyvioje ir inovatyvioje naujos kartos optinės elektronikos srityje ir sukurti jai vystyti reikalingą infrastruktūrą.
“Fotofizikinių procesų analizė naujuose šviesą emituojančiouose aromatiniuose polimeruose ultrasparčiosios spektroskopijos metodais”, LMT projektas, "Bendri Lietuvos-Japonijos mokslo ir sklaidos projektai". 2017-2019. Vadovas Vidmantas Gulbinas, vykdytojai: R.Karpič, A. Vyšniauskas
Kartu su Japonijos partneriais bus kuriamos ir tiriamos fotoninės medžiagos imidų ir poliimidų pagrindu. Dėka stangrios sandaros ir stiprių tarpmolekulinių sąveikų imidai ir poliimidai pasižymi geru stabilumu, puikiomis terminėmis, mechaninėmis ir optinėmis savybėmis bei galimybėmis jas varijuoti keičiant medžiagų molekulinę sandarą . Tai daro juos labai patrauklius kuriant fotonines medžiagas skirtas fotovolitnams prietaisams„ organiniams šviestukams, šviesos bangos ilgio konverteriams. Poliimidų liuminescencinės savybės (našumas, spektras) gali būti keičiami„ realizuojant juose šviesos indukuotą vidinę protono pernašą, agregaciją ir vidinę konversiją i tripletines būsenas. Šie procesai dažnai vyksta kartu„ sąveikauja, konkuruoja. Spektroskopiniai metodai„ ypač su laikine skyra, yra pagrindiniai įrankiai suteikantys informaciją apie kuriamų medžiagų elektronines savybes ir jose vykstančius fotoindukuotus procesus, kuri reiklainga kuriant ir tobulinant naujas fotonines medžiagas. Projekte bus kuriami ir tirami įvairios cheminės sandaros poliimidai su įvairiai prijungtais J, Br, F atomais. Sandaros ypatumai ir prijungti atomai„ lems agregacijos, vidinės protono pernašos ir vidinės konversijos savybes. Ultraspartieji liuminescencijos ir sugerties žadinimo-zondavimo metodai padės atskleisi konkuruojančių vyksmų spartas , jų priklausomybes nuo medžiagų cheminės sandaros , kietųjų sluoksnių morfologijos, temperatūros ir -suteiks informaciją apie šių vyksmų jtaką medžiagų liminescencijos spektrams ir našumui bei galimybes šiuos para metrus tikslingai keisti.

svarbiausios publikacijos

E. Romero, R. Augulis, V.I. Novoderezhkin, M. Ferretti, J. Thieme, D. Zigmantas, R. van Grondelle. Quantum coherence in photosynthesis for efficient solar-energy conversion. Nature Physics 10, (2014), 676–682. DOI: 10.1038/nphys3017
E. Belgio, E. Kapitonova, J. Chmeliov, C.D.P. Duffy, P. Ungerer, L. Valkūnas, A.V. Ruban. Economic photoprotection in photosystem II that retains a complete light-harvesting system with slow energy traps. Nature Communications 5, (2014), 4433-1-23. DOI: 10.1038/ncomms5433
F.D. Fuller, J. Pan, A. Gelžinis, V. Butkus, S.S. Senlik, D.E. Wilcox, Ch.F. Yokum, L. Valkūnas, D. Abramavičius, J.P. Ogilvie. Vibronic coherence in oxygenic photosynthesis. Nature Chemistry 6, (2014), 706-711. DOI: 10.1038/nchem.2005
S. Meloni, T. Moehl, W. Tress, M. Franckevičius, M. Saliba, Y. Lee, H. Yong, P. Gao, M.K. Nazeeruddin, S.M. Zakeeruddin, U. Rothlisberger, M. Graetzel. Ionic polarization-induced current-voltage hysteresis in CH3NH3PbX3 perovskite solar cells. Nature Communications 7, (2016), 1-9. Doi: 10.1038/ncomms10334
J. Chmeliov, A. Gelzinis, E. Songaila, R. Augulis, P.D.C. Duffy, A.V. Ruban and L. Valkunas. The nature of self-regulation in photosyntheticlight-harvesting antenna. Nature Plants (2016), 16045. DOI: 10.1038/nplants.2016.45