Uniwersytet
Opiekun naukowy:
dr hab. Małgorzata Hyla, prof. UJD
m.hyla@ujd.edu.pl
dr Kordian Chamerski
kordian.chamerski@ujd.edu.pl
Wpływ własności strukturalnych na parametry osłabienia promieniowania gamma w materiałach kompozytowych.
Bezpieczna praca w narażeniu na promieniowanie jonizujące wymaga podejmowania działań zmierzających do ograniczenia ekspozycji człowieka na ten czynnik szkodliwy. Wśród podstawowych działań mających na celu zapobieganie znacznemu narażeniu, są zwiększenie odległości od źródeł promieniowania jonizującego, skracanie czasu pracy w warunkach ekspozycji oraz ograniczanie pola promieniowania. Ostatnie działanie realizowane jest poprzez stosowanie osłon skutecznie osłabiających poziom promieniowania do wartości umożliwiających bezpieczną pracę w warunkach narażenia. Obecnie większość wykorzystywanych osłon ruchomych i środków ochrony osobistej stanowią ciężkie materiały, których głównym składnikiem jest ołów. Pierwiastek ten poza niewątpliwą zaletą, jaką jest skuteczne osłabianie wiązek promieniowania fotonowego, ma również szereg wad, do których należą m. in. duży ciężar, czy toksyczność. W związku z rozwojem dziedzin, w których występuje narażenie ludzi na promieniowanie jonizujące, takich jak, medycyna, energetyka jądrowa, czy loty kosmiczne, należy poszukiwać materiałów mogących skutecznie zastąpić osłony radiologiczne produkowane na bazie stopów ołowiu. Jednym z potencjalnych rozwiązań tego problemu wydaje się być wykorzystanie materiałów kompozytowych o osnowie polimerowej, zawierających mikro- i nanocząstki o dużej liczbie atomowej.
Tematyka prowadzonych badań obejmować będzie prace eksperymentalne polegające na wyznaczeniu własności fizycznych oraz własności strukturalnych w materiałach kompozytowych o osnowie z tworzyw sztucznych z recyklingu z wypełniaczem na bazie mikro- i nanocząstek bizmutu, wolframu, baru oraz pierwiastków ziem rzadkich. Badane własności termiczne, mechaniczne oraz strukturalne pozwolą uzyskać informacje na temat stabilności materiału, a także gęstości upakowania domieszek w strukturze matrycy polimerowej. Własności termiczne wyznaczane będą metodą TGA/DTG, własności mechaniczne metodami wytrzymałościowymi (próba zmęczeniowa, próba rozciągania, próba ściskania), natomiast własności strukturalne uzyskane będą przy użyciu metod PALS, ATR-FTIR oraz SEM/EDS. Ponadto badane materiały kompozytowe poddane zostaną testom w zakresie osłabienia promieniowania gamma przy użyciu spektrometrii gamma. Własności osłabienia promieniowania gamma zostaną określone poprzez wyznaczenie liniowych i masowych współczynników osłabienia promieniowania gamma oraz wyznaczenie wartości warstwy półchłonnej. Rezultatem przeprowadzonych analiz materiałowych będzie przygotowanie kompozycji mających potencjał do wykorzystania w produkcji lekkich i innowacyjnych osłon radiologicznych. W pracy zostaną wyjaśnione efekty oddziaływania promieniowania gamma z tak przygotowanymi materiałami kompozytowymi.
Influence of structural properties on gamma radiation shielding parameters in composite materials
Safe work in exposure to ionizing radiation requires taking actions to reduce human exposure to this harmful factor. Among the basic actions aimed at preventing significant exposure are increasing the distance from sources of ionizing radiation, shortening the working time in exposure conditions and limiting the radiation field. The latter is realized by using shields that effectively reduce the radiation level to values that allow safe work in exposure conditions.
Currently, most of the used movable shields and personal protective equipment are heavy materials, the main component of which is lead. This element, apart from the undoubted advantage of effective attenuation of photon radiation beams, also has a number of disadvantages, including high weight and toxicity. Due to the development of fields in which people are exposed to ionizing radiation, such as medicine, nuclear energy and space flights, it is necessary to look for materials that can effectively replace radiological shields produced on the basis of lead alloys. One potential solution to this problem seems to be the use of polymer-based composite materials containing high-atomic-number micro- and nanoparticles.
This research investigates the experimental determination of physical and structural properties of composite materials based on recycled polymers with fillers based on micro- and nanoparticles of bismuth, tungsten, barium, and rare-earth elements. The studied thermal, mechanical, and structural properties will provide information on the material’s stability and the packing density of dopants in the polymer matrix structure. Thermal properties will be determined by TGA/DTG method, mechanical properties by strength tests (fatigue test, tensile test, compression test), and structural properties by PALS, ATR-FTIR, and SEM/EDS methods. Additionally, the composite materials will be tested for gamma radiation attenuation using gamma spectrometry. The gamma radiation attenuation properties will be determined by calculating the linear and mass attenuation coefficients of gamma radiation and the half-value layer. The result of the material analyses will be the preparation of compositions with the potential for use in the production of lightweight and innovative radiation shielding. The work will explain the effects of gamma radiation interaction with such prepared composite materials.
Opiekun naukowy:
dr hab. Ewa Mandowska, prof. UJD
e.mandowska@ujd.edu.pl
Badania spektralnie rozdzielczej radioluminescencji wybranych luminoforów.
Termoluminescencja (TL) i optycznie stymulowana luminescencja (OSL) to niezwykle interesujące zjawiska optyczne, które występują w różnych materiałach. Poddając materiał stymulacji termicznej (TL) lub optycznej (OSL) możemy obserwować emisję światła, czyli luminescencję. Emisja ta zachodzi tylko wtedy, gdy materiał był uprzednio poddany ekscytacji promieniowaniem jonizującym. Dzięki temu zjawiska TL i OSL znajdują szerokie zastosowanie w dozymetrii promieniowania jonizującego (wyznaczaniu dawek) oraz datowaniu materiałów geologicznych i archeologicznych.
Celem pracy jest badanie charakterystyk spektralnych radiacyjnie indukowanej luminescencji długożyciowej OSL i TL wybranych luminoforów nieorganicznych stosowanych w dozymetrii promieniowania jonizującego. Pomiary będą dokonane przy użyciu unikalnej aparatury i nowych metod pomiarowych. Budowa nowego stanowiska pomiarowego będzie istotną częścią pracy. Zebrane dane doświadczalne posłużą do budowy modelu teoretycznego, który będzie opisywał kinetykę rekombinacji promienistej w badanych materiałach.
Investigation of spectrally resolving radioluminescence of selected phosphors.
Thermoluminescence (TL) and optically stimulated luminescence (OSL) are interesting optical phenomena that occur in various materials. By subjecting the material to thermal (TL) or optical (OSL) stimulation, we can observe the emission of light, i.e. luminescence. This emission occurs when the material has previously been excited by ionizing radiation. As a result, TL and OSL phenomena are widely used in ionizing radiation dosimetry (dose determination) and in the dating of geological and archaeological materials.
The aim of this work is to study the spectral characteristics of the long-lived OSL and TL radiation-induced luminescence of selected inorganic phosphors used in the dosimetry of ionizing radiation. The measurements will be made using unique apparatus and new measurement methods. The construction of the new measurement setup will be an important part of the work. The collected experimental data will be used to build a theoretical model that will describe the kinetics of radiative recombination in the studied materials.
Opiekun naukowy:
prof. dr hab. Małgorzata Makowska-Janusik
m.makowska@ujd.edu.pl
dr Katarzyna Filipecka-Szymczyk
k.filipecka-szymczyk@ujd.edu.pl
Właściwości elektronowe struktur opartych na grafenie: badanie teoretyczne z wykorzystaniem metody DFT
Materiały 2D charakteryzują się cechami i zjawiskami nieobserwowanymi w materiałach objętościowych. Przedstawicielem takich struktur jest grafen – dwuwymiarowa monowarstwa węgla z hybrydyzacją sp2. W ostatnich latach badania nad grafenem rozwijają się w niezwykłym tempie ze względu na dużą różnorodność właściwości tego materiału sprawiając, że jest on niezwykle ekscytujący zarówno z punktu widzenia nauk podstawowych, jak i zastosowań technologicznych. Wiadomo, że grafen ma wyjątkowe właściwości elektronowe i mechaniczne, co czyni go przełomowym w projektowaniu elementów elektronicznych w tak zwanym przemyśle „post-krzemowym”.
Tlenek grafenu (GO) lub zredukowany tlenek grafenu (RGO) tworzą unikalne kompozyty z polimerami i półprzewodnikami, które mogą być wykorzystywane w celu uzdatnianiem wody, magazynowania energii oraz fotokatalizy. Posiadają różnorodne tlenowe grupy funkcyjne (karboksylowe, hydroksylowe, karbonylowe i epoksydowe), które mogą tworzyć wiązania chemiczne z półprzewodnikami, co skutkuje kompozytami o kompatybilnych interfejsach i właściwościach synergistycznych. Niemniej w celu rozszerzenia możliwości aplikacyjnych grafenu trzeba poszerzyć jego przerwę wzbronioną. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu silnych pól elektrycznych, syntezy wielowarstw grafenowych oraz domieszkowaniu.
W związku z powyższym niniejszy projekt ma na celu zbadanie właściwości elektronowych materiałów na bazie grafenu zdefektowanych oraz domieszkowanych jonami metali przejściowych, umieszczonych na powierzchni wybranych półprzewodników do zastosowań katalitycznych. W celu wyjaśniania wpływu poszczególnych komponentów na właściwości elektronowe powstałych materiałów hybrydowych planowane jest wykonanie symulacji komputerowych. Dadzą one możliwość opisania mechanizmu zjawisk elektronowych odpowiedzialnych za powstawanie efektu fotokatalitycznego w badanych materiałach. Pozwolą zaprojektować nowe materiały funkcjonalne na bazie grafenu do zastosowań fotokatalitycznych. Obliczenia zostaną wykonane metodami kwantowo-chemicznymi. Istnieje również możliwość odbycia stażu naukowego w celu wykonania badań eksperymentalnych dotyczących właściwości katalitycznych symulowanych materiałów.
Electronic properties of graphene-based structures: A density functional theory study
2D materials are characterized by features and phenomena not observed in bulk materials. A representative of such structures is graphene – a two-dimensional carbon monolayer with sp2 hybridization. In recent years, graphene research has been developing at an extraordinary pace due to the wide variety of properties of this material, making it extremely exciting from the point of view of both basic science and technological applications. Graphene is known to have unique electronic and mechanical properties, making it groundbreaking in the design of electronic components in the so-called „post-silicon” industry.
Graphene oxide (GO) or reduced graphene oxide (RGO) forms unique mixed composites with semiconductors that can be used for water treatment, energy storage, and photocatalysis. They have a variety of oxygen functional groups (carboxylic, hydroxyl, carbonyl, and epoxy) that can form chemical bonds with semiconductors, resulting in composites with compatible interfaces and synergistic properties. Nevertheless, to expand the application possibilities of graphene, it is necessary to extend its band gap. This is possible thanks to the use of strong electric fields, the synthesis of graphene multilayers, and doping.
Therefore, this project aims to study the electronic properties of materials based on defective graphene and doped with transition metal ions, placed on the surface of selected semiconductors for catalytic applications. To explain the influence of individual components on the electronic properties of the resulting hybrid materials, computer simulations are planned. They will make it possible to describe the mechanism of electronic phenomena responsible for the formation of the photocatalytic effect in the tested materials. They will allow the designing of new graphene-based functional materials for photocatalytic applications. The calculations will be made using quantum-chemical methods. There is also the possibility of a scientific internship to perform experimental research on the catalytic properties of simulated materials.
Opiekun naukowy:
prof. dr hab. Małgorzata Makowska-Janusik
m.makowska@ujd.edu.pl
dr Anna Jezuita
a.jezuita@ujd.edu.pl
Właściwości termoelektryczne wybranych materiałów półprzewodnikowych
Proponowana tematyka dotyczy aktualnego obszaru badań naukowych nad materiałami termoelektrycznymi, zdolnymi do wytwarzania „zielonej” energii elektrycznej z niskotemperaturowego ciepła odpadowego, co w przyszłości może znacznie zmniejszyć wykorzystanie paliw kopalnych. Bazuje na badaniu właściwości fizycznych nowych materiałów półprzewodnikowych do zastosowań termoelektrycznych metodami symulacji komputerowych.
Celem badań jest opracowanie teoretycznego modelu służącego przewidywaniu i wyjaśnieniu zmian właściwości termoelektrycznych wybranych kryształów półprzewodnikowych, zmieniając ich stechiometrię oraz grubość warstw przechodząc od struktur objętościowych do nanowarstw. W celu wyjaśnienia zjawisk fizycznych odpowiedzialnych za transfer ładunków oraz przewodność cieplną badanych materiałów będą wykonane symulacje komputerowe ich właściwości elektronowych i fononowych. Znajomość struktury pasmowej badanych materiałów pozwoli określić mechanizm transferu ładunków elektrycznych, charakter wakansów i domieszek oraz ich wpływ na przewodnictwo elektryczne, co da możliwość wytłumaczenia mechanizmu powstawania zjawiska termoelektrycznego w badanych materiałach. Symulacje komputerowe będą dotyczyły również badań właściwości termodynamicznych drgań sieci krystalicznej z uwzględnieniem jej ograniczenia rozmiarowego.
Uzyskane wyniki dadzą możliwość optymalizacji technologii wzrostu i domieszkowania krystalicznych struktur półprzewodnikowych odpowiednich do tworzenia termoelektrycznych przetworników energii. Wyniki symulacji komputerowych będą testowane eksperymentalnie. Praca będzie wykonywana we współpracy międzynarodowej z możliwością wyjazdów stażowych.
Thermoelectric properties of selected semiconductor materials
The proposed topic concerns the current area of research on thermoelectric materials capable of producing „green” energy from low-temperature waste heat, which in the future may significantly reduce the use of fossil fuels. It is based on the study of the physical properties of new semiconductor materials for thermoelectric applications using computer simulation methods.
The research aims to develop a theoretical model for predicting and explaining changes in the thermoelectric properties of selected semiconductor crystals, changing their stoichiometry and layer thickness, moving from bulk structures to nanolayers. To explain the physical phenomena responsible for charge transfer and thermal conductivity of the tested materials, computer simulations of their electronic and phonon properties will be performed. Knowledge of the band structure of the tested materials will allow us to determine the mechanism of electric charge transfer, the nature of vacancies and admixtures, and their impact on electrical conductivity, which will make it possible to explain the mechanism of the formation of the thermoelectric effect in the tested materials. Computer simulations will also concern the study of the thermodynamic properties of crystal lattice vibrations, taking into account its size limitation.
The obtained results will serve as the basis for optimizing the technology of growth and doping of crystalline semiconductor structures suitable for the creation of thermoelectric energy converters. The results of the computer simulations will be tested experimentally. The work will be carried out in international cooperation with the possibility of internship trips.