Jan Valenta - Homepage

Optical spectroscopy of individual nanoobjects (semiconductor nanocrystals, nanowires, organic molecules etc.) enables uncovering variations of individual properties that are normally hidden in the inhomogeneous broadening present when measuring ensembles of nanoobjects. This special spectroscopy opens unique way to deeper understanding of radiative and non-radiative relaxation processes under optical or electrical excitation of nanoobjects, and they changes with size, shape, surface properties and environment of nanoobjects. However, in order to get such deep insight one has to combine optical spectroscopy (which is limited by the diffraction of light to several hundreds of nm) with information about morphology of an object. In our laboratory we are building micro-spectroscopy systems combining optical measurements with the scanning probe microscopy (SPM), namely atomic force microscope (AFM).

The subject of this doctoral thesis is development of such advanced setups containing an inverted optical microscope, imaging spectrographs, CCD cameras, lasers, AFM etc. Next, this apparatus should be applied to investigation of novel nanomaterials, especially semiconductor quantum dots, metal nanostructures and their composites.

Extreme spectroscopy of semiconductor nanostructures

Quantum confinement effect enable to alter considerably electronic and optical properties of materials prepared in form of nanostructures. Therefore the main interest of research in optoelectronics is directed to design, fabrication and characterization of nanostructures. One of the unique sources of information about electronic structures and processes taking place during excitation and relaxation of excited states in materials is optical spectroscopy (absorption, luminescence etc.). In order to apply optical spectroscopy for investigation of nanostructures, the spectroscopic instruments of extreme sensitivity must be integrated with optical imaging systems with maximal resolution and also the samples must be often treated in a special way.
The aim of this PhD work is development of experimental set-ups combining microscopic imaging (on the limits of optical resolution) with extremely sensitive spectroscopy detection. The main challenges are: (i) incorporation of a special cryostat into the imaging part of spectroscopy apparatus, (ii) investigation of methods enabling overcome the classical diffraction limit of optical resolution, (iii) extension of spectral region of microspectroscopy from UV-visible to near infrared, (iv) development of techniques to detect statistics of emitted photons etc. These techniques will be applied to different nanomaterials, mainly silicon and III-V nanocrystals and nanowires (single isolated nanocrystals or photonic structures – waveguides, photonic crystals etc.) and carbon nanostructures (nanotubes, nanodiamonds etc.). A student is supposed to take part also in fabrication of nanostructures (in collaboration with partner laboratories).

The current development of nanotechnologies enables to fabricate various nanostructures with unique properties, which can be used in biophysical research or even in medicine. The aim of this PhD work is an evaluation of application prospects of some modern nanomaterials, mainly semiconductor nanocrystals and carbon nanostructures (nanotubes and nanodiamonds). The starting point will be mastering of nanomaterial manipulation and characterization, as well as participation on their preparation. Next step will involve nanoparticle surface modification and biofunctionalization. The most important part will be investigation of interaction of nanomaterials with cell cultures. By means of modern micro-imaging and spectroscopy techniques the evolution, degradation, localization etc. of nanoparticles within cell will be observed. Final goal is to get information on biocompatibility and biodegradability of nanomaterials, about their applicability as fluorescence labels, drug carriers, and other applications in biology and medicine.
The PhD work will be carried out in close collaboration with several national and foreign laboratories.

Individualita v nanosvětě: Mikro-spektroskopie jednotlivých nano-objektů

Spojením optického mikroskopu a spektrometru s nejnovějšími CCD detektory získáváme nástroj, který může detekovat fluorescenci jednotlivých molekul. Samozřejmě k tomu potřebujeme i speciálně připravený vzorek s nízkou koncentrací vhodných molekul ve „spektrálně čistém“ prostředí. Další náročnou částí experimentu je nutnost spojit mikroskopické zobrazení s chlazením vzorku v kryostatu. Za pokojové teploty totiž molekuly vykazují široká fluorescenční spektra, která se hodí např. jako fluorescenční značky v nějakém biologickém preparátu, ale nedávají příliš informace spektroskopické. Za kryogenních teplot můžeme ovšem pozorovat více úzkých pásů ve fluorescenčním spektru a navíc zjistíme, že jednotlivé molekuly (stejného složení) se mohou značně lišit, každá má jedinečnou kombinaci konformace, interakce s okolím atd., kteréžto vlastnosti se navíc mohou v čase měnit. Z fluorescenčních spekter jednotlivých molekul za kryogenních teplot tak dostáváme informace nedostupné při běžných měřeních s velkými soubory molekul; dokonce se objevují zcela nové jevy jako je spektrální difúze a fluorescenční intermitence.

Úkolem diplomové práce bude získat spektra jednotlivých molekul s využitím nové unikátní mikro-spektroskopické aparatury v oddělení optické spektroskopie KCHFO MFF

. Důležité bude zvládnutí přípravy „spektrálně čistých“ vzorků a také mikroskopického zobrazovaní vzorků umístěných v kryostatu. Kromě „klasických“ organických barviv bude možné zkoumat i moderní „umělé molekuly“ – nanokrystalky polovodičů (kvantové tečky), které nahrazují organická barviva v mikroskopii. Zvládnutí metody pak otevírá možnosti aplikace na mnoho dalších systémů významných pro biologii, medicínu atd.

Koloidní suspenze křemíkových nanokrystalů představují neprávem opomíjenou formu křemíkových nanostruktur, která může výrazně přispět k pochopení mechanismu luminiscence Si nanokrystalů a zároveň je přiblížit některým aplikacím. Koloidy budou připraveny z prášku elektrochemicky rozleptaného křemíku a také z prášku vzniklého rozkladem silanu. Experimentální studium bude zahrnovat fotoluminiscenční měření (včetně fotoluminiscenčních excitačních spekter a kinetiky vyhasínání), mikrospektroskopii, elektrochemická měření a další. Budou prováděny pokusy s biokompatibilitou křemíkových koloidů a jejich použití například k obarvování biologických preparátů.

Určení kvantové účinnosti fotoluminiscence spočívá v určení podílu počtu vyzářených fotonů a počtu absorbovaných fotonů (v případě elektroluminiscence spíše mluvíme o vnější kvantové účinnosti, která je podílem počtu vyzářených fotonů a prošlých elektronů). Velmi častým postupem měření (v případě roztoků organických materiálů) je porovnání absorpčního a luminiscenčního excitačního spektra. Hlavním problémem experimentu bývá určení příspěvku rozptylu a jeho eliminace z výsledku (např. v případě zkoumání polovodičových nanokrystalů). Proto je vhodné použít v experimentu integrační kouli.

Úkolem této práce by bylo vytvoření přehledu používaných metod, seznámení se s řešením experimentálním zařízením v naší laboratoři a prozkoumání některých vzorků - známých luminoforů i nových materiálů. Především by se jednalo o málo prozkoumanou otázku závislosti kvantové účinnosti na energii (tj. vlnové délce) budících fotonů.

Nové generace luminiscenčních diod (LED) dosahují vysoké světelné účinnosti, takže začínají nahrazovat klasické světelné zdroje (žárovky, zářivky). Ve spektroskopických zařízeních se však zatím používají málo, přestože by mohly umožnit podstatné zmenšení a zjednodušení těchto přístrojů. Úkolem práce bude prozkoumat spektrální a vyzařovací charakteristiky různých dostupných LED diod, včetně kinetiky emise a celkové stability. Dále budou některé diody použity pro měření fluorescence a případně transmisních změn v experimentu excitace a sondování.