Природно-математички факултет
Универзитет у Новом Саду

Мени

Катедра за експерименталну физику кондензоване материје

  • Катедра за експерименталну физику кондензоване материје
O КатедриИсторијат катедреНаучна делатностНаставна делатностЧланови катедре

Катедра за експерименталну физику кондензоване материје је научно-наставна јединица Департмана за физику, која постоји од самог оснивања садшњег Департмана за физику (некада Завод-, па Институт за физику). Научноистраживачки рад Катедре обухвата приоритетно истраживања из области:

  • нови материјали из групе аморфних полупроводничких система;
  • нови материјали у форми танких филмова и наноструктурних карактера;
  • кристални комплекси;
  • производња нових материјала и оптимализација технолошког поступка њиховог добијања;
  • термичка, магнетна, оптичка и рентгенска мерења усмерена на потребе грађевинске, керамичке и машинске индустрије.

Истраживања на Катедри су у основи експериманталног карактера са нагласком на технологији добијања и физичкој карактеризацији нових материјала. Материјали се припремају у облику балка, филмова, прахова и керамике, а експериментални третман обухвата методе:

  • термичка мерења диференцијалне-термичке анализе,
  • термогравиметрије, диференцијалне термогравиметријске анализе,
  • диференцијална скенинг калориметрија,
  • дилатометријска мерења до 1000оC,
  • апсорпциона спектроскопија
  • дифузна рефлексиона спектроскопија
  • оптичка мерења на балку и танким филмовима
  • карактеристике фотозаписа
  • магнетне карактеристике
  • механичке карактеристике

Чланови Катедре су као резултате научно-истраживачког рада, самостално или у сарадњи са члановима других институција из земље и иностранства, објавили велик број научних радова на конференцијама и часописима престижних нивоа.

Катедра негује сарадњу са домаћим и међународним истраживачким групама превенствено из Европе, кроз заједничке пројекте, мобилности и коауторске радове.

Поред научноистраживачког рада чланови Катедре су укључени и у реализацију великог броја курсева на основним, мастер и докторским академским студијама физике. У оквиру Катедре постоји Лабораторија за извођење експерименталних вежби из предмета блиских имену Катедре. Такође поједини чланиви активно учествују у процесу формирања научног подмлатка у форми извођења наставе са ученицима специјалних одељења гимназије Јован Јовановић Змај у Новом Саду.

Приликом оснивања Завода за физику на Филозофског факултету, године 1967., пет оснивача формирала пет научноистраживачких група (Лабораторија). Током времена Катедра је мењала своје име, од групе на Филозофском факултету и Заводу за физику и математику, Лабораторије за Физику чврстог стања у Институту за физику, до данашње Катедре за експерименталну физику кондензоване материје.

Физику чврстог стања је оформио и до пензије водио проф. др Слободан Царић. Паралелно се формирала Лабораторија за Атомску физику под руководсвом проф. др Ивана Јанића. Након одласка оба оснивача у пензију преостали чланови Лабораторије за Атомску физику се припајају Лабораторији за Физику чврстог стања. Након реформисања у Департман, Лабораторија преузима име Катедре за експерименталну физику кондензоване материје, који назив је опстао до данашњих дана. После др Слободана Царића Катерду дуги низ година води др Драгослав Петровић. Потом до пензије руковођење преузима др Светлана Лукић-Петровић.

Некадашњи чланови Катедре:

  • др Слободан Царић (шеф Катедре)
  • Фрања Пајванчић (технички сарадник)
  • Бранислав Шешум (технички сарадник)
  • др Драгослав Петровић (шеф Катедре)
  • др Светлана Лукић-Петровић (шеф Катедре)
  • др Иван Јанић
  • др Душанка Обадовић
  • др Марија Какаш
  • др Мира Терзић
  • Сава Божић (технички сарадник)

Развој научне делатности на Катедри инспирисан је и усмераван једноставном чињеницом: све технологије зависе од доступности одговарајућих материјала. Напредак је данас омогућен пре свега проналаском нових супериорнијих материјала.

Актуелна научна делатност и истраживања на Катедри орјентисана су на следеће класе материјала:

  1. Аморфна халкогенидна полупроводничка стакла

С једне стране, реч је о аморфним халкогенидним материјалима. Халкогенидна стакла представљају јединствену групу неорганских аморфних материјала који у свом саставу садрже један или више халкогених елемената – сумпор (S), селен (Se) или телур (Te) – у комбинацији са елементима IV, V или VI групе периодног система. Ови материјали имају полупроводничка својства и као такви исказују огроман потенцијал у смислу практичне примене, заузимају веома важно место у савременој науци о материјалима и чине поуздану основу за развој модерне фотонике, електронике и технологије будућности. Између осталог, користе у изради пасивних и активних оптичких компоненти, сочива, оптичких влакана, ласерских појачавача и нелинеарних елемената, омогућавајући поуздан рад у захтевним фотонским системима. Област примене халкогенидних стакала обухвата широк спектар савремених технологија – од материјала за електронске компоненте у телекомуникационим системима и уређајима за брзу обраду сигнала, до напредних инфрацрвених система за ноћно осматрање. Поред тога, ова стакла показују изузетна својства у електричним прекидачким појавама, што их чини перспективним материјалима за складиштење информација, управљање снагом и развој меморија нове генерације са променом фазе. Повећано интересовање за ове материјале настало је управо развојем нових меморија будући да ова стакла исказују могућност термички индуковане промене између аморфне и кристална фазе при чему постоји велика разлика у проводности тих фаза, а на чему се базира бележење информација. Могућности истраживања на овим стаклима представљају практично непресушан извор будући да се променом састава, технологије добијања и легирањем могу мењати њихове физичке карактеристике и добијати материјали са програмираним својствима унутар одређених граница.

  1. Примена полимерних нанокомпозита са метал оксидним наночестицама у пречишћавању отпадних вода

Фотокатализа представља процес у коме се хемијска реакција иницира и убрзава под дејством електромагнетног зрачења (најчешће UV и видљиве светлости) у присуству фотокатализатора. Апсорпцијом фотона одговарајуће енергије долази до побуђивања фотокатализатора и преласка електрона у више енергетско стање, чиме се генеришу реактивне врсте способне да учествују у оксидационо-редукционим реакцијама. Фотокатализатор се при томе не троши, већ се након завршетка реакције враћа у своје почетно стање.

У хетерогеним системима, који су најчешће предмет истраживања, процес се одвија на површини чврстог полупроводничког материјала, док су реактанти присутни у течној или гасовитој фази. Фотокатализа има значајну примену у области заштите животне средине, нарочито у разградњи органских загађивача и пречишћавању воде и ваздуха, али и у домену обновљивих извора енергије и синтезе хемијских једињења.

Механизам фотокатализе заснива се на електронској структури полупроводника (Слика). Апсорпција фотона енергије једнаке или веће од енергије забрањене зоне (Еg) доводи до преласка електрона из валентне у проводну зону, при чему настаје пар електрон–шупљина (е–/h+). Шупљина (h+) делује као снажно оксидационо средство, оксидујући молекуле воде или адсорбоване органске супстанце и генеришући хидроксилне радикале (•ОH), док електрон (е–) у проводној зони редукује молекуларни кисеоник, формирајући супероксидни радикал-ањон (•О2–) и друге реактивне кисеоничне врсте. Присуство ових реактивних врста повећава оксидативни потенцијал система и доприноси ефикаснијој разградњи загађивача, под условом да је рекомбинација пара електрон–шупљина минимизована.

Процес фотокатализе обухвата више узастопних корака: дифузију молекула загађивача и кисеоника до површине катализатора, њихову адсорпцију, фотоактивацију полупроводника, одвијање површинских редокс реакција и коначно десорпцију продуката реакције.

Метал-оксидне наночестице, попут ZnO, ТiО2 и SnO2, показују високу фотокаталитичку ефикасност у процесима пречишћавања отпадних вода. Међутим, њихова примена у дисперзном облику захтева накнадно издвајање из пречишћене воде, што представља технички захтеван, дуготрајан и економски неповољан поступак. Из тог разлога, савремена истраживања усмерена су ка развоју система у којима су наночестице имобилизоване, чиме се елиминише потреба за њиховим додатним уклањањем након третмана.

Предмет нашег истраживања јесте синтеза полимерних нанокомпозита са метал-оксидним наночестицама (ZnO–PMMA, ZnO–SnO2–PMMA и TiO2–PMMA), у којима су наночестице фиксиране унутар полимерне матрице и омогућавају ефикасно пречишћавање отпадних вода без секундарне сепарације катализатора. С обзиром на то да већина конвенционалних фотокатализатора апсорбује зрачење претежно у UV области, посебан фокус истраживања усмерен је на њихову функционализацију ради сужавања забрањене зоне и померања апсорпционог максимума ка видљивој области спектра, чиме се омогућава ефикасније коришћење сунчеве светлости као одрживог извора енергије. На слици је приказан пример фотокаталитичке фолије на бази ZnO–SnO2–PMMA нанокомпозита.

  1. Синтеза и карактеризација мултифункционалних (нано)материјала у облику прахова, композитне керамике и танких филмова

Ова истраживачка област обухвата систематско проучавање синтезе и својстава мултифункционалних метал-оксидних (нано)материјала у облику прахова, композитне керамике и танких филмова. Посебан акценат стављен је на испитивање утицаја параметара механохемијске синтезе — времена и брзине млевења, односа полазних компонената, као и услова накнадног термичког третмана — на фазни састав, кристалну структуру, морфологију, величину кристалита и дефектну структуру добијених материјала.

Истраживања обухватају материјале на бази ZnO, TiO2, SnO2, MgO и Zn2SnO4, луминесцентне системе као што је YNbO4:Er,Yb, као и сложене оксидне и хетероструктурне системе Li–Nb–Ti–O, Co3O4/SiO2, Fe3O4/ZrO2, ZnO/TiO2, ZnO/SnO2, TiO2/MoO3 и CeO2/ZrO2. Посебна пажња посвећена је контроли међуфазних граница, хетероспојева и интерфејсних ефеката, који значајно утичу на транспорт наелектрисања, апсорпцију зрачења и укупна функционална својства.

Поред механохемијске синтезе, развијају се и методе добијања наноструктурних материјала из течне фазе, укључујући сол–гел, хидротермалну/солвотермалну синтезу и методу преципитације, уз примену ултразвучног и микроталасног третмана ради унапређења хомогености, контроле нуклеације и раста честица, као и скраћења времена синтезе. Посебан сегмент истраживања односи се на формирање танких филмова контролисане дебљине и микроструктуре, погодних за интеграцију у функционалне уређаје.

Истраживања су усмерена на инжењеринг хибридних и композитних полупроводничких (нано)материјала са унапређеним електрооптичким, микроталасним, фотокаталитичким и термоелектричним својствима. Циљ је оптимизација њихових перформанси за примену у сензорима температуре, штетних гасова и влаге, као варистори – променљиви отпорници у електричним колима и фотокатализатори за пречишћавање отпадних вода и деградацију органских загађивача.

Карактеризација добијених материјала спроводи се применом савремених структурних, морфолошких, оптичких, термичких и електричних метода, укључујући рендгеноструктурну анализу (XRD), UV–Vis, FTIR и Раманову спектроскопију, дифузно-рефлексионa мерења, диференцијалну термијску и калориметријску анализу (DTA–DSC), као и микроскопске технике SEM–EDS и TEM и импедансну спектроскопију. Оваквим мултидисциплинарним приступом омогућава се корелација између услова синтезе, микроструктуре и функционалних својстава материјала.

  1. Примена мемристивних материјала у неуроморфним системима

Мемристивни материјали у неуроморфним системима, биолошки инспирисаним вештачким неуронским мрежама, меморијским и оптичким уређајима. Синтеза полупроводничких материјала, испитивање електричних, морфолошких и оптичких особина материјала.

Мемристивни материјали су врста материјала чији електрични отпор зависи од историје напона или струје који су кроз њих пролазили. Показују мемристивно понашање, односно ,,памте“ претходне вредности електричног стања чак и након уклањања напајања. Материјали са повољним мемристивним карактеристикама чине активни слој у мемристивној структури. Опште је познато да мемристорe одликује скуп јединствених карактеристика као што су велика брзина рада, мала потрошња енергије, велики капацитет складиштења података, скалабилност, једноставна структура, компатибилност са CMOS технологијом итд. С друге стране, активни слој мемристора кључан je за перформансе мемристивних уређаја. Мемристивни материјали који чине активни слој мемристора налазе примену у меморијским RRAM (енг. Resistive Random Access Memory) уређајима.  Осим тога, због својих изузетних особина, мемристори имају широку примену у вештачким неуронским мрежама инспирисане функцијама и перформансама биолошких неурона и синапси. Мемристивни материјали који у мемристивној структури имају способност за постепену промену из високоотпорног (OFF) стања у нискоотпорно (ON) стање, и обрнуто, под дејством побудног напона је од изузетне важности јер је то одлика пластичности биолошких неурона и основа за хардверску реализацију вештачких неурона.

  1. Монокристали

Један део истраживања посвећен је одређивању структуре монокристала методама рендгенске дифракције, при чему је највећа пажња усмерена на металоорганске мреже, координациона и биолошки активна једињења.

Опрема на Катедри:

Опрема којом располаже Катедра омогућава синтезу наведених класа материјала и пружа могућност широке физичке и хемијске карактеризације. У том смислу Катедра располаже различитим пећима за синтезу и планетарним милином за механохемијску синтезу. Истраживања су у основи експерименталног карактера и обухватају: диференцијално-скенирајућу калориметрију, термогравиметрију, дилатометријска мерења, апсорпциону и дифузно-рефлексиону спектроскопију, Раманову спектроскопију, механичку карактеризацију наноиндентацијом, рендгенску структурну анализу….

  • Double-beam PerkinElmer LAMBDA 950 UV-Vis-NIR spektrofotometar
  • Mettler Tolede DSC 822 za diferencijalno-skenirajuću analizu
  • SDT-Q600 TA Instruments za simultanu termičku analizu
  • Retsch PM100 planetarni mlin
  • Fischerscope HM2000 S
  • Ocean optics Centice MMS Raman spektrometar
  • Rigaku Oxford Diffraction Xcalibur Gemini S дифрактометр за монокристал

У реализацији истраживачке делатности развијена је сарадња са следећим институцијама у земљи:

  • Институтом за физику у Земуну
  • Институтом за нуклеарне науке „Винча“
  • Физичким факултетом у Београду;
  • Технолошким факултетом у Новом Саду;
  • Технолошко-металуршким факултетом у Београду
  • „Електропорцеланом“ из Новог Сада
  • Азотара – Панчево
  • НИП Петрохемија – Панчево

Такође у реализацији научно-истраживачке делатности присутна је сарадња са следећим институцијама из иностранства:

  • The Institute of Rock Structure and Mechanics of the Czech Academy of Sciences
  • Institute of Materials, Faculty of Materials Scince and Technology, Slovak University of Technology in Bratislava
  • Foundation for Research and Technology – Hellas, Institute of Chemical Engineering Sciences (FORTH/ICE–HT), Rio-Patras, Greece
  • Департманом за физику кондензоване материје у Кадизу, Шпанија
  • Национални институт за физику материјала – Букурешт, Румунија
  • Институт за ласерску спектроскопију – Санкт Петерсбург, Русија
  • Индијски институт за технологију – Guwahati, Индија
  • Институт за хемију – Рене, Француска
  • Институтом за микроелектронику из Ужгорода, Украјина

До сада су реализовани следећи научно-истраживачки пројекти:

  • Физика аморфних и наноструктурних материјала, фундаментална истраживања, 2011.-2019.
  • Материјали редуковане димензионалности за ефикасну апсорпцију светлости и конверзију енергије, Интегрална и интердисциплинарна истраживања, 2011.-2019.
  • Аморфни и наноструктурни халкогениди, фундаментална истраживања, 2006.-2010.
  • Аморфни и наноструктурни халкогениди и керамике, фундаментална истраживања, 2003.-2005.
  • ПРОГРАМ, Институционално, научноистраживачки рад, 2020.
  • Preparation and characterisation of non-ordered materials for application in infrared spectra, Мултилатерална научна и технолошка сарадња између земаља у Дунавској регији, 2020.-2022.
  • Physical properties of glasses designed for applications in infrared region of spectrum and memory devices, Мултилатерална научна и технолошка сарадња између земаља у Дунавској регији, 2017.-2018.
  • Bile Acid Nanosystems as Molecule Carriers in Pharmaceutical Aplications, Пројекат прекограничне сарадње Мађарска – Србија, 2011.-2013.
  • Нови халкогенидни материјали за ефикасно трансформисање и коришћење енергије, Пројекат од значаја за науку и технолошки развој АП ВОЈВОДИНЕ, финансијер: Покрајински секретаријат за високо образовање и научноистраживачку делатност, Влада Аутономне покрајине Војводине, 2021.-2024.
  • Особине и електрична својства допираних аморфних халкогенидних материјала и наноструктурне керамике, Пројекат од значаја за науку и технолошки развој АП ВОЈВОДИНЕ, финансијер: Покрајински секретаријат за високо образовање и научноистраживачку делатност, Влада Аутономне покрајине Војводине, 2016.-2019.
  • Синтеза и примена нових наноструктурних материјала за разградњу органских полутаната из процедних вода комуналних депонија у Војводини, Пројекат од значаја за науку и технолошки развој АП ВОЈВОДИНЕ, финансијер: Покрајински секретаријат за високо образовање и научноистраживачку делатност, Влада Аутономне покрајине Војводине, 2016.-2019
  • Коришћење отпадне стаклене амбалаже са депоније у Новом Саду као секундарне сировине за производњу опеке, Kраткорочни пројекат од посебног интереса за одрживи развој у АП Војводини, финансијер: Покрајински секретаријат за високо образовање и научноистраживачку делатност, Влада Аутономне покрајине Војводине, 2015.
  • Технологија добијања и карактеризација неуређених полупроводника, примењена истраживања, финансијер: Секретаријат за науку и технолошки развој АП Војводине, 2005.-2010.

Катедра за експерименталну физику кондензоване материје у оквиру наставне делатности оријентисана је пре свега на студијске групе за образовање физичара различитих профила, али интензивно учествује у организацији и реализацији наставе и за друге струке. У оквиру наставне делатности, чланови Катедре за експерименталну физику кондензоване материје реализују наставу из следећих предмета:

Основне академске студије

  • Физиолошка оптика
  • Контактна сочива 1
  • Контактна сочива 2
  • Методе мерења и обрада података
  • Основе биофизике
  • Основи геофизике
  • Физика људског организма
  • Основе физике кондензоване материје
  • Физика хидросфере са океанологијом
  • Техничко-технолошке примене савремених материјала
  • Физика кондензоване материје
  • Рендгенска структурна анализа кристала
  • Основи физике функционалних материјала
  • Савремене методе карактеризације материјала

Мастер академске студије

  • Виши курс из контактних сочива
  • Виши курс физике кондензоване материје
  • Технологија добијања материјала
  • Материјали за примену у енергетици и заштити животне средине
  • Термичке и механичке особине материјала
  • Транспортни процеси у кондензованим системима
  • Мемристивни материјали
  • Физичке основе ултразвучне дијагностике
  • Основи физике наноматеријала
  • Диелектричне и магнетне особине материјала
  • Увод у својства луминесцентних материјала

Докторске академске студије

  • Физика функционалних материјала
  • Спектроскопија кондензованог стања
  • Својства и технике карактеризације танких филмова
  • Напредни курс рендгенске структурне анализе кристала
  • Физика неуређених система
  • Наноматеријали и нанотехнологије
  • Полимерни нанокомпозити и њихове примене
  • Добијање и процесирање нових материјала
  • Савремене методе карактеризације функционалних материјала

Садашњи чланови Катедре за експерименталну физику кондензоване материје су: