...
Stiinta suprafetelor si interfetelor – valoarea studiilor de natura fundamentala
Documentele strategice actuale, atât la nivel național, cât și european, în domeniul cercetării-dezvoltării-inovării fac distincția între cercetare fundamentală (cu sub-categoriile „pură” sau „orientată”), cercetare aplicativă, cercetare industrială, dezvoltare experimentală, inovare (de produs, de proces, de marketing, organizațională) și transfer tehnologic. Opinia publică și/sau decidenții politici sunt în special interesați de ultimele două sau maximum trei verigi ale lanțului menționat mai sus, reflectate în întrebarea obsesivă „La ce folosesc toate aceste cercetări, cum se concretizează ele în creștere economică?” Astfel, de multe ori, politicile publice de cercetare sunt înclinate în a sprijini aceste ultime verigi ale lanțului cunoașterii științifice și tehnologice. Într-o țară în care, istoric vorbind, resursele alocate întregului lanț de cercetare au fost mult sub nivelul țărilor cu dezvoltare economică similară (nu vorbim de țările economic dezvoltate), finanțarea cu preponderență a dezvoltării experimentale, inovării sau transferului tehnologic se lovește de bariera că aceste activități trebuie să se bazeze pe cercetări fundamentale sau aplicative existente, binecunoscute și de către competitorii care au un avans considerabil ca timp și resurse alocate acestor dezvoltări.
În plus, orice noi fenomene ale naturii sau alte noi rezultate ale cercetării fundamentale, dacă se realizează în alte locuri, vor conduce la posibila lor aplicare tot în afara României, deoarece primele entități doritoare să aplice aceste noi rezultate vor fi din proximitatea geografică și/sau economică a instituțiilor care au realizat aceste descoperiri. Este binecunoscut faptul că țările cu indici de inovare ridicați sunt aproximativ aceleași care obțin și cele mai multe și mai de impact rezultate noi în cercetarea fundamentală. În consecință, cercetarea fundamentală este printre puținele șanse ale cercetării din România de a se impune pe plan mondial și de a conduce, pe termen mediu, la plus-valoare în economie. Noi idei sau paradigme fundamentale, care pot fi dezvoltate în România în condițiile unui nivel decent de finanțare, pot atrage atenția operatorilor economici nu numai din țară, dar și companiilor multinaționale sau altor entități cu forță financiară și economică suficientă pentru a asigura implementarea acestor noi idei, teorii sau paradigme în soluții economic viabile, generatoare de creștere economică.
Drumul nu există, drumul se face mergând… în cercetarea fundamentală
Un exemplu extrem de simplu este evoluția electricității, una din componentele esențiale ale civilizației actuale. Până la marile invenții și inovații ale lui Tesla, Edison sau Westinghouse de la finele secolului XIX, a trebuit fundamentată teoria electromagnetismului de către Maxwell spre mijlocului secolului, iar această fundamentare n-ar fi putut fi posibilă fără descoperirile experimentale ale lui Ørsted, Faraday sau Ampère. Nu credem că vreunul din acești trei oameni de știință, și nici măcar Maxwell, a fost conștient de modul în care descoperirile lor vor schimba în mod complet fața lumii peste un secol. Dacă guvernele danez, britanic sau francez le-ar fi impus celor patru descoperitori ai electromagnetismului menționați anterior să lucreze pe domenii de interes economic, probabil că ar fi inovat în special în industria postavului sau a extracției de minereu, sau ar fi studiat mașini cu abur și baloane cu aer cald.
Știința suprafețelor și interfețelor este un exemplu de manual în ceea ce privește caracterul impredictibil al cercetării fundamentale, neputând fi determinate aprioric impactul și rolul ei major în timp. O majoritate covârșitoare a interacțiunilor oricărui corp cu mediul extern începe de la suprafața acestuia, sau interacțiunile între două corpuri se manifestă în primul rând la interfața dintre cele două corpuri. Fenomene de suprafață și interfață sunt prezente în viața de zi cu zi la tot pasul: oxidarea, degradarea suprafațelor, aderența, frecarea, ruperea sau spargerea materialelor, difuzia, sudura, fără a mai vorbi de rolul fundamental jucat de suprafețe și interfețe în cataliză, microelectronică, tehnologia informației. Toate teoriile și simulările de dispozitive sau de sisteme legate de fenomene precum cele menționate pornesc de la sisteme-model de suprafețe și interfețe, în timp ce în realitate situația este mult mai complicată. Să luăm cazul simplu al unei suprafețe metalice. Atât teoreticienii, cât și inginerii vor reprezenta acest sistem ca fiind format din două zone de spațiu, una ocupată de metal și cealaltă complet vidă. În realitate, însă, vid perfect nu există, ci există diferite niveluri de presiuni ale gazului rezidual din incinta vidată; în acelați timp, marea majoritate a metalelor reacționează puternic cu moleculele de gaz rezidual, în special cu oxigenul și cu vaporii de apă. Astfel, pe suprafața oricărui metal (chiar și a aurului sau argintului) se formează un strat subțire de oxid, care poate afecta anumite modelizări, de exemplu de transport electric, de proprietăți magnetice sau de reactivitate chimică. Un exemplu frecvent utilizat în știința suprafețelor presupune că o suprafață ipotetic „atomic curată” cu reactivitate puternică va reacționa cu gazul rezidual la o presiune de 10–6 mbar (sau 10–4 Pa) cu o rată de reacție de aproximativ un strat atomic pe secundă. Rezultă că, și în cazul unui vid foarte avansat (10–10 – 10–11 mbar), o suprafață nu rămâne majoritar necontaminată decât maximum câteva ore. Iar, chiar și în condițiile în care se obține un sistem „ideal” cu materialul de interes într-o regiune spațială și vid ultraînalt în cealaltă, această „suprafață perfectă” prezintă alte proprietăți față de interiorul materialului. Chiar și structural, atomii de pe suprafață se reorganizează formând „reconstrucții”, unele chiar spectaculoase și multe încă incomplet înțelese din punct de vedere fundamental (Figura 1). 
Suprafețele au proprietăți de multe ori complet diferite de ale materialului în volum, de exemplu există suprafețe ale semiconductorilor care au caracter metalic, unele suprafețe ale materialelor magnetice sunt nemagnetice (sau invers), stările de ionizare ale suprafeței unui compus pot fi diferite, nemaivorbind de fascinantele proprietăți intens investigate în prezent ale sistemelor bidimensionale (grafenă, izolatori topologici).
Alt caz simplu, de interes pentru microelectronică, este formarea de bariere de potențial la interfața dintre un metal și un semiconductor, care practic apare ori de câte ori se dorește realizarea de contacte metalice pe semiconductori (probabil că în lume s-au efectuat până în prezent zeci de mii de miliarde de miliarde de asemenea contacte). Contactele acestea sunt clasificate de teoria fenomenologică pe care o aplică inginerii în „injectoare” și „redresoare”. Primele sunt folosite pentru a realiza interfața între dispozitivul electronic și restul circuitului electric, iar a doua categorie este folosită chiar ca dispozitive semiconductoare (diode). Teoria fenomenologică a acestor contacte, elaborată de creatorii microelectronicii pe bază de semiconductori, atunci când nu poate explica în mod complet aceste fenomene de interfață, introduce manual „centri de captură” sau „dipoli de interfață”, însă dacă nu sunt înțelese complet aceste entități, al căror rol este uneori definitoriu pentru performanța dispozitivului, nu se poate efectua nicio predicție, nicicum proiectare și evaluare economic-industrială a unor noi dispozitive. De aceea, de la prezicerea tranzistorilor încă dinainte de Al Doilea Război Mondial (Lilienfeld 1925, Heil 1934), trecînd prin realizarea primelor dispozitive experimentale imediat după război (Bardeen, Shockley, Brattain și alții, 1945–1947) și până la aplicarea pe scară largă a tranzistorilor în primele aparate de radio portabile cu performanțe modeste (1954–1955), au trecut mai multe decenii, mii de inovații și probabil milioane de studii de știința suprafețelor și interefețelor. Țările care au deținut avansul tehnologic în microelectronică (Statele Unite și Japonia în primul rând, urmate de Germania și ulterior alte țări europene și asiatice) au investit masiv în cercetările de suprafețe și interfețe, inclusiv în noi metode de caracterizare și în modelizarea acestor fenomene.
Un exemplu de implementare mai rapidă a cercetării fundamentale în produse revoluționare este constituit de magnetorezistența gigant, fenomen datorat heterostructurilor formate din materiale magnetice și nemagnetice și studiat intens de Fert și Grünberg până în 1988 cu metode ale științei suprafețelor, care a revoluționt tehnologia stocării în medii magnetice abia începând cu 1997, premiul Nobel fiind acordat celor doi fizicieni după încă 10 ani. După cum se observă, chiar și în cele mai rapide parcurgeri ale lanțului - de la cercetare fundamentală la lansarea unui produs pe piață - și în țări mult mai competitive decât a noastră trec mai mulți ani decât durata medie a unui proiect de cercetare din România (între 18 și 36 luni în cele mai multe cazuri).
INCDFM, deținătorul unei infrastructuri de vârf
Nu se poate vorbi de vreo dezvoltare tehnologică atâta timp cât sistemele-model nu sunt complet caracterizate din punct de vedere experimental, până la deducerea amănunțită a legilor fizice asociate și la determinarea cât mai precisă a parametrilor relevanți. Având în vedere și observația dinainte privind timpul limitat de viață a unei suprafețe necontaminate chiar și în condiții de ultravid, rezultă că toate suprafețele și interfețele care se studiază trebuie caracterizate in situ, adică imediat după preparare, în condiții de vid extrem. Ansamblul de instalații de știința suprafețelor și interfețelor de la INCDFM cuprinde două clustere complete de sinteză și caracterizare a suprafețelor, interfețelor, straturilor subțiri și heterostructurilor, fiecare fiind format din (1) o incintă de preparare, cu posibilități de curățare a suprafețelor prin bombardare ionică sau tratamente termice la temperaturi ridicate, depuneri de diferite materiale pornind de la mai multe tipuri de evaporatoare, prevăzută cu tehnici de caracterizare in situ prin difracție de electroni, spectroscopie de electroni Auger, spectrometrie de masă. (2) o incintă pentru microscopie de baleiaj cu efect tunel (STM). (3) incinta de analiză prin spectroscopie de fotoelectroni, prevăzută cu mai multe surse de radiație X sau UV, posibilități de rotire a probei în 2 planuri și, într-una din incinte, posibilitatea de a se analiza fotoelectroni cu polarizare de spin. (4) incinte intermediare de transfer și stocare a probelor în ultravid, camera de introducere rapidă a probelor de la presiune atmosferică la vid înaintat. Un asemenea dispozitiv, împreună cu rezultate relevante, este reprezentat în Figura 2.
Calitatea rezultatelor, amplificată puternic de radiația de sincotron și centrele dedicate
Având în vedere prevalența metodelor de spectroscopie de fotoelectroni, precum și durata relativ scăzută de viață a unei suprafețe, interfețe sau heterostructuri chiar și în condiții de vid extrem, rezultă că este esențial să se dispună de o sursă de radiație electromagnetică intensă, cu domeniul spectral larg, ajustabilă în energie și polarizare, cu posibilitate de monocromaticitate extremă, adică deviațiile relative de la energia medie a fotonilor incidenți să fie de ordinul 1/10000, și pe cât posibil concentrată pe arii mici (submicronice). Această sursă este radiația de sincrotron, iar printre cele mai importante tematici la toate aceste centre de radiație de sincrotron sunt cele legate de știința suprafețelor și interfețelor. Numai în Europa există peste o duzină de asemenea centre de radiație de sincrotron (trei în Germania, două în Franța, incluzînd centrul European Synchrotron Radiation Facility, cel mai mare din lume, două în Suedia și câte unul în Regatul Unit, Italia, Spania, Elveția, Danemarca, Polonia). Un centru de dimensiune medie de radiație de sincrotron are între 20 și 30 de stații experimentale și costă cca. 1 miliard de Euro. La fiecare stație experimentală se perindă câteva zeci de grupuri de utilizatori externi anual. Lucrul la un asemenea centru este din start într-un mediu interdisciplinar și puternic motivant, atât de calitatea cercetătorilor care există în instituțiile respective, cât și de aceea a utilizatorilor externi. Având în vedere acest lucru, Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM) a primit cu mult entuziasm propunerea centrului Elettra de la Trieste (facilitatea italiană de radiație de sincrotron) de a ne permite instalarea unuia din cele două clustere de știința suprafețelor, cel dotat cu rezoluția de spin, pe una din liniile de fascicul ale facilității (SuperESCA), alocându-se pentru echipe românești cca. o lună de timp de fascicul. În afara acestui timp, se poate lucra cu această instalație folosindu-se sursele de laborator, în aceleași condiții în care s-ar lucra în institut. Figura 3 prezintă instalația implementată la sincrotronul Elettra. Este singura instalație de știința suprafețelor de la Elettra care integrează spectroscopia de fotoelectroni cu rezoluție unghiulară și de spin cu microscopia cu rezoluție atomică STM și cu o incintă complexă de preparări și caracterizări in situ. Instalația a primit numele CoSMoS (combined spectroscopy and microscopy on a synchrotron).
Parerea ta conteaza: 
Asemanator
Universitatea de Vest din Timișoara la 80 de ani- Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca - inovație și excelență în educație și cercetare cu recunoaștere europeană
- ICPE-CA: 20 de ani de evoluție și performanță ca institut național
- ICMET Craiova, 50 de ani de cercetare, dezvoltare și inovare în slujba electrotehnicii
- Excelența COMOTI, recunoscută la cel mai înalt nivel
- ATEN: integrare superioară a resurselor IT, în pas cu revoluția AI
