Kurset giver de studerende overblik over, hvordan elektronmikroskopi kan bruges til at karakterisere struktur, sammensætning, morfologi og elektronisk/magnetisk struktur i materialer på længdeskalaer, der spænder fra mikro til atomar skala. Historisk set har elektronmikroskopi været et grundlæggende redskab til at forstå sammenhængen mellem struktur og egenskaber i metaller, keramik, halvledere og grænseflader i kompositmaterialer. Kvantitativ information fra elektronmikroskopi er essentiel for udvikling af teknologi inden for mange anvendelser, f.eks. til katalyse, elektrokemiske teknologier til høstning, konvertering og lagring af grøn energi, materialer til foto- og plasmonteknologi, magnetiske materialer og materialer til kvantecomputing.

Elektronmikroskopi i dens forskellige former (SEM, TEM, STEM, elektrondiffraktion) suppleret med spektroskopiske metoder (EDS, EELS) sammen med teknikker til prøvepræparation er tilsammen en stærk platform til karakterisering, når man skal løse virkelige materialeproblemer inden for industri og forskning.

Dette kursus giver deltagerne mulighed for at identificere de teknikker inden for elektronmikroskop, der bedst løser specifikke opgaver. Deltagerne lærer at forstå og fortolke mikroskopibilleder, diffraktionsmønstre, spektre og andre typer data, som kan opsamles med et moderne elektronmikroskop. Kurset lærer de studerende grundlæggende elementer i elektronmikroskopi og viser elektronmikroskopiens potentiale. Deltagerne får hand-on erfaring med at optage, behandle, fortolke og kvantificere data.

SEM: scanning elektronmikroskopi, TEM: transmission elektronmikroskopi, STEM: scanning transmission elektronmikroskopi, EDX/EDS: energidispersiv røntgenspektroskopi, EELS: elektron energitabsspektroskopi En studerende, der fuldt ud har opfyldt kursets mål, vil kunne:

• Forklare hvordan de forskellige optiske dele af et mikroskop styrer elektronstrålens egenskaber fra elektronkanonen til prøven og til detektorerne
• Definere begrebet "transfer function" og forklare dets rolle i dannelse af STEM- og HRTEM-billeder
• Identificere spredningsprocesser i tynde TEM-prøver (elastiske og ikke-elastiske), der opstår, når elektroner støder på et materiale, og illustrere hvordan spredning af elektroner bliver til de signaler, vi kan registrere og analysere
• Forklare oprindelsen af elektron- og røntgensignaler i interaktionsvolumenet af bulk SEM-prøver ved hjælp af begreber som elektronenergitab, middelfri vejlængde, spredningstværsnit og multipel spredning
• Fortolke eksperimentelle data såsom diffraktionsmønstre, spektre og billeder, som er optaget i laboratorierne eller dannet med simuleringssoftware
• Skelne Bragg-diffraktion fra generelle spredningsprocesser og se forskel på diffraktionsdata fra enkeltkrystaller, polykrystallinske og amorfe materialer samt bestemme krystallografiske parametre fra elektrondiffraktionsdata
• Forberede en prøve til SEM- og TEM-eksperimenter, vælge en god præparationsmetode til en given undersøgelse og forklare, hvilke fejlkilder metoden påvirker analysen med
• Udføre eksperimenter med diffraktion og mikroskopi, kvantificere mikrostrukturer og krystallografiske parametre samt estimere usikkerheder i de anvendte SEM- og TEM-teknikker
• Udføre EDS-målinger, måle grundstofkoncentrationer i prøver, skelne mellem de fysiske processer bag EDS og estimere nøjagtigheden af EDS-målinger i SEM og TEM
• Optage et EELS-spektrum, og bestemme kemisk information fra det
• Evaluere teknikker inden for elektronmikroskopi for at kunne anvende den mest passende metode eller kombination af metoder til kvantificering af mikro- og nanostrukturer i og grundstofsammensætning af materialer

Dette kursus introducerer scanning og transmissionselektronmikroskop som grundlæggende værktøjer til at undersøge stof på alle relevante skalaer fra mm til sub-nm. Studerende lærer driftsprincipperne for instrumenter og deres detektorer med vægt på, hvordan billeder dannes, hvilken type fysisk information de indeholder, hvordan informationen påvirkes af instrumentelle mangler, og hvordan man kan hente og kvantificere informationen. Emnerne vil omfatte:
• Elementer i elektronoptik (hvad mikroskopet gør med elektronstrålen)
• Elektron-stof-interaktioner, spredningsteori (hvad prøven gør med elektronstrålen)
• Billeddannelsesteori (hvordan et billede dannes i SEM og TEM)
• Billeddannelsesmetoder i (S) TEM (bright-field, dark-field, diffraktion, høj opløsning, fasekontrast)
• Spektroskopiske metoder (EDX og EELS)
• Prøveforberedelse (hvilke kriterier der skal være opfyldt for at have levedygtige prøver, som vi kan undersøge)
• Simulering af billeder og spektre og billedfortolkning ved hjælp af tilgængelig software
• Forskningsbaseret elektronmikroskopieksperimenter og øvelser på materialer i den virkelige verden i små projektgrupper

Kurset er baseret på en kombination af teoretiske forelæsninger, laboratorieøvelser, numeriske og billedbaserede øvelser. I (lab) øvelser anvender studerende i grupper viden fra forelæsningerne til at udtrække information om materialers struktur og sammensætning og sammenfatte denne i rapporter. Kurset giver de studerende færdigheder til at analysere, forklare og konkludere med hensyn til avancerede elektronmikroskopiteknikker. Goldstein, Newbury, Joy, Lyman, Echlin, Lifshin, Sawyer, and Michael: "Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis", 4th Ed. (2018), Williams and Carter: "Transmission Electron Microscopy; A Textbook for Materials Science", 2nd Ed. (2009). Begge lærebøger er gratis tilgængelige via SpringerLink fra DTUs bibliotek. Dette kursus er en sammenlægning af kurserne 10250 og 47311. 29. juni, 2020