Overordnede kursusmål
Kurset giver de studerende overblik over, hvordan
elektronmikroskopi kan bruges til at karakterisere struktur,
sammensætning, morfologi og 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 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 elektronmikroskopi, 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 hands-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
Læringsmål
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 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
- 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
Kursusindhold
Dette kursus introducerer scanning og
transmissionselektronmikroskopi som grundlæggende værktøjer til at
undersøge stof på alle relevante skalaer fra mm til sub-nm. De
studerende lærer driftsprincipperne for mikroskoperne 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:
• 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 TEM og STEM (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)
• Labøvelser i små projektgrupper
Kurset er baseret på en kombination af teoretiske forelæsninger,
laboratorieøvelser, numeriske og billedbaserede øvelser. Viden fra
forelæsningerne bruges til at udtrække information om materialers
struktur og sammensætning og sammenfattes i projektrapporten.
Kurset giver de studerende færdigheder til at analysere, forklare
og konkludere med hensyn til avancerede teknikker inden for
elektronmikroskopi.
Litteraturhenvisninger
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.
Bemærkninger
Dette kursus er en sammenlægning af kurserne 10250 og 47311.
Sidst opdateret
11. oktober, 2021