47333 Elektronmikroskopi til materialeforskning

2021/2022

For hvert eneste materiale, du ser eller bruger, afhænger materialets egenskaber af strukturer på mikro-, nano- og atomar skala. Her kan du lære at bruge elektronmikroskoper til at vise materialernes strukturer ned i mindste detalje. Du kan lære hvordan viden om materialernes mindste dele kan bruges til at løse udfordringer i forskning og i industrien.
Kursusinformation
Electron microscopy for materials science
Engelsk
5
Kandidat
E4A (tirs 13-17)
Campus Lyngby
Forelæsninger, problemløsning, dataanalyse med elektronmikroskopisoftware og eksperimenter.
De studerende giver feedback til hvert modul via DTU Learn. Evalueringer først, midt og sidst i kurset bruges til at give studerende og undervisere feedback.
13-uger
E4A
Mundtlig eksamen og bedømmelse af rapport(er)
Evalueringen er resultatet af en samlet vurdering af projektrapport og den mundtlige eksamen.
30 minutter
Alle hjælpemidler er tilladt
7-trins skala , ekstern censur
10250 og 47311
10250. 47311
22602 , Bachelor i: General Engineering, Fysik og Nanoteknologi, Kemi og Teknologi, Produktion og Konstruktion, Elektroteknologi eller bachelor i materialevidenskab eller faststoffysik
Minimum 10 Maksimum: 24
Søren Bredmose Simonsen , Lyngby Campus, Bygning 310 , sobrs@dtu.dk
Shima Kadkhodazadeh , Lyngby Campus, Bygning 307, Tlf. (+45) 4525 6494 , shka@dtu.dk
Salvatore De Angelis , sdea@dtu.dk
47 Institut for Energikonvertering- og lagring
56 DTU Nanolab
I studieplanlæggeren
Dette kursus giver den studerende en mulighed for at lave eller forberede et projekt som kan deltage i DTUs studenterkonference om bæredygtighed, klimateknologi og miljø (GRØN DYST). Se mere på http://www.groendyst.dtu.dk
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