Τεχνικές Χαρακτηρισμού Υλικών και Εργαστήριο

Tίτλος του μαθήματος

Τεχνικές Χαρακτηρισμού Υλικών και Εργαστήριο

Κωδικός αριθμός μαθήματος

MPH103

Τύπος του μαθήματος

Υποχρεωτικό

Επίπεδο του μαθήματος

Μεταπτυχιακό (ΜΔΕ)

Έτος σπουδών

Πρώτο

Εξάμηνο

Πρώτο

Πιστωτικές μονάδες ECTS

9

Όνομα του διδάσκοντος/των διδασκόντων

Δ. Αναστασόπουλος Επίκουρος Καθηγητής, Ε. Βιτωράτος Καθηγητής, Αλ. Βραδής Αναπλ. Καθηγητής, Στ. Γεωργά Αναπλ. Καθηγήτρια, Χρ. Κροντηράς Καθηγητής, Α. Πομόνη Αναπλ. Καθηγήτρια, Σ. Σακκόπουλος Καθηγητής, Δ. Σκαρλάτος Επίκουρος Καθηγητής, Χ. Τοπρακσίογλου Καθηγητής

Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα του μαθήματος

Στο τέλος αυτού του μαθήματος ο φοιτητής θα έχει ενημερωθεί θεωρητικά και να έχει εξοικειωθεί πρακτικά με τις πάρα κάτω πειραματικές τεχνικές σε ερευνητικό επίπεδο:

1. Μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας συνεχούς (DC conductivity) ημιαγωγών συναρτήσει της θερμοκρασίας (Διάρκεια 5 ώρες, Διδάσκοντες Ε. Βιτωράτος και Σ. Σακκόπουλος).
2. Μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσομένου (AC conductivity) συναρτήσει της συχνότητας σε διηλεκτρικά υλικά με παράμετρο τη θερμοκρασία και την τάση (Διάρκεια 5 ώρες, Διδάσκοντες Σ. Γεωργά και Χ. Κροντηράς).
3. Ηλεκτρικός Χαρακτηρισμός διατάξεων MOS. (Διάρκεια 4 ώρες, Διδάσκοντες Δ. Σκαρλάτος, Σ. Γεωργά και Χ. Κροντηράς).
4. Μετρήσεις μεταβατικής φωτοαγωγιμότητας σε νανοκρυσταλλικά υλικά (Διάρκεια 5 ώρες, Διδάσκοντες Α. Πομόνη).
5. Προσδιορισμός δομής στερεών με ακτίνες Χ (Διάρκεια 4 ώρες, Διδάσκοντες Α. Βραδής και Δ. Αναστασόπουλος).
6. Φασματοσκοπία υπερύθρου (FTIR) (Διάρκεια 4 ώρες, Διδάσκοντες A. Βραδής και Δ. Αναστασόπουλος).

Δεξιότητες

Στο τέλος αυτού του μαθήματος ο φοιτητής θα έχει περαιτέρω αναπτύξει τις ακόλουθες δεξιότητες στα ακόλουθα:

1. Χειρισμός βασικών πειραματικών μεθόδων μελέτης της δομής διαφόρων κατηγοριών στερεών.
2. Επιλογή κατάλληλων μετρητικών οργάνων και κατασκευή αναγκαίων διατάξεων για τον ακριβή προσδιορισμό διαφόρων φυσικών μεγεθών συναρτήσει της θερμοκρασίας και του χρόνου.
3. Επεξεργασία των μετρήσεων, άντληση πληροφοριών από αυτές, προσδιορισμός της αβεβαιότητας των τελικών αποτελεσμάτων.
4. Σύνδεση της δομής διαφόρων τύπων στερεών με τις φυσικές ιδιότητες που μετρούνται. Προσδιορισμός και έλεγχος των αντιστοίχων θεωρητικών μοντέλων.
5. Έρευνα βιβλιογραφίας και σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν με ανάλογα αποτελέσματα άλλων ερευνητών.
6. Ικανότητα να αλληλεπιδρά με άλλους σε οιοδήποτε πρόβλημα προκύψει στο μέλλον.

Προαπαιτήσεις

Οι φοιτητές θα πρέπει να έχουν καλή γνώση της Φυσικής Στερεάς Κατάστασης και γενικές γνώσεις Κρυσταλλογραφίας και Κβαντομηχανικής.

Περιεχόμενα (ύλη) του μαθήματος

1. Μέτρηση ηλεκτρικής αγωγιμότητας συνεχούς ημιαγωγών συναρτήσει της θερμοκρασίας
Κατά τα τελευταία χρόνια μελετάται η ηλεκτρική αγωγιμότητα συνεχούς συζυγών αγώγιμων πολυμερών, των οποίων η συμπεριφορά μοιάζει με εκείνη των ανόργανων ημιαγωγών. Μελετώνται η δομή, οι φορείς ηλεκτρικού φορτίου και οι μηχανισμοί γήρανσης αυτών των πολυμερών.

2. Μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσομένου σε διηλεκτρικά υλικά συναρτήσει της θερμοκρασίας και της τάσης

Γίνονται μετρήσεις διηλεκτρικής φασματοσκοπίας [σ΄(f), ε΄(f), ε΄΄(f), κλπ.] σε διηλεκτρικά υλικά σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων και θερμοκρασιών. Από την επεξεργασία των μετρήσεων προκύπτουν πληροφορίες για τους μηχανισμούς αγωγιμότητας και τους μηχανισμούς διηλεκτρικής χαλάρωσης [π.χ. α, β. γ, χαλάρωση σε πολυμερικές μήτρες] των υλικών. 3. Ηλεκτρικός Χαρακτηρισμός διατάξεων MOS:

Λήψη χαρακτηριστικών C-V, C-f, G _p-ωσε διατάξεις MOS, και προσδιορισμός του πάχους του οξειδίου και της πυκνότητας των διεπιφανειακών καταστάσεων Dit.

4. Μέτρηση της μεταβατικής φωτοαγωγιμότητας σε νανοκρυσταλλικά υλικά

Τα οξείδια των μεταβατικών μετάλλων με νανοκρυσταλλική δομή, λόγω των πολλαπλών εφαρμογών τους, έχουν προσελκύσει ιδιαίτερα το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας. Η μέτρηση της μεταβατικής τους αγωγιμότητας δίνει χρήσιμες πληροφορίες για τον ανταγωνισμό μεταξύ των ρυθμών φωτοπαραγωγής, επανασύνδεσης και παγίδευσης των φορέων. 5. Προσδιορισμός δομής με ακτίνες Χ.

Ο χαρακτηρισμός της δομής είναι πάρα πολύ βασικός για όλες σχεδόν τις ιδιότητες των υλικών. Σε αυτό το μέρος αναλύεται κατ αρχήν η λειτουργία συσκευής χαρακτηρισμού δομής με ακτίνες Χ (XRD). Ακολουθεί η βασική θεωρία που αποβλέπει στον υπολογισμό του παράγοντα δομής για ορισμένες δομές του κυβικού συστήματος ενώ λαμβάνονται μετρήσεις και ταυτοποιούνται δομές για μερικά χαρακτηριστικά υλικά. 6. Φασματοσκοπία υπερύθρου (FTIR).

Ο χαρακτηρισμός της δομής μακρομορίων γίνεται δυνατός με τη χρήση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην υπέρυθρο περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (λ=2-25 μm). Η δονήσεις των ατόμων των μορίων γύρω από τις θέσεις ισορροπίας τους προκαλούν απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα από ένα απλό μόριο να λαμβάνουμε ένα πολύπλοκο αλλά χαρακτηριστικό φάσμα. Αναλύεται η βασική θεωρία που αποβλέπει στην εύκολη ταυτοποίηση των γραμμών απορρόφησης διαφόρων χημικών δεσμών και ακολουθούν μετρήσεις όπου ταυτοποιούνται διάφορα είδη μακρομορίων.

Συνιστώμενη βιβλιογραφία προς μελέτη

1. “Laboratory Notes on Electrical and Galvanomagnetic Measurements” Wieder H.H. Elsevier, Amsterdam (1979)

2. “Handbook of Polymers in Electronics” Bansi D. Malhotra (Ed.) Rapra Techn. Ltd., Shawbury, UK (2002). 3. “Conjugated Polymers” (Theory, Synthesis, Properties and Characterization)

Eds T.A. Skotheim and J.R. Reynolds, CRC Press, USA (2007).
4. “Conjugated Polymers” (Processing and Applications)

Eds T.A. Skotheim and J.R. Reynolds, CRC Press, USA (2007).
5. “ Photoelectronic properties of semiconductors”, Cambridge Univesity Press (1992).

6. “Thermal Analysis of Polymers” Ch. 6. Ed. By J.D. Menczel, R. Bruce Prime (J. Wiley) (2009).

Διδακτικές και μαθησιακές μέθοδοι

Ενημέρωση των φοιτητών σχετικά με την πειραματική μέθοδο, τη συσκευή, τη λήψη και την επεξεργασία των μετρήσεων. Παρακολούθηση και συμμετοχή των φοιτητών σε ολιγομελείς ομάδες στην λήψη των μετρήσεων.

Μέθοδοι αξιολόγησης/βαθμολόγησης

Παράδοση εργασίας, στην οποία γίνεται γενική περιγραφή της συσκευής, της μεθόδου λήψης των μετρήσεων και επεξεργασία αυτών. Παρουσίαση και σχολιασμός των αποτελεσμάτων.

Γλώσσα διδασκαλίας

Ελληνικά. Mπορούν όμως να γίνουν οι παραδόσεις στην αγγλική γλώσσα στην περίπτωση που αλλοδαποί φοιτητές παρακολουθούν το πρόγραμμα.

Tίτλος του μαθήματος	Τεχνικές Χαρακτηρισμού Υλικών και Εργαστήριο
Κωδικός αριθμός μαθήματος	MPH103
Τύπος του μαθήματος	Υποχρεωτικό
Επίπεδο του μαθήματος	Μεταπτυχιακό (ΜΔΕ)
Έτος σπουδών	Πρώτο
Εξάμηνο	Πρώτο
Πιστωτικές μονάδες ECTS	9
Όνομα του διδάσκοντος/των διδασκόντων	Δ. Αναστασόπουλος Επίκουρος Καθηγητής, Ε. Βιτωράτος Καθηγητής, Αλ. Βραδής Αναπλ. Καθηγητής, Στ. Γεωργά Αναπλ. Καθηγήτρια, Χρ. Κροντηράς Καθηγητής, Α. Πομόνη Αναπλ. Καθηγήτρια, Σ. Σακκόπουλος Καθηγητής, Δ. Σκαρλάτος Επίκουρος Καθηγητής, Χ. Τοπρακσίογλου Καθηγητής
Επιδιωκόμενα μαθησιακά αποτελέσματα του μαθήματος	Στο τέλος αυτού του μαθήματος ο φοιτητής θα έχει ενημερωθεί θεωρητικά και να έχει εξοικειωθεί πρακτικά με τις πάρα κάτω πειραματικές τεχνικές σε ερευνητικό επίπεδο: 1. Μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας συνεχούς (DC conductivity) ημιαγωγών συναρτήσει της θερμοκρασίας (Διάρκεια 5 ώρες, Διδάσκοντες Ε. Βιτωράτος και Σ. Σακκόπουλος). 2. Μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσομένου (AC conductivity) συναρτήσει της συχνότητας σε διηλεκτρικά υλικά με παράμετρο τη θερμοκρασία και την τάση (Διάρκεια 5 ώρες, Διδάσκοντες Σ. Γεωργά και Χ. Κροντηράς). 3. Ηλεκτρικός Χαρακτηρισμός διατάξεων MOS. (Διάρκεια 4 ώρες, Διδάσκοντες Δ. Σκαρλάτος, Σ. Γεωργά και Χ. Κροντηράς). 4. Μετρήσεις μεταβατικής φωτοαγωγιμότητας σε νανοκρυσταλλικά υλικά (Διάρκεια 5 ώρες, Διδάσκοντες Α. Πομόνη). 5. Προσδιορισμός δομής στερεών με ακτίνες Χ (Διάρκεια 4 ώρες, Διδάσκοντες Α. Βραδής και Δ. Αναστασόπουλος). 6. Φασματοσκοπία υπερύθρου (FTIR) (Διάρκεια 4 ώρες, Διδάσκοντες A. Βραδής και Δ. Αναστασόπουλος).
Δεξιότητες	Στο τέλος αυτού του μαθήματος ο φοιτητής θα έχει περαιτέρω αναπτύξει τις ακόλουθες δεξιότητες στα ακόλουθα: 1. Χειρισμός βασικών πειραματικών μεθόδων μελέτης της δομής διαφόρων κατηγοριών στερεών. 2. Επιλογή κατάλληλων μετρητικών οργάνων και κατασκευή αναγκαίων διατάξεων για τον ακριβή προσδιορισμό διαφόρων φυσικών μεγεθών συναρτήσει της θερμοκρασίας και του χρόνου. 3. Επεξεργασία των μετρήσεων, άντληση πληροφοριών από αυτές, προσδιορισμός της αβεβαιότητας των τελικών αποτελεσμάτων. 4. Σύνδεση της δομής διαφόρων τύπων στερεών με τις φυσικές ιδιότητες που μετρούνται. Προσδιορισμός και έλεγχος των αντιστοίχων θεωρητικών μοντέλων. 5. Έρευνα βιβλιογραφίας και σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν με ανάλογα αποτελέσματα άλλων ερευνητών. 6. Ικανότητα να αλληλεπιδρά με άλλους σε οιοδήποτε πρόβλημα προκύψει στο μέλλον.
Προαπαιτήσεις	Οι φοιτητές θα πρέπει να έχουν καλή γνώση της Φυσικής Στερεάς Κατάστασης και γενικές γνώσεις Κρυσταλλογραφίας και Κβαντομηχανικής.
Περιεχόμενα (ύλη) του μαθήματος	1. *Μέτρηση ηλεκτρικής αγωγιμότητας συνεχούς ημιαγωγών συναρτήσει της θερμοκρασίας* Κατά τα τελευταία χρόνια μελετάται η ηλεκτρική αγωγιμότητα συνεχούς συζυγών αγώγιμων πολυμερών, των οποίων η συμπεριφορά μοιάζει με εκείνη των ανόργανων ημιαγωγών. Μελετώνται η δομή, οι φορείς ηλεκτρικού φορτίου και οι μηχανισμοί γήρανσης αυτών των πολυμερών. 2. Μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσομένου σε διηλεκτρικά υλικά συναρτήσει της θερμοκρασίας και της τάσης Γίνονται μετρήσεις διηλεκτρικής φασματοσκοπίας [σ΄(f), ε΄(f), ε΄΄(f), κλπ.] σε διηλεκτρικά υλικά σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων και θερμοκρασιών. Από την επεξεργασία των μετρήσεων προκύπτουν πληροφορίες για τους μηχανισμούς αγωγιμότητας και τους μηχανισμούς διηλεκτρικής χαλάρωσης [π.χ. α, β. γ, χαλάρωση σε πολυμερικές μήτρες] των υλικών. 3. Ηλεκτρικός Χαρακτηρισμός διατάξεων MOS: Λήψη χαρακτηριστικών C-V, C-f, G _p-ωσε διατάξεις MOS, και προσδιορισμός του πάχους του οξειδίου και της πυκνότητας των διεπιφανειακών καταστάσεων Dit. 4. *Μέτρηση της μεταβατικής φωτοαγωγιμότητας σε νανοκρυσταλλικά υλικά* Τα οξείδια των μεταβατικών μετάλλων με νανοκρυσταλλική δομή, λόγω των πολλαπλών εφαρμογών τους, έχουν προσελκύσει ιδιαίτερα το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας. Η μέτρηση της μεταβατικής τους αγωγιμότητας δίνει χρήσιμες πληροφορίες για τον ανταγωνισμό μεταξύ των ρυθμών φωτοπαραγωγής, επανασύνδεσης και παγίδευσης των φορέων. 5. *Προσδιορισμός δομής με ακτίνες Χ. Ο χαρακτηρισμός της δομής είναι πάρα πολύ βασικός για όλες σχεδόν τις ιδιότητες των υλικών. Σε αυτό το μέρος αναλύεται κατ αρχήν η λειτουργία συσκευής χαρακτηρισμού δομής με ακτίνες Χ (XRD). Ακολουθεί η βασική θεωρία που αποβλέπει στον υπολογισμό του παράγοντα δομής για ορισμένες δομές του κυβικού συστήματος ενώ λαμβάνονται μετρήσεις και ταυτοποιούνται δομές για μερικά χαρακτηριστικά υλικά. 6. Φασματοσκοπία υπερύθρου (FTIR)*. Ο χαρακτηρισμός της δομής μακρομορίων γίνεται δυνατός με τη χρήση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην υπέρυθρο περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (λ=2-25 μm). Η δονήσεις των ατόμων των μορίων γύρω από τις θέσεις ισορροπίας τους προκαλούν απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα από ένα απλό μόριο να λαμβάνουμε ένα πολύπλοκο αλλά χαρακτηριστικό φάσμα. Αναλύεται η βασική θεωρία που αποβλέπει στην εύκολη ταυτοποίηση των γραμμών απορρόφησης διαφόρων χημικών δεσμών και ακολουθούν μετρήσεις όπου ταυτοποιούνται διάφορα είδη μακρομορίων.
Συνιστώμενη βιβλιογραφία προς μελέτη	1. “Laboratory Notes on Electrical and Galvanomagnetic Measurements” Wieder H.H. Elsevier, Amsterdam (1979) 2. “Handbook of Polymers in Electronics” Bansi D. Malhotra (Ed.) Rapra Techn. Ltd., Shawbury, UK (2002). 3. “Conjugated Polymers” (Theory, Synthesis, Properties and Characterization) Eds T.A. Skotheim and J.R. Reynolds, CRC Press, USA (2007). 4. “Conjugated Polymers” (Processing and Applications) Eds T.A. Skotheim and J.R. Reynolds, CRC Press, USA (2007). 5. “ Photoelectronic properties of semiconductors”, Cambridge Univesity Press (1992). 6. “Thermal Analysis of Polymers” Ch. 6. Ed. By J.D. Menczel, R. Bruce Prime (J. Wiley) (2009).
Διδακτικές και μαθησιακές μέθοδοι	Ενημέρωση των φοιτητών σχετικά με την πειραματική μέθοδο, τη συσκευή, τη λήψη και την επεξεργασία των μετρήσεων. Παρακολούθηση και συμμετοχή των φοιτητών σε ολιγομελείς ομάδες στην λήψη των μετρήσεων.
Μέθοδοι αξιολόγησης/βαθμολόγησης	Παράδοση εργασίας, στην οποία γίνεται γενική περιγραφή της συσκευής, της μεθόδου λήψης των μετρήσεων και επεξεργασία αυτών. Παρουσίαση και σχολιασμός των αποτελεσμάτων.
Γλώσσα διδασκαλίας	Ελληνικά. Mπορούν όμως να γίνουν οι παραδόσεις στην αγγλική γλώσσα στην περίπτωση που αλλοδαποί φοιτητές παρακολουθούν το πρόγραμμα.