- Nazwa przedmiotu:
- Charakteryzacja materiałów dla mikroelektroniki
- Koordynator przedmiotu:
- Piotr FIREK
- Status przedmiotu:
- Fakultatywny ograniczonego wyboru
- Poziom kształcenia:
- Studia II stopnia
- Program:
- Elektronika
- Grupa przedmiotów:
- Przedmioty techniczne - zaawansowane
- Kod przedmiotu:
- CHA
- Semestr nominalny:
- 4 / rok ak. 2018/2019
- Liczba punktów ECTS:
- 4
- Liczba godzin pracy studenta związanych z osiągnięciem efektów uczenia się:
- 85
- Liczba punktów ECTS na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału nauczycieli akademickich:
- 2.5
- Język prowadzenia zajęć:
- polski
- Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o charakterze praktycznym:
- 1
- Formy zajęć i ich wymiar w semestrze:
-
- Wykład30h
- Ćwiczenia0h
- Laboratorium15h
- Projekt0h
- Lekcje komputerowe0h
- Wymagania wstępne:
- Zalecane jest wcześniejsze zaliczenie przedmiotów:
Nanotechnologie
Zaawansowane technologie mikroelektroniki i fotoniki krzemowej
- Limit liczby studentów:
- 42
- Cel przedmiotu:
- Celem wykładu jest zapoznanie studentów z najczęściej używanymi współczesnymi technikami charakteryzacji materiałów oraz mikro- i nanostruktur. Przedstawione zostaną metody mikroskopowe, skanujące, dyfrakcyjne, spektroskopowe oraz profilowe, ich wady i zalety, zakresy zastosowań oraz zasady działania urządzeń. Podczas zajęć laboratoryjnych studenci wykorzystają w praktyce wiedzę zdobytą w trakcie wykładu, poprzez działania na specjalistycznym sprzęcie do charakteryzacji materiałów oraz mikro- i nanostruktur.
- Treści kształcenia:
- Treść wykładu
Wprowadzenie (2h)
Ogólna klasyfikacja metod charakteryzacji materiałów i struktur.
Obrazowanie a techniki analityczne. Rodzaje informacji uzyskiwanych
dzięki charakteryzacji (morfologia, struktura elektronowa i
krystaliczna, skład chemiczny materiału). Podstawy fizyki zjawisk
rozpraszania. Promieniowanie rentgenowskie i jego oddziaływanie z
materią. Elektrony, neutrony i jony oraz ich oddziaływanie z materią.
Rozpraszanie sprężyste i dyfrakcja.
Techniki mikroskopowe (6h)
Obrazowanie. Powiększanie obrazu i rozdzielczość. Soczewki i ich wady:
aberracja chromatyczna, aberracja sferyczna, astygmatyzm. Mikroskopia
świetlna. Mikroskopia elektronowa - aspekty optyki elektronowej,
generowanie wiązki elektronów, oddziaływanie elektron-próbka.
Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) - obrazowanie za pośrednictwem
elektronów wtórnych i wstecznie rozproszonych, wykorzystanie kontrastu
napięciowego, kontrast magnetyczny. Transmisyjna mikroskopia
elektronowa (TEM) - dyfrakcja elektronów, kontrasty obrazów TEM
(rozproszeniowy, dyfrakcyjny, od różnej głębokości preparatu i od
defektów strukturalnych, fazowy oraz kontur ekstynkcyjny). Skaningowa
transmisyjna mikroskopia elektronowa (STEM). Inne mikroskopie, np.
jonowa.
Techniki mikroskopii bliskich oddziaływań wykorzystujące sondę
skanującą (4h)
Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM). Budowa i idea działania
mikroskopu z sondą skanującą. Tryby pracy mikroskopu STM. Oddziaływanie
ostrze-próbka. Mikroskopia sił atomowych (AFM) - budowa mikroskopu,
zasada działania, tryby pracy (kontaktowy, bezkontaktowy, przerywanego
kontaktu), modyfikacje. Inne metody wykorzystujące sondę skanującą.
Techniki dyfrakcyjne (4h)
Techniki dyfrakcyjne objętościowe: dyfrakcja promieniowania
rentgenowskiego i dyfrakcja neutronów. Wymagania, obszary zastosowań.
Dyfraktometria proszkowa. Założenia, geometria układu. Badania przy
małych kątach rozproszenia. Techniki dyfrakcyjne powierzchniowe -
wykorzystanie elektronów odbitych (odbiciowa spektrometria
wysokoenergetycznych elektronów (RHEED) i spektrometria
niskoenergetycznych elektronów (LEED)). Schematy układów, zastosowania.
Techniki spektroskopowe (4h)
Pomiary spektroskopowe - obserwacja procesów absorpcji, odbicia i
emisji. Spektroskopia fotonowa - pomiary optyczne (pomiar współczynnika
odbicia i absorpcji/transmisji), fotoluminescencja, spektroskopia
oscylacyjna Ramana i w podczerwieni, spektroskopia promieniowania
rentgenowskiego (odmiany i modyfikacje). Spektroskopia zakresu fal radiowych - spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), obrazowanie za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI). Spektroskopia elektronowa - emisja promieniowania rentgenowskiego w SEM i TEM (metody wykorzystujące pomiar energii lub długości fali promieniowania), katodoluminescencja w SEM i STEM, spektroskopia strat energii elektronów.
Analiza powierzchni i profilowanie głębokościowe (4h)
Spektroskopia elektronowa powierzchni - metody rentgenowskiej
spektroskopii fotoelektronów (XPS) i spektroskopii elektronów Augera
(AES). Spektroskopie masowe - spektroskopia mas jonów wtórnych (SIMS)
oraz spektroskopia masowa wtórnych cząstek neutralnych (SNMS); badanie
powierzchni i profili głębokościowych. Rozpylanie jonowe - metody
spektroskopii rozpraszania wstecznego Rutherforda (RBS) oraz
spektroskopii promieniowania rentgenowskiego powstającego pod wpływem
bombardowania protonami (PIXE). Reflektometria neutronowa i
rentgenowska.
Wybrane techniki badania właściwości kształtowanych przez mikro- i
nanostrukturę materiału (4h)
Techniki analizy właściwości mechanicznych (wytrzymałość, ciągliwość,
odporność na pękanie, twardość i energia odkształcenia sprężystego),
elektrycznych (np. przewodność, przenikalność), magnetycznych (np.
podatność magnetyczna) i termicznych (np. temperatura, przewodność
cieplna, entalpia).
Dwa kolokwia wykładowe (2h)
Zakres laboratorium
Program zajęć laboratoryjnych obejmuje 5 trzygodzinnych ćwiczeń:
rezonansowe pomiary i analiza parametrów elektrofizycznych (jak
przewodność) ultracienkich (do 10 nm grubości) warstw metalicznych w
celu zademonstrowania zmiany charakteru badanego układu z
objętościowego na mezoskopowy, badanie powierzchni (np. topografii,
struktury, składu pierwiastkowego) ciała stałego oraz mikro- i
nanostruktur przy użyciu: mikroskopii sił atomowych (AFM), skaningowej
mikroskopii elektronowej (SEM) i mikroskopii konfokalnej oraz analiza
składu chemicznego ich powierzchni oraz objętości techniką
spektroskopii mas jonów wtórnych (SIMS).
Pomiary przenikalności elektrycznej i przewodności cienkich
warstw.
Budowa, działanie mikroskopu sił atomowych, pomiary nanostruktur.
Metody mikroskopii elektronowej - skaningowa mikroskopia
elektronowa (SEM).
Analiza mikrostruktur w oparciu o mikroskopię konfokalną.
Charakteryzacja przy pomocy spektrometrii mas jonów wtórnych
(SIMS).
- Metody oceny:
- W ramach przedmiotu przeprowadzone zostaną dwa kolokwia wykładowe oceniane w skali 0-30 punktów, dodatkowo w ramach prowadzonych laboratoriów studenci będą mogli uzyskać od 0 do 5 punktów za każde ćwiczenie laboratoryjne. Ostatnią częścią składową oceny jest praca domowa, która pozwoli na zdobycie od 0 do 15 punktów. Warunkiem zaliczenia przedmiotu jest uzyskanie minimum 50% punktów z każdej z trzech ocenianych części.
- Egzamin:
- nie
- Literatura:
- "Nanotechnologie. Nanotechnologie krok po kroku", Praca zbiorowa pod red.: R.W. Kelsall, I.W. Hamley, M. Geoghegan, Wyd. Nauk. PWN, Warszawa, 2008.
"Scanning Microscopy for Nanotechnology. Techniques and
Applications", W. Zhou, Z.-L. Wang (eds.), Springer, 2007.
"Nanostructures & Nanomaterials", G. Cao, Imperial College
Press, London, 2004.
"Metody doświadczalne fizyki ciała stałego", A. Oleś, WNT,
Warszawa, 1998.
- Witryna www przedmiotu:
-
- Uwagi:
Efekty uczenia się
Profil ogólnoakademicki - wiedza
- Charakterystyka CHA_W01
- ma szczegółową, podbudowaną teoretycznie wiedzę na temat Podstawy fizyki zjawisk rozpraszania w charakteryzacji materiałów i struktur: promieniowania rentgenowskiego i jego oddziaływania z materią, elektronów, neutronów i jonów oraz ich oddziaływania z materią, rozpraszanie sprężystego i dyfrakcji
Weryfikacja: kolokwia, praca domowa
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
K_W01
Powiązane charakterystyki obszarowe:
- Charakterystyka CHA_W02
- ma szczegółową wiedzę na temat technik mikroskopowych, technik dyfrakcyjnych, technik spektroskopowych, analizy powierzchni i profilowania głębokościowego, wybranych technik badania właściwości kształtowanych przez mikro- i nanostrukturę materiału
Weryfikacja: kolokwium, laboratorium, praca domowa
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe:
Profil ogólnoakademicki - umiejętności
- Charakterystyka CHA_U01
- potrafi przeprowadzić pomiary charakterystyk i wyznaczyć parametry elektrofizyczne ultracienkich struktur wykorzystując właściwe metody i techniki pomiarowe
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
K_U07, K_U08, K_U12
Powiązane charakterystyki obszarowe: