Politechnika
Warszawska

Katalog
ECTS

Nazwa przedmiotu:

Laboratorium nanotechnologii

Koordynator przedmiotu:

dr hab. Michał Marzantowicz

Status przedmiotu:

Obowiązkowy

Poziom kształcenia:

Studia II stopnia

Program:

Fizyka Techniczna

Grupa przedmiotów:

Obowiązkowe

Kod przedmiotu:

1050-FTFZM-MSP-2LNA

Semestr nominalny:

1 / rok ak. 2020/2021

Liczba punktów ECTS:

5

Liczba godzin pracy studenta związanych z osiągnięciem efektów uczenia się:

1. godziny kontaktowe – 77 h; w tym a) obecność na wykładach – 15 h b) obecność na ćwiczeniach laboratoryjnych – 60 h d) uczestniczenie w konsultacjach – 2 h 2. praca własna studenta – 50 h; w tym a) przygotowanie do ćwiczeń labor. i kolokwium – 20 h b) zapoznanie się z literaturą – 6 h b) przygotowanie sprawozdań – 24 h Razem w semestrze 127 h, co odpowiada 5 pkt. ECTS

Liczba punktów ECTS na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału nauczycieli akademickich:

1. obecność na wykładach – 15 h 2. obecność na laboratoriach – 60 h 3. uczestniczenie w konsultacjach – 2 h Razem w semestrze 77 h, co odpowiada 3 pkt. ECTS

Język prowadzenia zajęć:

polski

Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o charakterze praktycznym:

1. zajęcia laboratoryjne – 60 h 2. opracowanie sprawozdań z laboratorium – 24 h Razem w semestrze 84 h, co odpowiada 3 pkt. ECTS

Formy zajęć i ich wymiar w semestrze:

• Wykład15h
• Ćwiczenia0h
• Laboratorium60h
• Projekt0h
• Lekcje komputerowe0h

Wymagania wstępne:

Nanostruktury, Strukturalne i termiczne metody badania materiałów

Limit liczby studentów:

Cel przedmiotu:

Otrzymywanie nanostruktur (nanodruty, mikroelektronika) oraz wykorzystanie technik wysokorozdzielczych w badaniach materiałów i nanostruktur (mikroskopy skanujące AFM/STM, mikroskopia elektronowa SEM/TEM, mikro-Raman)

Treści kształcenia:

Wykład: Mikroskopia skanująca AFM,STM 1. Podstawy techniki mikroskopii skanującej (AFM,STM) Zasada działania, budowa i warianty konstrukcji mikroskopów skanujących. Funkcje poszczególnych elementów mikroskopu: sonda, układ przesuwu, detekcja oddziaływania sonda-próbka, pętla sprzężenia zwrotnego. 2. Podstawowe techniki pomiarowe. Opis podstawowych technik pomiaru z omówieniem możliwości zastosowania, wady i zalety każdej z metod. Tryb tunelowy STM: tryb stałego prądu, skanowanie w płaszczyźnie, pomiar lokalnej gęstości stanów. Obrazowanie powierzchni metodą mikroskopii sił atomowych - techniki kontaktowe: pomiar sił skręcenia bocznego sondy, modulowana siła docisku, pomiary efektów piezoelektrycznych. Pomiar rozpływu prądu i sił elektrostatycznych. Techniki częściowego kontaktu sony z próbką (oscylacyjne): topografia, przesunięcie fazowe. 3. Zaawansowane techniki pomiarowe. Metody wykorzystujące kilka przejazdów sondy skanującej: siły elektrostatyczne, lokalna pojemność, potencjał kontaktowy, pomiary magnetyków 4. Przygotowanie próbek, oprzyrządowanie i sondy pomiarowe. Przygotowanie próbek do pomiaru mikroskopami skanującymi. Uchwyty do pomiarów temperaturowych, pomiar próbek ciekłych, mikroskopy do pomiarów elementów wielkoskalowych. Sprzężenie mikroskopu skanującego z innymi technikami: elektrochemia, metody optyczne, spektroskopia Ramana. Omówienie typów sond pomiarowych oraz kryteriów doboru sondy do próbki. 5. Analiza danych i zniekształcenia pomiarowe. Podstawowe sposoby analizy danych uzyskanych z mikroskopów skanujących. Interpretacja wyników ilościowych i jakościowych, metody kalibracji. Przyczyny występowania zniekształceń danych pomiarowych i sposoby ich kompensacji. 6. Nanomanipulacja i nanolitografia. Zastosowanie mikroskopów skanujących w wytwarzaniu struktur o rozmiarach nanoskopowych. Nanomanipulacja w chemii i biomedycynie. 7. Zastosowanie mikroskopów skanujących w badaniach właściwości materiałów. Rodzaje materiałów i struktur badanych mikroskopią sił atomowych i tunelową: od obrazowania atomów do pomiarów żywych próbek biologicznych. Mikroskopia elektronowa SEM 8. Postawy fizyczne techniki skaningowej mikroskopii elektronowej. Oddziaływanie elektronów z materią. Próbki objętościowe i cienkie. 9. Budowa i zasada działania mikroskopu typu SEM. Elementy optyczne w mikroskopii elektronowej. Budowa mikroskopu skaningowego i jego podzespołów. Rozdzielczość obrazowania i jej ograniczenia. 10. Techniki mikroanalizy. Spektroskopia dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego EDX i jej zastosowanie w mikroskopie SEM. 11. Preparatyka próbek dla badań SEM. Rodzaje obrazowanych materiałów. Metody przygotowania materiału oraz powierzchni materiału do badania metodą SEM. Mikroskopia transmisyjna TEM 12. Podstawy transmisyjnej mikroskopii elektronowej: budowa i zasada działania mikroskopu TEM 13. Analiza danych pomiarowych uzyskanych metodą TEM. Analiza strukturalna na podstawie zdjęć wysokorozdzielczych i dyfrakcji elektronowej. Wyznaczanie składu atomowego na podstawie pomiarów EDX w mikroskopie TEM. Spektroskopia Strat Energii Elektronów EELS. 14. Preparatyka próbek dla badań TEM. Omówienie podstawowych metod przygotowania próbek do badań TEM. Wpływ metody przygotowania na rezultaty obrazowania Nano i mikrostruktury 15. Nanodruty. Podstawowe metody otrzymywania nanodrutów półprzewodnikowych. Właściwości fizyczne nanodrutów. Metody charakteryzacji nanodrutów. 16. Mikroelectronika Wprowadzenie do problematyki miniaturowych elementów elektronicznych. Rodzaje struktur mikroelektronicznych. Techniki wytwarzania i metody charakteryzacji. Laboratorium: AFM/STM 1. Zapoznanie się z budową i działaniem mikroskopu sił atomowych Ntegra i Nanoeducator oraz programami sterującymi pomiarem. Pomiar gotowych próbek mikroskopem Nanoeducator: przygotowanie i montaż sond, montaż próbki, zbliżanie (lądowanie) i oddalanie sondy, wpływ parametrów skanowania na jakość obrazowania. 2. Tryb kontaktowy w mikroskopii sił atomowych: montaż sondy w mikroskopie, dobór parametrów skanowania, wpływ parametrów skanowania na uzyskane wyniki. Badanie wpływu parametrów pomiaru i typowych zniekształceń pomiarowych na uzyskane dane. 3. Tryb częściowego kontaktu: ustawianie częstotliwości rezonansowej sondy, pomiar próbek o rozwiniętej topografii. 4. Pomiary próbek miękkich: obrazowanie fazowe, sygnał z pętli sprzężenia zwrotnego. Obrazowanie materiałów niejednorodnych. 5. Pomiary elektryczne: przygotowanie próbek oraz konfiguracja mikroskopu do pracy z pomiarem wielkości elektrycznych. Pomiary sił elektrostatycznych lub rozpływu prądu. 6. Techniki wielokrotnego skanowania. Wykorzystanie techniki wielokrotnego skanowania do pomiaru właściwości elektrycznych lub magnetycznych materiału. Raman Pomiary właściwości warstw grafenu i nanorurek węglowych przy pomocy sprzężonych mikroskopów AFM i Ramana, interpretacja uzyskanych wyników. SEM 1. Zapoznanie się z budową, działaniem i oprogramowaniem sterującym mikroskopu SEM. Pokazowy pomiar metodą SEM. 2. Przygotowanie próbek do mikroskopii SEM, nakładanie warstwy przewodzącej na powierzchnię. 3. Przeprowadzenie badań próbek za pomocą SEM pod nadzorem prowadzących. 4. Badanie materiałów niejednorodnych na podstawie pomiarów EDX. Metody obróbki i analizy danych. TEM 1. Zapoznanie się z budową, działaniem i oprogramowaniem sterującym mikroskopu TEM. Pokazowy pomiar metodą TEM. 2. Wykonanie własnych próbek do mikroskopii TEM – metoda proszkowana 3. Przeprowadzenie badań wykonanych próbek za pomocą TEM pod nadzorem prowadzących. 4. Analiza strukturalna na podstawie zdjęć wysokorozdzielczych i dyfrakcji elektronowej. Wyznaczanie składu atomowego na podstawie pomiarów EDX. Nanodruty Pokaz otrzymywania nanodrutów półprzewodnikowych. Charakteryzacja gotowych nanodrutów ze szczególnym uwzględnieniem właściwości elektrycznych. Mikroelektronika Pokaz technik wytwarzania cienkich warstw półprzewodnikowych. Charakteryzacja struktur cienkowarstwowych i elementów mikroelektronicznych.

Metody oceny:

Ocena z przedmiotu jest wystawiana na podstawie łącznej ilości punktów zdobytych na wykładach i ćwiczeniach laboratoryjnych, z uwzględnieniem wymogu obecności na wszystkich ćwiczeniach laboratoryjnych. Na ocenę składają się punkty uzyskane z kolokwium pisemnego z wykładu (12p) oraz punkty uzyskane na ćwiczeniach laboratoryjnych, proporcjonalnie do wymiaru godzinowego poszczególnych części laboratorium (w proporcji 2p za 4h laboratorium). Do zaliczenia przedmiotu wymagane jest 50% możliwych punktów.

Egzamin:

nie

Literatura:

1. Teodor P. Gotszalk, Systemy mikroskopii bliskich oddziaływań w badaniach mikro i nanostruktur, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004 2. Atomic Force Microscopy, Peter Eaton and Paul West DOI: 10.1093/acprof:oso/9780199570454.001.0001 3. W. Dziadur, J. Mikuła, Mikroskopia elektronowa tom I – mikroskopia transmisyjna, Politechnika Krakowska 2014 4. W. Dziadur, J. Mikuła, Mikroskopia elektronowa tom II – mikroskopia skaningowa, Politechnika Krakowska 2016 5. Technologie mikroelektroniczne, K. Waczyński, E. Wróbel, Politechnika Śląska 2006

Witryna www przedmiotu:

Regulamin, harmonogram i materiały dostępne na stronie http://adam.mech.pw.edu.pl/~marzan/ Pozostałe materiały dostępne w instytucjach prowadzących zajęcia.

Uwagi:

Efekty uczenia się

Profil ogólnoakademicki - wiedza

Efekt LNA_W01

Rozumie zasady fizyczne działania mikroskopów skanujących AFM/TEM oraz mikroskopów elektronowych SEM i TEM.
Weryfikacja: kolokwium
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_W03
Powiązane efekty obszarowe: X2A_W03, X2A_W04, X2A_W05, T2A_W03, T2A_W04, InzA_W02, InzA_W05

Efekt LNA_W02

Zna budowę mikroskopów oraz dostępne techniki pomiarowe.
Weryfikacja: kolokwium
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_W03
Powiązane efekty obszarowe: X2A_W03, X2A_W04, X2A_W05, T2A_W03, T2A_W04, InzA_W02, InzA_W05

Efekt LNA_W03

Zna ograniczenia rozdzielczości każdej z metod oraz występujące w niej zniekształcenia.
Weryfikacja: kolokwium, sprawozdania z laboratoriów
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_W03
Powiązane efekty obszarowe: X2A_W03, X2A_W04, X2A_W05, T2A_W03, T2A_W04, InzA_W02, InzA_W05

Efekt LNA_W04

Zna sens fizyczny wyników otrzymanych każdą techniką oraz metody analizy tych wyników.
Weryfikacja: kolokwium, sprawozdania z laboratoriów
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_W03
Powiązane efekty obszarowe: X2A_W03, X2A_W04, X2A_W05, T2A_W03, T2A_W04, InzA_W02, InzA_W05

Efekt LNA_W05

Zna przykłady i sposoby zastosowania technik nanoskopowych w charakteryzacji materiałów i struktur.
Weryfikacja: kolokwium
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_W04
Powiązane efekty obszarowe: X2A_W06, T2A_W05, T2A_W07

Efekt LNA_W06

Ma wiedzę o cienkowarstwowych i jednowymiarowych strukturach półprzewodnikowych, metodach i wytwarzania i zastosowaniach w mikroelektronice.
Weryfikacja: kolokwium
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_W04
Powiązane efekty obszarowe: X2A_W06, T2A_W05, T2A_W07

Profil ogólnoakademicki - umiejętności

Efekt LNA_U01

Potrafi wybrać właściwą metodę badania uwzględniając zarówno cel badań, jak i właściwości fizyczne próbki.
Weryfikacja: kolokwium, sprawozdania z laboratoriów
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_U06, FT2_U08, FT2_U11
Powiązane efekty obszarowe: X2A_U02, X2A_U04, T2A_U09, T2A_U08, X2A_U04, T2A_U12

Efekt LNA_U02

Umie przygotowywać próbki do pomiarów metodami mikroskopii skanującej AFM/STM oraz mikroskopii elektronowej SEM/TEM.
Weryfikacja: ocena wykonania ćwiczeń i sprawozdania z laboratoriów
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_U08
Powiązane efekty obszarowe: T2A_U08

Efekt LNA_U03

Umie w podstawowym zakresie obsługiwać mikroskop skanujący AFM/STM oraz mikroskop elektronowy SEM i TEM.
Weryfikacja: ocena wykonania ćwiczeń i sprawozdania z laboratoriów
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_U08
Powiązane efekty obszarowe: T2A_U08

Efekt LNA_U04

Potrafi dokonać analizy wyników otrzymanych poszczególnymi metodami mikroskopowymi oraz ocenić wpływ warunków pomiaru na jakość wyników.
Weryfikacja: sprawozdania z laboratoriów
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_U08
Powiązane efekty obszarowe: T2A_U08

Profil ogólnoakademicki - kompetencje społeczne

Efekt LNA_K01

Potrafi pracować w zespole przy realizacji określonego zadania. Potrafi dzielić się obowiązkami i jest odpowiedzialny za swoją część przygotowanego raportu.
Weryfikacja: Sprawozdania z laboratoriów
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_K04
Powiązane efekty obszarowe: X2A_K02, T2A_K03

Efekt LNA_K02

Potrafi krytycznie weryfikować poprawność wyników i rozwiązań przedstawionych przez innych członków zespołu.
Weryfikacja: Sprawozdania z laboratoriów
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_K04
Powiązane efekty obszarowe: X2A_K02, T2A_K03