Διδασκόμενη ύλη

Εισαγωγή

Διαφορετικά είδη ακτινοβολίας, Εξάρτηση ενέργειας και μήκους κύματος, Συγκεκριμένα είδη ακτινοβολίας που βρίσκουν χρήση στον τομέα της Επιστήμης Υλικών, Ατομική Θεωρία, Ενεργειακά επίπεδα στα άτομα.

Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας και ύλης

Κατηγορίες ακτινοβολίας, Ηλεκτρομαγνητικά κύματα, Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα, Ιονίζουσες (ακτίνες-Χ) και μη ιονίζουσες ακτινοβολίες, Μελέτη της αλληλεπίδρασης των δεσμών με ηλεκτρόνια/νετρόνια/ιόντα. Βασικές αρχές της ελαστικής σκέδασης (πλάτος και ένταση ακτινοβολίας). Ελαστική σκέδαση από μεμονωμένα άτομα.

Περίθλαση ακτίνων-Χ

Θεωρία, παραγωγή ακτίνων-Χ, παράμετροι που επηρεάζουν (δυναμικό, ρεύμα, κτλ), απορρόφηση ακτίνων-Χ από την ύλη, ανίχνευση/μέτρηση της έντασης των ακτίνων-Χ, κρυσταλλογραφία, κρυσταλλικό πλέγμα, μοναδιαία κυψελίδα, κρυσταλλογραφικά επίπεδα, εφαρμογή ακτίνων-Χ στην ανάλυση υλικών, πληροφορίες που προσφέρει σε μελέτη υλικών (σύσταση, κρυσταλλικότητα, μέγεθος κρυσταλλίτη, κτλ.).

Φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες-Χ (X-ray photoelectron spectroscopy/XPS) και φασματοσκοπία ηλεκτρονίων Auger (Auger electron spectroscopy/AES)

Βασικές αρχές, φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ενέργεια δέσμευσης, χημική μετατόπιση, δορυφορικές κορυφές στα φάσματα XPS, ηλεκτρονική επίδραση – spin-orbit coupling αρχή λειτουργίας φασματοσκοπίας ηλεκτρονίων Auger (AES). Εφαρμογές XPS και ΑΕS.

Φασματοσκοπία ακτίνων-Χ (EDS)

Βασικές αρχές, ηλεκτρονικές μεταβάσεις (θεμελιώδης και διεγερμένες καταστάσεις), εκπομπή χαρακτηριστικών ακτίνων-Χ, φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς ακτίνων-Χ (EDS), χαρακτηριστικά φάσματα EDS, Εφαρμογές.

Ηλεκτρονική μικροσκοπία (σάρωσης και διέλευσης)

Βασικές αρχές οπτικού μικροσκοπίου (φακός εστίασης, αντικειμενικός φακός, εστίαση/μεγέθυνση), ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM), οργανολογία, παραδείγματα, ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης (Transmission Electron Microscopy, TEM), οργανολογία, παραδείγματα, σύγκριση μεταξύ SEM/TEM μικροσκοπίων, συνδυασμός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου με φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS).

Φασματοσκοπία ορατού-υπεριώδους (UV-vis)

Νόμος Beer-Lambert, Ηλεκτρονιακές μεταβάσεις, ορατή περιοχή φάσματος, συσχέτιση χρώματος/μήκους κύματος, χαρακτηριστικά παραδείγματα φασμάτων διαφόρων ενώσεων, διαφορετικά είδη φασμάτων (απορρόφησης, διαπερατότητας, ανάκλασης) σε υγρά και στερεά δείγματα.

Φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-IR)

Διπολική ροπή, δονητικά/περιστροφικά επίπεδα, είδη μοριακών δονήσεων, κανόνες επιλογής, οργανολογία, συμβολόμετρο Michelson, χαρακτηριστικά φάσματα FT-IR οργανικών ενώσεων, μέθοδος αποσβεννύουσας ολικής ανάκλασης (Attenuated Total Reflectance, ATR), εφαρμογές.

Φασματοσκοπία Raman

Βασικές αρχές, γραμμές Stokes/Anti-Stokes, πολωσιμότητα, είδη δονήσεων/περιστροφών, κανόνες επιλογής, σύγκριση και διαφορές με FT-IR φασματοσκοπία, οργανολογία, χαρακτηριστικά φάσματα Raman οργανικών και ανόργανων ενώσεων/υλικών, εφαρμογές.

Ιστοσελίδα μαθήματος

Το eclass του μαθήματος.

Μαθησιακά αποτελέσματα

1. Οι γνώσεις που θα πρέπει να έχουν αποκτήσει οι φοιτητές από την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος αφορούν τις επιστημονικές αρχές που διέπουν τα κάτωθι:

   Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας-ύλης. Βασικές αρχές και έννοιες σύγχρονων φασματοσκοπικών τεχνικών στο πεδίο της επιστήμης υλικών. Θεωρία ελαστικής σκέδασης. Ελαστική σκέδαση από μεμονωμένα άτομα. Θεωρία περίθλασης ακτίνων-Χ και ηλεκτρονίων. Δευτερογενής εκπομπή. Απορρόφηση ακτινοβολίας από υλικά. Παραγωγή-ανίχνευση-μέτρηση ακτινοβολίας. Φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες-Χ (XPS) και φασματοσκοπία ηλεκτρονίων Auger (AES). Ηλεκτρονική μικροσκοπία (διέλευσης, σάρωσης). Φασματοσκοπία ακτίνων-Χ (EDS) για ανάλυση επιφανειών και διεπιφανειών. Φασματοσκοπία ορατού-υπεριώδους (UV-vis), φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-IR) και φασματοσκοπία Raman

2. Οι δεξιότητες που θα πρέπει να έχουν αποκτήσει οι φοιτητές από την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος αφορούν:
   1. πειραματικές τεχνικές και οργανολογία που χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην δομική και χημική ανάλυση υλικών, όπως περιθλασιμετρία ακτίνων-Χ, φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες-Χ (XPS) και φασματοσκοπία ηλεκτρονίων Auger (AES). Ηλεκτρονική μικροσκοπία (διαπερατότητας, σάρωσης) και φασματοσκοπία ακτίνων-Χ (EDS). Φασματοσκοπία ορατού-υπεριώδους (UV-vis), φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-IR) και φασματοσκοπία Raman.
   2. τη σωστή επιλογή και χρήση εξειδικευμένων στην Επιστήμη των Υλικών αναλυτικών πειραματικών μέσων για τον δομικό και χημικό χαρακτηρισμό υλικών που επεκτείνεται και στην οριοθέτηση των σωστών περιοχών λειτουργίας κάθε μέσου για τις ανάγκες του εκάστοτε πειράματος.
3. Οι ικανότητες που θα πρέπει να έχουν αποκτήσει οι φοιτητές από την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος αφορούν:
   1. τη σωστή επιλογή και χρήση κατάλληλης τεχνικής και πειραματικής μεθοδολογίας για τον δομικό και χημικό χαρακτηρισμό υλικών και
   2. την ικανότητα να αποτιμούν σωστά και να χρησιμοποιούν κατάλληλα τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στην βιβλιογραφία σχετικά με τις τεχνικές που παρουσιάστηκαν για διαφορετικές κατηγορίες υλικών.

Το μάθημα σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό Πλαίσιο Προσόντων Δια Βίου Μάθησης είναι επιπέδου 6 ως μάθημα πρώτου κύκλου σπουδών.

Μέθοδοι Aξιολόγησης

Η αξιολόγηση γίνεται στα Ελληνικά. Η αξιολόγηση των φοιτητών γίνεται από την ενεργό συμμετοχή τους στις διαλέξεις του μαθήματος και από την τελική γραπτή εξέταση που δίνει κάθε φοιτητής. Η εξέταση αποσκοπεί στην επίδειξη/απόδειξη της γνώσης που οφείλει να έχει ο φοιτητής επάνω στις βασικές αρχές λειτουργίας των μεθόδων δομικής και χημικής ανάλυσης που διδάχθηκε καθώς και στις δυνατότητες αξιοποίησης των μεθόδων αυτών σε διαφορετικές εφαρμογές της επιστήμης των υλικών.

Βιβλιογραφία

• J. P. Eberhart, “Structural and Chemical Analysis of Materials”, John Willey & Sons Inc., 1991.
• P. Atkins, J. De Paula, “Φυσικοχημεία” Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 2018
• D.C. Harris, M.D. Bertolucci, “Symmetry and Spectroscopy” (Dover, NY 1978)
• P.E.J. Flewitt, R.K. Wild, “Physical Methods for Materials Characterization”, IOP Publ., London (1994)
• H.-M. Tong and L.T. Nguyen, Eds., “New Characterization Techniques for Thin Polymer Films”, Wiley, New York (1990)
• D. A. Skoog, F. J. Holler and T. A. Nieman, “Principles of Instrumental Analysis”, 5th Edition, Saunders College Publishing, Philadelphia (1998)

Συναφή επιστημονικά περιοδικά

• Analytical and Bioanalytical Chemistry
• Spectrochimica Acta Part A
• Microchemical Journal
• Physical Chemistry Chemical Physics