Διεξαγωγή μαθήματος

Ανακοινώσεις

30/01/2023Όσοι φοιτητές προτίθενται να παρακολουθήσουν το εργαστηριακό μέρος (πειράματα) του μαθήματος το φετινό εαρινό εξάμηνο 22/23 παρακαλούνται να εγγραφούν άμεσα στην ηλεκτρονική τάξη (e-class) του στην διεύθυνση https://teleclass.materials.uoc.gr/courses/SEM6104/. Οι εγγραφές ξεκινάνε από 30/1/2023. Όσοι είχαν πιθανώς εγγραφεί στην τάξη νωρίτερα θα πρέπει να εγγραφούν ξανά.ΠΡΟΣΟΧΗ!Από τις 30/01/2023 όλες οι ανακοινώσεις θα αναρτώνται ΑΠΟΚΛΕΙΣΤΙΚΑ στην παραπάνω τάξη. Οι φοιτητές υποχρεούνται να εγγραφούν για να έχουν πρόσβαση στις ανακοινώσεις και στο υλικό του μαθήματος.

Διδασκόμενη ύλη

Π1. Παρασκευή εμπλουτισμένου ημιαγωγού

Εισαγωγή. Εμπλουτισμός ημιαγωγού με θερμική διάχυση προσμίξεων αντικατάστασης. Νόμος του Fick. Σταθερά διάχυσης και σχέση του Einstein. Φάσεις προεναπόθεσης (predeposition) – διείσδυσης (drive-in).

RCA καθαρισμός επιφανείας υποστρωμάτων πυριτίου. Εναπόθεση, φυγοκέντρηση και ξήρανση υγρού φορέα προσμίξεων φωσφόρου/βορίου. Θερμική διάχυση σε αέρα. Παρασκευή διόδου p+n. Εισαγωγή στην ελλειψομετρία: μέτρηση πάχους ενδογενούς υμενίου οξειδίου του πυριτίου.

Π2. Παρασκευή μονωτή με υγρή χημική μέθοδο

Εισαγωγή. Διηλεκτρικά υλικά. Μηχανισμοί πόλωσης διηλεκτρικού, εξάρτηση διηλεκτρικής σταθεράς και αγωγιμότητας από την συχνότητα και την θερμοκρασία. Σιδηροηλεκτρικά υλικά: το τιτανιούχο Βάριο (ΒaTiO3), δομικές ιδιότητες και θερμοκρασία Curie.

Σύνθεση ΒaTiO3 με την μέθοδο της κιτρικής γέλης. Εστεροποίηση – πολυμερισμός – άλεση – ξήρανση – πυροσυσσωμάτωση

Π3. Εναπόθεση μεταλλικού υμενίου

Η τεχνική D.C. magnetron sputtering. Σχέση Townsend – καμπύλη Paschen. Πλάσμα-εκκένωση αίγλης. Αποδόμηση στόχου, collision cascade: συντελεστής απόδοσης. Παρεία προς το υπόστρωμα – Magnetron. Εναπόθεση, προσρόφηση, πυρήνωση, δυσδιάστατη (Frank-Van der Merwe) και τρισδιάστατη (Volmer-Weber) ανάπτυξη υμενίου.

Εφαρμογή σε αλουμίνιο και χαλκό. Μελέτη του ρυθμού εναπόθεσης συναρτήσει της πίεσης του θαλάμου και του ρεύματος ιόντων. Επίδραση στην αγωγιμότητα των υμενίων: μελέτη με δειγματοληψία 4-ακίδων (4-pt probe)

Χ1. Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός εμπλουτισμένου ημιαγωγού

Ηλεκτρικές ιδιότητες ημιαγωγών: εισαγωγή. Στοιχεία ελλειψομετρίας. Προσδιορισμός θερμικά παραγομένου οξειδίου του πυριτίου με ελλειψομετρία. Χημική απόξυση οξειδίου. Παρασκευή ωμικών επαφών αργύρου, paint and fire.

Μέτρηση επιφανειακής αντίστασης με μέθοδο Van der Pauw. Διαπίστωση τύπου και μέτρηση επιφανειακής συγκέντρωσης φορέων αγωγιμότητας με μέθοδο Hall. Μέτρηση χαρακτηριστικής ρεύματος-τάσης (I-V) σκότους, διόδου p+n, εξαγωγή του παράγοντα ιδανικότητας.

Χ2. Δομικός και διηλεκτρικός χαρακτηρισμός μονωτή

Βασικές αρχές περίθλασης ακτίνων -Χ σε μονο- και πολυ-κρυσταλλικά στερεά: εικόνες Bragg και Laue, επίδραση του κρυσταλλικού μεγέθους στο φάσμα περίθλασης.

Εισαγωγή στην τεχνική lock-in για μέτρηση χωρητικότητας. Αρχή λειτουργίας. Ισοδύναμο κύκλωμα διηλεκτρικού με διαρροή.

Μελέτη του φάσματος περίθλασης ακτίνων-Χ τιτανιούχου βαρίου: εύρεση δομής και κρυσταλλικότητας.

Μελέτη της διηλεκτρικής σταθεράς του BaTiO3 συναρτήσει της συχνότητας διέγερσης και της θερμοκρασίας. Εύρεση της θερμοκρασίας Curie.

Χ3. Ελαστικές ιδιότητες μετάλλων και σκληρομετρία

Μηχανική συμπεριφορά στερεών υλικών υπό εφελκυσμό: ελαστική, ανελαστική και πλαστική παραμόρφωση. Εισαγωγή στις έννοιες του μέτρου ελαστικότητας, της ευκαμψίας (resilience), ανθεκτικότητας (toughness), σημείου διαρροής (yield point) και τάσης θραύσης. Σκληρότητα κατά Brinell.

Μελέτη της σκληρότητας κατά Brinell και της μηχανικής συμπεριφοράς κάτω από εφελκυσμό ράβδων αλουμινίου και ορείχαλκου. Χαρακτηρισμός και σύγκριση με τις βιβλιογραφικές σταθερές.

Ν1. Σύνθεση και οπτικές ιδιότητες νανοσωματιδίων (ν/σ) χρυσού

Εισαγωγή: Μέθοδοι παρασκευής, ιδιότητες, εφαρμογές.

Σύνθεση με την μέθοδο citrate ή Turkevich υδατικού διαλύματος νανοσωματιδίων: Χημικές αντιδράσεις και μηχανισμός παραγωγής των ν/σ. Επίδραση της χημικής σύστασης στις τελικές μορφολογίες των ν/σ.

Οπτικές ιδιότητες νανοσωματιδίων. Διάδοση Η/Μ ακτινοβολίας από μέσο με διασπορά. Σκέδαση και συντονισμός επιφανειακού πλασμονίου. Επίδραση του μεγέθους των ν/σ και της κατανομής του στο χρώμα του διαλύματος.

Ν2. Οξείδιο του Τιτανίου και Φωτοκαταλυτικές ιδιότητες

Σύνθεση νανοκοκκώδους σκόνης οξειδίου του Τιτανίου με την μέθοδο λύματος – πηκτώματος (sol-gel): περιγραφή της διαδικασίας, χημικές αντιδράσεις, ξήρανση, γήρανση, έψηση,παράγοντες που επηρεάζουν το μέγεθος και την κρυσταλλικότητα του κόκκου.

Φωτοκαταλυτική αποδόμηση οργανικού ρύπου μπλε του μεθυλενίου από διοξείδιο του Τιτανίου:

1. Μηχανισμός φωτοκαταλυτικής διέγερσης του TiO2 – ζώνες ημιαγωγού, εξιτόνια, επανασύνδεση – παγίδευση φορέων, αλληλεπίδραση φορέων με μόρια νερού στην επιφάνεια των κόκκων.
2. Μηχανισμός βαποσύνθεσης του ρύπου, επίδραση του μήκους κύματος του φωτός και της επιφάνειας κόκκου
3. Ταχύτητα της φωτοκαταλυτικής διαδικασίας, μοντέλο Langmuir-Hinshelwood

Μαθησιακά αποτελέσματα

Οι γνώσεις που θα πρέπει να έχουν αποκτήσει οι φοιτητές από την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος αφορούν:

1. βασικά στοιχεία θεωρίας ημιαγωγών (αγωγιμότητα, τύπος φορέα, τύποι προσμίξεων και εμπλουτισμός με θερμική διάχυση αυτών) και διοδικών ημιαγωγικών διατάξεων
2. στοιχεία θεωρίας και χρησιμότητα διηλεκτρικών υλικών, παρασκευή τους με υγρή χημική μέθοδο και έψηση, δομικός χαρακτηρισμός με περιθλασιμετρία ακτίνων-Χ και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός με φασματοσκοπία εμπέδησης και θερμοκρασιακή εξάρτηση αυτής
3. στοιχεία θεωρίας εξαναγκασμένης εξάχνωσης με δημιουργία πλάσματος υπό κενό αέρος και χρήση στην παρασκευή λεπτών μεταλλικών υμενίων και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός τους
4. μελέτη της μηχανικής αντοχής ορισμένων μετάλλων (αντοχή σε εφελκυσμό και σκληρομετρία) και διαμόρφωσης της μηχανικής συμπεριφοράς με θερμική κατεργασία τους
5. εισαγωγή στα νανοϋλικά και τις ιδιαίτερες ιδιότητες τους με δύο προσεγγίσεις:
   1. παρασκευή μεταλλικών νανοσωματιδίων και εισαγωγή στο φαινόμενο του πλασμονικού συντονισμού
   2. παρασκευή νανοκοκκώδους φωτοκαταλυτικής σκόνης με εφαρμογή στην αποσύνθεση οργανικών ρύπων

Οι δεξιότητες που θα πρέπει να έχουν αποκτήσει οι φοιτητές από την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος αφορούν:

1. πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην παρασκευή και χαρακτηρισμό Υλικών ειδικά Στερεάς Κατάστασης των κατηγοριών Μέταλλα, Μονωτές και Ημιαγωγοί όπως Περιθλασιμετρία Ακτίνων-Χ, Φασματοσκοπία Εμπέδησης με Lock-In τεχνικές, Van der Pauw αγωγιμότητα, Hall τύπος φορέα, Ελλειψομετρία για εύρεση παχών – δεικτών διάθλασης λεπτών υμενίων, Sputtering, Εφελκυσιμετρία και Σκληρομετρία, Φασματοσκοπία απορρόφησης ορατού-υπεριώδους κ.α.
2. την σωστή επιλογή και χρήση εξειδικευμένων στην Επιστήμη των Υλικών πειραματικών μέσων (εργαστηριακών οργάνων και λογισμικού ερευνητικού επιπέδου) που απαιτούνται για την διεξαγωγή του εκάστοτε πειράματος, την σωστή διασύνδεση αυτών μεταξύ τους και/ή με χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή, την κατανόηση και αντίστοιχα οριοθέτηση των σωστών περιοχών λειτουργίας κάθε μέσου για τις ανάγκες του εκάστοτε πειράματος
3. την διεξαγωγή πειραματικών μετρήσεων με τον βέλτιστο ανά πείραμα τρόπο που να επιτρέπει και μια άμεση πρώτη δειγματοληπτική αξιολόγηση της ποιότητας και άρα της αξιοπιστίας των μετρήσεων η οποία θα βασίζεται και στην γνώση των ιδιοτήτων του εκάστοτε προς μελέτη υλικού.
4. την ανάλυση των δεδομένων που αποκομίσθηκαν από την διεξαγωγή του πειράματος η οποία προϋποθέτει την σωστή οργάνωση τους. Η ανάλυση περιλαμβάνει μαθηματικούς υπολογισμούς και κατασκευή γραφικών παραστάσεων τόσο μετρούμενων μεγεθών όσο και συναρτησιακών διαμορφώσεων τους με στόχο την διαπίστωση των παρασκευασθέντων υλικών, την μελέτη εκείνων των ιδιοτήτων τους που τα κάνουν σημαντικά για την χρήση την οποία προορίζονται και την εύρεση χαρακτηριστικών μεγεθών τους
5. την συγγραφή σωστής εργαστηριακής αναφοράς η οποία να περιλαμβάνει τίτλο εργαστηριακής άσκησης, σκοπό τέλεσης αυτής και στόχους των οποίων η επίτευξη απαιτείται, περίληψη μεθόδων παρασκευής και χαρακτηρισμού και των μέσων που απαιτούνται για την άρτια εφαρμογή τους και συνοπτική περιγραφή των ιδιοτήτων που θα εξεταστούν με αναφορά της πρότερης γνώσης στα υλικά που πραγματεύονται, οργανωμένη παράθεση των πειραματικών αποτελεσμάτων, ανάλυση με παράθεση πινάκων, υπολογισμών και γραφικών παραστάσεων
6. την αξιολόγηση (με επισύναψη στην εργαστηριακή αναφορά) των αποτελεσμάτων ενός πειράματος που συνίσταται ιδίως i) σε επαλήθευση ή μη των αναμενόμενων χαρακτηριστικών που αποτελούν στοιχεία αναγνώρισης του εκάστοτε παρασκευαζόμενου υλικού και ii) σε επαλήθευση ή μη των αναμενόμενων ιδιοτήτων των παρασκευασθέντων υλικών, πάντοτε στα πλαίσια των περιθωρίων εμπιστοσύνης των πειραματικών τεχνικών που χρησιμοποιούνται και iii) σε πιθανές υποδείξεις για αλλαγές που θα μπορούσαν να γίνουν στην μεθοδολογία τέλεσης ενός πειράματος, την χρήση πειραματικών μέσων και την ανάλυση των αποτελεσμάτων ώστε σε επανάληψη της μελέτης να δύναται βελτίωση στην επίτευξη των στόχων του πειράματος.

Οι φοιτητές αποκτούν επίσης δεξιότητες στην χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή τόσο στην κατασκευή ηλεκτρονικών εγγράφων, καθώς απαιτείται η συγγραφή αναφορών σε ηλεκτρονική μορφή, όσο και στην κατασκευή ηλεκτρονικών λογιστικών φύλλων καθώς απαιτείται η διαχείριση πινάκων δεδομένων και ανάλυση αυτών και η κατασκευή γραφικών παραστάσεων με χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή.

Οι ικανότητες που θα πρέπει να έχουν αποκτήσει οι φοιτητές από την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος αφορούν:

1. την τοποθέτηση του ζητουμένου σε ένα πρακτικό πρόβλημα Επιστήμης των Υλικών στις σωστές βάσεις που απαιτούνται για την απάντηση του
2. την εύρεση της κατάλληλης τεχνικής και πειραματικής μεθοδολογίας με βάση την υπάρχουσα γνώση των ιδιοτήτων της ύλης για προσέγγιση του ζητουμένου ώστε να υπάρχει ουσιαστική δυνατότητα απάντησης του
3. την επίτευξη επωφελούς συνεργασίας με άλλα μέλη μιας ομάδας τόσο στον σχεδιασμό-οργάνωση της πειραματικής διαδικασίας που απαιτείται, όσο και στην τέλεση των πειραματικών εργασιών και την λήψη πειραματικών δεδομένων και τέλος στην ανάλυση των αποτελεσμάτων και την συγγραφή συλλογικής πειραματικής αναφοράς για την παρουσίαση αυτών
4. την αναγνώριση in-vivo και διόρθωση, με κατάλληλη επέμβαση, σφαλμάτων σε όλα τα στάδια μιας πειραματικής-πρακτικής διαδικασίας με σκοπό την απρόσκοπτη πορεία ή ακόμα και την βελτίωση αυτής προς απάντηση του ζητουμένου.

Γενικές ικανότητες

• Ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών.
• Λήψη αποφάσεων.
• Αυτόνομη εργασία.
• Ομαδική εργασία.
• Σχεδιασμός και διαχείριση έργων.
• Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης.

Αξιολόγηση φοιτητών

Ο βαθμός του μαθήματος λαμβάνεται από τρεις διαφορετικές αξιολογήσεις:

1. από τον βαθμό στην εξέταση προόδου που αποσκοπεί στην επίδειξη του βαθμού προετοιμασίας του φοιτητή όσον αφορά την τις βασικές γνώσεις που θα πρέπει να έχει επί των υλικών, των ιδιοτήτων τους και των πειραματικών τεχνικών που θα συναντήσει κατά την τέλεση των εργαστηριακών ασκήσεων. Οι γνώσεις αυτές εισάγονται στις διαλέξεις και η πρόοδος πραγματοποιείται μετά την ολοκλήρωσή τους.
2. από βαθμολόγηση της γραπτής αναφοράς που παραδίδεται από κοινού από τα μέλη της κάθε ομάδας φοιτητών που εκτελεί μια πειραματική εργασία. Η αναφορά είναι ξεχωριστή για κάθε εργαστηριακή άσκηση. Βαθμολογείται η ευκρίνεια αλλά και η πληρότητα της αναφοράς όσον αφορά τα ζητούμενα, η ορθότητα στην ανάλυση των πειραματικών δεδομένων και την επεξεργασία των σχετικών αποτελεσμάτων και η κριτική σκέψη σε σχέση με την εγκυρότητα και τον βαθμό αξιοπιστίας των τελικών απαντήσεων
3. από την τελική γραπτή εξέταση που δίνει κάθε φοιτητής. Η εξέταση βασίζεται στην αξιοποίηση από τον φοιτητή της μεθοδολογίας και των πειραματικών δεδομένων που παρέχονται έτοιμα από δειγματοληπτικά πειράματα όμοια με αυτά τα οποία πραγματεύονται οι φοιτητές κατά την διάρκεια του εξαμήνου, με σκοπό την απάντηση σε ζητούμενα ίδια ή παρεμφερή με αυτά που απάντησαν οι φοιτητές στις εργαστηριακές αναφορές τους.

Βιβλιογραφία

1. Εμμανουήλ Σπανάκη “Εργαστήριο Στερεών Υλικών. Εγχειρίδιο”, Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών, Πανεπιστήμιο Κρήτης, Ηράκλειο 2013
2. Callister Wιlliam D. “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”, 9η Έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2016
3. C. Kittel “Εισαγωγή στη Φυσική Στερεάς Κατάστασης”, Εκδόσεις Πνευματικός, 1979
4. D. L. Smith “Thin-Film Deposition” McGraw-Hill, Boston, 1995
5. S. M. Sze “Physics and Technology of Semiconductor Devices” Wiley, New York, 1981
6. M. Barsoum “Fundamentals of ceramics”, Mc Graw-Hill, 1997

Συναφή επιστημονικά περιοδικά

1. W. Haiss, N.T.K. Thanh, J. Aveyard, D.G. Fernig, “Determination of Size and Concentration of Gold Nanoparticles from UV-Vis Spectra” Anal. Chem. 79 (2007) 4215
2. A. Houas, H. Lachheb, M. Ksibi, E. Elaloui, C. Guillard, J.-M. Herrmann “Photocatalytic degradation pathway of methylene blue in water” Applied Catalysis B: Environmental 31 (2001) pp. 145–157