Φασματοσκοπικές Μέθοδοι Χαρακτηρισμού Υλικών (18104)

Πρόκειται για εργαστηριακό μάθημα του Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης (ΜΔΕ) στη Φυσική των Υλικών, το οποίο διδάσκεται κατά το χειμερινό εξάμηνο. Στόχος του μαθήματος είναι η κατανόηση των γενικών αρχών και η εργαστηριακή άσκηση των φοιτητών σε φασματοσκοπικές μεθόδους χαρακτηρισμού υλικών και ειδικότερα στη δονητική (υπερύθρου- Raman) και διηλεκτρική φασματοσκοπία. Στο πλαίσιο αυτό αναλύονται και εφαρμόζονται αυτές οι πειραματικές τεχνικές στη μελέτη δονητικών και διηλεκτρικών ιδιοτήτων υλικών τεχνολογικού ενδιαφέροντος όπως ημιαγωγοί, πολυμερή, νανοσωλήνες άνθρακα, οξείδια μετάλλων.

Εισαγωγή στη Φασματοσκοπία (4 ώρες)

Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας με την ύλη. Πιθανότητες μετάβασης, διπολικές μεταβάσεις, κανόνες επιλογής. Επισκόπηση πειραματικών μεθόδων φασματοσκοπίας.

Εισαγωγή στη Δονητική Φασματοσκοπία - Θεωρία (6 ώρες)

Κανονικοί τρόποι ταλάντωσης μορίων-κρυστάλλων. Απορρόφηση υπερύθρου (IR). Σκέδαση Raman. Κλασσική και κβαντική ερμηνεία. Κανόνες επιλογής, ενεργοί και ανενεργοί τρόποι ταλάντωσης κατά Raman-IR. Συμμετρία-ιδιότητες πόλωσης. Φαινόμενο συντονισμού Raman. Πειραματικές τεχνικές-διατάξεις. Εφαρμογές δονητικής φασματοσκοπίας.

Εργαστηριακή άσκηση (16 ώρες)

Συγκριτική μελέτη των δονητικών φασμάτων Raman-IR μοριακών ενώσεων, νανοσωλήνων άνθρακα, οξειδίων μετάλλων, υπεραγωγών υψηλών θερμοκρασιών και σημειακών ατελειών σε ημιαγωγούς με τη χρήση φασματομέτρων FT-IR και Raman.

Εισαγωγή στη Διηλεκτρική Φασματοσκοπία - Θεωρία (8 ώρες)

Πόλωση. Διηλεκτρική αποκατάσταση. Στατιστική μηχανική συστημάτων εκτός ισορροπίας. Πρότυπο ζεύγους φρεατίων δυναμικού. Θεωρία Debye. Φωνονική υποβοήθηση υπέρβασης ή διάτρησης φραγμού δυναμικού.  Διπολικές συσχετίσεις. Εντοπισμένη κίνηση ηλεκτρικού φορτίου, μεσοσκοπικές φάσεις, αγωγιμότητα. Ομοιογενής και ανομοιογενής αταξία, ετερογένεια.  Μεταβλητου βεληνεκούς hopping. Υποβοήθηση κβαντικής δόρυξης΄λόγω θερμικών διακυμάνεων τηςστάθμης Fermi εκτεταμένων ηλεκτρονιακών καταστάσεων.  Συστήματα μακράν της ισορροπίας, υαλώδης μετάβαση, ,  δίκτυα διαφυγής και αλλαγές φάσεων.  Μικροσκοπική διεπισκόπηση των υλικών με μεταβολή της πίεσης.

Πειραματικές μέθοδοι διηλεκτρικής φασματοσκοπίας στο πεδίο του χρόνου και των συχνοτήτων. Φασματοσκοπία στο πεδίο του χρόνου (TDDS), θερμικώς διεγειρόμενα ρεύματα (TSC) αποπόλωσης (TSDC). Πειραματικές τεχνικές-διατάξεις. Εφαρμογές διηλεκτρικής φασματοσκοπίας.

Εργαστηριακή άσκηση (18 ώρες)

Μετρήσεις ευρυζωνικής διηλεκτρικής φασματοσκοπίας (BDS) σε πολυμερή, οργανικούς ημιαγωγούς, νανοσύνθετα υλικά και εγκλεισμένο ύδωρ υπό ισόθερμες και ισοστατικές συνθήκες, με συνδυασμένη χρήση κρυοστατών υγρού ηλίου ή υγρού αζώτου ή διάταξης με κυψελίδα υδροστατικών πιέσεων. Ανάλυση πειραματικών αποτελεσμάτων και προσδιορισμός μικροσκοπικών μεγεθών.

Η αξιολόγηση/βαθμολόγηση των φοιτητών γίνεται μέσω της συγγραφής επιστημονικών εκθέσεων με την επεξεργασία/ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων που θα λαμβάνονται κατά την εκτέλεση των εργαστηριακών ασκήσεων.

J. R. Ferraro, K. Nakamoto and C. W. Brown, Introductory Raman Spectroscopy (Second edition), Elsevier, 2003.

J. D. Graybeal, Molecular Spectroscopy, 2nd ed. McGraw-Hill, 1993.

R. Loudon, The Raman effect in crystals, Advances in Physics 13, 423-482 (1964). Republished in Advances in Physics 50, 813-864 (2001).

F. Kremer and A. Schoenhls, Broadband Dielectric Spectroscopy, Springer, 2003

D.L. Sidebottom,  Understanding ion motion in disordered solids from impedance spectroscopy scaling, Rev. Mod. Phys. 81, 999 (2009)

J. Dyre and T. Schroedrer, Universality of ac conductivity in disordered solids, Rev. Mod. Phys. 72, 873 (2000)

J.P. Runt and j.j. Fitzgerald, Dielectric spectroscopy of polymeric materials, American Chemical Society (1997)