y-profilen: material- och nanofysik

Y-profilen: Material- och Nanofysik

Profilansvarig: Fredrik Eriksson, [email protected]

Profilinformation, Ymnf, 2016 Fredrik Eriksson, [email protected]



• Nanoteknik och nanovetenskap handlar om att studera, manipulera och bygga ihop material på atomär nivå där objektets tjocklek är i storleksordningen <100 nm.

• Designa nya material, komponenter eller system som har förbättrade eller nya egenskaper.

• Nanotekniken är tvärvetenskaplig och möjliggör bland annat att du bär en liten superavancerad telefon i din ficka, att det går att bygga upp en ny strupe av stamceller till en cancerpatient, eller att det går att effektivt rena grundvatten.

• 2020 beräknas nanoindustrin omsätta otroliga 3000 miljarder dollar och ge upphov till sex miljoner nya arbetstillfällen, globalt sett. Vi ligger inte efter i Sverige. Än så länge.


Nanoteknik är framtiden!


Nanoteknik - Tunna ytbeläggningar

Motorblock

Verktyg för skärande bearbetningborrar, svarvstål, frässtål, etc.

• Ytbeläggningar används för att förlänga livstiden/hållbarheten hos verktygen.

• Hårda, nötningsbeständiga, oxidationsbeständiga, högtemperaturstabila, etc.

• TiN TiCN TiAlN

http://www.coromant.sandvik.com/coromant/products/steelturning/default.htm

http://www.coromant.sandvik.com/coromant/products/steelturning/default.htm


Material och nanoteknik inom medicin

Hjärtklaff

Höftledsimplantat

Pacemaker

• Medicinska implantat (biokompatibla, nötningsbeständiga, hållbara...)

• Kirurgiverktyg (låg reflektans, biokompatibla, oxidationsresistenta)

• TiAlN-Nb och TiCN-Nb

• Penicillin-belagda ytor

Konstgjord strupe av nanofibrer

0.0000001 bågsekunders upplösning krävs för att avbilda stjärnor och svarta hål.

Hubble: 0.1 bågsekunder(600 ggr bättre än ögat)

Astronomical X-ray Telescopy

M87 galaxen

Avbilda händelsehorisonten hos ett svart hål

32 rymdskepp, vardera med1 m2 röntgenspegel...

...som flyger i formationmed en precision på ~2 nm...

...under 40 h exponeringstid!

5000 km

Avancerad, hållbar, röntgenoptik (=nya material) krävs!

http://bhi.gsfc.nasa.gov/docs/vision.html

MAXIMs uppdrag: Att avbilda ett svart hål

1 miljon gånger bättre upplösningän HST!

År 2040

Deep-space Astronomical X-ray Interferometry


Nya material kommer alltid att behövas

Källa: Tyska rådgivande kommittén för global förändring

Prognos för förändringar i den globala energiblandningen till 2100

Olja

Kol

Naturgas

VindBiomassa

Sol

Årlig energianvändning

1018 J2000 2010 2020 2030 2040 2050

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Kärnkraft och vatten

2100

Nanoteknik är framtiden!


ÅK PER Block 1 Block 2 Block 3 Block 4

4 HT7HT1

Experimentellfysik

Kvantmekanik NanoteknologiAnalytiskmekanik

7HT2 Materiefysik I Halvledarteknik Ytfysik

4 VT8VT1

Materialtekniskaanalysmetoder

Materiefysik II Materialvetenskap Materialoptik

8VT2 Tunnfilmsfysik OptoelektronikModerna

sensorsystem

5 HT

9HT1 HalvledarfysikProjekt-

laborationeri fysik CDIO projektkurs

BeräkningsfysikSensor-chip

9HT2Projekt-

laborationeri fysik

Nanofysik

5 VT 10VT Examensarbete

obligatorisk

valbar

(Blockplacering möjliggör valfri kombination av kurser.)

Material och nanofysik, kursutbud

+ övriga valbara fysikkurser



4 HT7HT1

Experimentellfysik



4 VT8VT1




sensorsystem

5 HT




9HT2Projekt-

laborationeri fysik

Nanofysik


obligatorisk

valbar




Materialvetenskap



4 HT7HT1

Experimentellfysik



4 VT8VT1




sensorsystem

5 HT




9HT2Projekt-

laborationeri fysik

Nanofysik


obligatorisk

valbar




Elektronik



4 HT7HT1

Experimentellfysik



4 VT8VT1




sensorsystem

5 HT




9HT2Projekt-

laborationeri fysik

Nanofysik


obligatorisk

valbar




Optik



4 HT7HT1

Experimentellfysik



4 VT8VT1




sensorsystem

5 HT




9HT2Projekt-

laborationeri fysik

Nanofysik


obligatorisk

valbar




Generell materialfysik



4 HT7HT1

Experimentellfysik



4 VT8VT1




sensorsystem

5 HT




9HT2Projekt-

laborationeri fysik

Nanofysik


obligatorisk

valbar




Exempel på kursinnehåll från...


• En introduktionskurs i Fasta Tillståndets Fysik som förklarar kristallstrukturer, termiska och elektroniska egenskaper hos fasta material.

Materiefysik IKursansvarig: Chariya Vironjanadara Kurskod: TFFY70

Några vanliga kristallstrukturer:

bcc fcc

hcp

Litteratur: C. Kittel: Introduction to Solid State Physics.

1. Crystal structure

2. Reciprocal lattice

3. Crystal binding

4. Phonons I, crystal vibrations

5. Phonons II, thermal properties

6. Free electron Fermi gas

7. Energy bands

8. Semiconductor crystals

9. Fermi surfaces and metals

18. Point defects

20. Dislocations


valensband

ledningsband

• En introduktionskurs i Fasta Tillståndets Fysik som förklarar kristallstrukturer, termiska och elektroniska egenskaper hos fasta material.


Litteratur: C. Kittel: Introduction to Solid State Physics.

1. Crystal structure

2. Reciprocal lattice

3. Crystal binding

4. Phonons I, crystal vibrations

5. Phonons II, thermal properties

6. Free electron Fermi gas

7. Energy bands

8. Semiconductor crystals

9. Fermi surfaces and metals

18. Point defects

20. Dislocations

Bandstruktur

Elektronenergi

stort energi gapmellan valens- ochledningsband

Isolator

valensband

ledningsband

Ferminivå

valensband

ledningsband

Halvledare Ledare


Två laborationer:

• IR-absorption, phonon assisted interband transitions

• Band structure, Kronig-Penny and empty lattice models


Mer information om kursen hittar ni på: www.ifm.liu.se/courses/tffy70/index.htmlsamt i Studiehandboken.

Germanium

valensband

ledningsband


• 12 st (6 h) laborationer

1. Holografi

2. Zeemaneffekt

3. Analys av -spektrum

4. Emissionsspektroskopi

5. Värmepump & Stirlingmotorn

6. Lauemetoden

7. Röntgenspektroskopi

8. Vakuumteknik

9. Masspektroskopi

10. Curie & Ising

11. Fiberoptik

12. Sveptunnelmikroskopet

Experimentell fysikKursansvarig: Son Nguyen Kurskod: TFFM08

En laborationsrapport per deltagare (normalt 2 studenter/grupp)

Inget magnetiskt fältenkel övergång

Magnetiskt fältflera övergångar möjliga

E2

E1

E22

E23

E21

E12

E13

E11

spektrum utanmagnetiskt fält

spektrum medmagnetiskt fält



1. Holografi

2. Zeemaneffekt




6. Lauemetoden


8. Vakuumteknik

9. Masspektroskopi

10. Curie & Ising

11. Fiberoptik



Zeemaneffekt i spektrat från en solfläck, 1908

The spectra of hydrogen exhibited the Zeeman effect whenever the area of view passed over a sunspot on the solar disc.



1. Holografi

2. Zeemaneffekt




6. Lauemetoden


8. Vakuumteknik

9. Masspektroskopi

10. Curie & Ising

11. Fiberoptik






1. Holografi

2. Zeemaneffekt




6. Lauemetoden


8. Vakuumteknik

9. Masspektroskopi

10. Curie & Ising

11. Fiberoptik




prov

spets

W

elektronersom tunnlar



1. Holografi

2. Zeemaneffekt




6. Lauemetoden


8. Vakuumteknik

9. Masspektroskopi

10. Curie & Ising

11. Fiberoptik




Cu yta

Kolnanorör

Ni yta


Materialtekniska Analysmetoder

• Strukturen– kristallstruktur – hur sitter

atomerna i olika material

– kornstorlek

– defekter

Materialtillverkning

Atomstrukturoch

komposition

Egenskaper

• Komposition– vilka grundämnen utgör

materialet

– vilken koncentration har vi av olika ämnen

Kursansvarig: Fredrik Eriksson Kurskod: TFFM40



• Ljusoptisk mikroskopi (LOM)

• Svepelektronmikroskopi (SEM)

• Transmissionselektronmikroskopi (TEM)

• Ellipsometri

• Röntgendiffraktion (XRD)

• Elektrondiffraktion (ED)

• Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS)

• Augerelektronspektroskopi (AES)

• Mikrosondspektroskopi (EDS, WDS)

• Sekundärjonsmasspektrometri (SIMS)

• Ger gedigna teoretiska och handgripliga kunskaper om metoder i modern materialanalys.

Kursansvarig: Fredrik Eriksson


Materialtekniska AnalysmetoderKursansvarig: Fredrik Eriksson



Transmissions-elektronmikroskop

C60-molekyl

ca 1.6 nm

Att se en nanostruktur i labbet




Transmissions-elektronmikroskop

C60-molekyl

4 nm

1 000 000 x

ca 1.6 nm



Nanolökar



Ett knappnålshuvud 10 mil bort!

Elektronmikroskop

C60-molekyl

4 nm1 000 000 x

Teleskop som är10 000 ggr bättreän Hubble krävs!





Prover från aktuell forskning: TEM av en Cr/Sc multilagerröntgenspegel

N=1200totalt 1 µm tjock

Varje lager: 0.8 nm(ca 4 atomlager)

F. Eriksson, N. Ghafoor, J. Birch et al., Appl. Opt., 47, 4196 (2008)


TunnfilmsfysikKursansvarig: Kostas Sarakinos

• Beläggningstekniker• Kärnbildning- och tillväxt• Vakuumteknik• Datorsimulering• Epitaxiell tillväxt• Karakterisering av tunna filmer• Optiska tunnfilmer• Mekaniska egenskaper• Elektriska egenskaper

Plasma – en joniserad gas

Beläggningssystem

Vakuumkammare

• Tunnfilmskoncept: Alla material har en yta. Genom att belägga ytan med en tunn film så kan man förbättra materialets fysikaliska och kemiska egenskaper.


TunnfilmsfysikPrincipen för magnetronsputterbeläggning

Principen:

+

Targetmaterial i en vakuumkammare med pålagd spänning, -V

”Sputter” gas (ArAr+)

Ett elektriskt fält mellan plasmat och target accelererar positiva joner mot target.

Ar-joner slår ut targetatomer (och e-) – ”sputtering”

En del av det sputtrade materialet hamnar på substratet och bildar en tunn film.

-V

+++

substrat

Target (Si, Mo, Cr, Sc, Ni, etc.)

kollision

+’sputtring’

e-e-


Tunnfilmsfysik

Laborationer:• Magnetron sputterbeläggning +

bestämning av filmtjocklek och ytojämnhet• Datorsimulering

Studiebesök:• Industriell beläggare (Sandvik, Seco Tools,

IonBond, Impact Coatings, etc.)

Kursansvarig: Kostas Sarakinos

Datorsimulering av tunnfilmstillväxt – hur påverkar olika beläggningsparametrar tillväxten?

Nanolaminerad MAX-fas


Nya material handlar om ett hållbart samhälle!

Exempel: Energiförsörjning…


Nya material handlar om ett hållbart samhälle!

… med minimal miljöpåverkan!

Exempel: Energiförsörjning…


Avancerade material – Svensk basindustri

Forskningsmässigt är Linköpings universitet världsledande inom området!


Jobb för materialfysiker (Y)Denna veckas jobbannonser i Ny Teknik:

• Vattenfall– Kärnbränsleingenjör

– Härdfysiker

– Processoperatör

• Arcam– Applikationsingenjör

• Norstel– Utvecklingsingenjör

– Processingenjör

• Gränges– Korossionsingenjör

• Combine– Testingenjör


• Solibro– Utvecklingsingenjör


– Utrustningsingenjör

• Sandvik– Applikationsingenjör

• Studsvik– Materialprovning (masspektroskopi)

• Swerea– Textil fiberteknologi

– Fiberutveckling inom biobaserade material

– Nonwoven och polymera fibrer

• Husqvarna– Fuel and lubrication

http://www.nyteknik.se/

http://www.nyteknik.se/


• Information om kurser och profiler på Y-programmet mfl.

• Kursansvariga och profilansvariga finns tillgängliga för att svara på frågor om kurser, profiler och program.

• Mingel med kursansvariga, fika, fysikexperiment, mm.

• Labturer – se materialforskningen vid LiU inifrån!

Välkommen till

Öppen Institution - IFMFysikhusets huvudentré, Torsdagen den 10 mars 2016, 15-ca 17.30

y-profilen: material- och nanofysik

Documents