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MARCO BELEGGIA
Professore Ordinario
Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche sede ex-Fisica
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Insegnamento: Laboratory of electron microscopy and holography
Physics - Fisica (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
Questo corso di laboratorio fornisce agli studenti le conoscenze fondamentali di microscopia elettronica. Include cinque esperienze pratiche di laboratorio dove gli studenti possono mettere in pratica i concetti e gli strumenti sviluppati in classe. Queste esperienze di laboratorio si focalizzano prima sulle tecniche di microscopia di base, dalla formazione dell'immagine alla diffrazione alla spettroscopia, sia in scansione che in trasmissione. In seguito trattano metodi piu' avanzati come la microscopia di fase, formazione dell'immagine coerente, interferenza ed olografia elettronica. Al termine del corso gli studenti saranno in grado di formulare, progettare e compiere esperimenti di microscopia elettronica su una varieta' di campioni rilevanti per i loro studi e progetti successivi nei campi di fisica dello stato solido, nanoscienze, materiali biologici e scienze dei materiali.
Prerequisiti
Elettromagnetismo, fisica generale, analisi
Programma del corso
Questo corso alterna lezioni in classe ed esperienze di laboratorio. Nelle lezioni vengono introdotti e sviluppati i concetti e gli strumenti necessari per comprendere il funzionamento del microscopio elettronico, il moto degli elettroni in campi elettromagnetici, la formazione dell'immagine, e le varie tecniche di analisi e caratterizzazione dei materiali. Nelle esperienze di laboratorio gli studenti mettono in pratica quanto imparato in classe in maniera progressiva con esperimenti di caratterizzazione di campioni tecnologicamente rilevanti.
Le lezioni e i corrispondenti laboratori sono raggruppati in blocchi tematici: una prima parte introduttiva di 12 ore (8 lezione + 4 laboratorio) dove in seguito a un richiamo di ottica geometrica si tratta lo strumento, le lenti elettromagnetiche, la dinamica del fascio elettronico, la risoluzione, la misura in microscopia elettronica.
Il secondo blocco di 8 ore (4 lezione + 4 laboratorio) tratta i concetti di diffusione elastica ed inelastica e la diffrazione elettronica.
Il terzo blocco di 8 ore (4 lezione + 4 laboratorio) si focalizza sulla microscopia elettronica in scansione e trasmissione (STEM), e tratta la formazione del fascio focalizzato, e le tecniche di contrasto di massa/spessore, diffrazione a fascio convergente, elementi di spettroscopia elettronica a perdita di energia, e contrasto-Z.
Il quarto blocco di 12 ore (8 lezione + 4 laboratorio) tratta la microscopia elettronica in trasmissione, con la formazione delle frange cristalline in alta risoluzione, la funzione di trasferimento, il ruolo delle aberrazioni e i vantaggi della loro correzione, la microscopia di fase per la visualizzazione dell'informazione collegata ai campi elettromagnetici generati dal campione.
Il blocco finale di 8 ore (4 lezione + 4 laboratorio) introduce e sviluppa l'olografia elettronica, la tecnica primaria di investigazione e mappatura di campi elettrici e magnetici su scala nanometrica.
Metodi didattici
Lezioni alla lavagna (28 ore) che includono esercitazioni guidate in classe inframezzate alle lezioni per facilitare la comprensione e l'interiorizzazione dei concetti piu' importanti; esperienze di laboratorio (20 ore) al banco ottico e al microscopio elettronico per mettere in pratica la conoscenza acquisita. Il corso e' erogato in lingua inglese. La frequenza non e' obbligatoria ma fortemente consigliata specialmente per la parte pratica in laboratorio.
Testi di riferimento
-Transmission Electron Microscopy, D.B. Williams and C.B. Carter, ISBN 978-0-387-76500-6, Springer New York, NY
-Lecture notes provided by the teacher after each lesson
Verifica dell'apprendimento
Esame orale composto da una presentazione iniziale dello studente su una delle esperienze di laboratorio fatte (50% del voto), seguito da una interrogazione sugli argomenti trattati a lezione (50% del voto). La valutazione e' basata sulla capacita' dello studente di collegare gli aspetti teorici e sperimentali del corso, e di interpretare correttamente e quantitativamente i dati acquisiti in laboratorio.
Risultati attesi
Conoscenza e capacita' di comprensione
Al termine del corso lo studente avra' acquisito e compreso la fisica sottostante al funzionamento del microscopio elettronico. Sara' in grado di descrivere quantitativamente la dinamica dell'elettrone dalla sorgente al rivelatore, e di predirre il segnale che si viene a formare durante l'interazione con gli atomi del campione per tutte le tecniche di analisi trattate.
Conoscenza e capacita' di comprensione applicate
Le conoscenze acquisite e la loro piena comprensione consentono allo studente di utilizzare il microscopio elettronico come strumento scientifico di misura delle proprieta' dei materiali a varie scale spaziali.
Autonomia di giudizio
Le conoscenze acquisite e la loro piena comprensione consentono allo studente di formulare, progettare ed eseguire gli esperimenti di microscopia elettronica piu' adatti per raggiungere un determinato obbiettivo, identificando in piena autonomia la tecnica (STEM/TEM/diffrazione/EELS/etc) o la combinazione di tecniche, la risoluzione necessaria, le condizioni sperimentali ed elettro-ottiche migliori (ad es. fascio parallelo o convergente; densita' di corrente e corrente totale, etc.)
Abilita' comunicative
Lo studente sara' in grado di comunicare e dimostrare la propria conoscenza acquisita in maniera professionale con formalismo matematico e supporto visuale/grafico adeguato.
Capacita' di apprendere
Le attivita' descritte permettono allo studente di acquisire la capacita' di usufruire di testi avanzati e letteratura di microscopia elettronica, individuando i concetti salienti e pertinenti ad una dato contesto di ricerca, e comunicando in seguito il loro apprendimento con linguaggio adeguato.