Спектроскопічні дослідження матеріалів
Спеціальність: Прикладна фізика
Код дисципліни: 7.105.01.O.003
Кількість кредитів: 5.00
Кафедра: Прикладна фізика і наноматеріалознавство
Лектор: доцент, к.т.н. Балабан Оксана Василівна
Семестр: 1 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: У результаті вивчення навчальної дисципліни здобувач освіти повинен бути здатним продемонструвати такі результати навчання:
ІНТ. Здатність розв’язувати складні спеціалізовані задачі та практичні проблеми під час професійної діяльності у галузі прикладної фізики та наноматеріалів або у процесі навчання, що передбачає застосування теорій та методів прикладної фізики, і характеризуються комплексністю та невизначеністю умов.
ЗК 2. Здатність навчатися, сприймати набуті знання в предметній області та інтегрувати їх із уже наявними;
ЗК 9. Знання та розуміння предметної області та розуміння фаху;
ЗК 12. Навички використання інформаційних та комунікативних технологій, впровадження комп’ютерних програм та викорис¬тання існуючих.
ФК 1. Концептуальні знання про сучасні тенденції розвитку і найбільш важливі наукові досягнення в області прикладної фізики та наноматеріалів;
ФК 2. Знання і розуміння сучасних наукових теорій і методів, та вміння їх ефективно застосовувати для синтезу та аналізу наноматеріалів та вирішення задач прикладної фізики;
ФК 3. Здатність використовувати закони та принципи фізики у поєднанні із потрібними математичними інструментами для вирішення задач прикладної фізики та наноматеріалознавства;
ФК 5. Здатність інтегрувати знання з інших дисциплін, застосовувати системний підхід та враховувати нетехнічні аспекти при розв’язанні інженерних задач та проведенні досліджень у галузі прикладної фізики та наноматеріалів;
ФК 7. Знання фізичних законів і принципів, покладених в основу дії сучасних вимірювальних пристроїв;
ФК 9. Здатність складати, оформлювати і оперувати науково-технічною документацією на сучасні матеріали і технологічні процеси їх виробництва
ФКС 1.1. Здатність проводити комплексні дослідження, яка включає розуміння і знання відомих фізичних властивостей об’єкта дослідження та фізико-хімічних явищ в технологічних процесах;
ФКС 1.2. Здатність побудувати фізико-математичні моделі явищ і процесів у мезо- та наносистемах, енергогенеруючих та енергоперетворюючих пристроях;
ФКС 1.3. Здатність аналізувати властивості наноматеріалів та можливості їхнього застосування для вирішення задач прикладної фізики;
ФКС 2.3. Розуміння принципів функціонування основних електротехнічних та електронних пристроїв, систем автоматики, проведення метрологічного контролю та тестування.
Результати навчання: У результаті вивчення модуля студент повинен:
- знати теоретичні основи, методику та техніку імпедансних досліджень;
- знати основні структурні моделі, каталог найважливіших імпедансних моделей;
- знати проблемні аспекти моделювання при стаціонарних і нестаціонарних процесах;
- вміти будувати імпедансні спектри для матеріалів різної природи та різноманітних фізичних та електрохімічних процесів;
- проводити моделювання за даними імпедансних досліджень і визначати числові значення параметрів модельних електричних еквівалентних схем;
- вміти робити висновок про природу та механізми протікаючих процесів та реакцій.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: - пререквізити: фізика, фізика твердого тіла, хімія;
- кореквізити: функціональні матеріали молекулярної енергетики, наноматеріалознавство, пристрої молекулярної енергетики нового покоління, хімія.
Короткий зміст навчальної програми: Електричні кола із зосередженими параметрами. Імпеданс і адмітанс. Методи і техніка експерименту. Основні структури імпедансних моделей. Імпедансна спектроскопія діелектричних матеріалів. Напівпровідники у змінному електричному полі. Імпедансна спектроскопія твердих електролітичних матеріалів. Фізико-хімічні основи електрохімічного імпедансу. Імпедансні спектри фарадеєвських процесів. Імпедансна спектроскопія ідеально поляризовуваного електроду. Імпедансний аналіз напівпровідникових структур. Нестаціонарний імпедансний аналіз.
Опис: Вступ. Спектроскопічні методи дослідження.
Електричні кола із зосередженими параметрами
Роль і місце імпедансної спектроскопії серед сучасних методів досліджень та її основні задачі. Резистор, конденсатор та опір в колі змінного струму. Закон Ома для змінного струму. Фазовий кут та потужність.
Імпеданс і адмітанс
Комплексні числа в теорії лінійних електричних кіл. Поняття імпедансу і адмітансу. Імпедансні та адмітансні мости
Методи і техніка експерименту
Принципи імпедансного методу. Основні робочі гіпотези. Вимоги до вимірювальної техніки. Режими вимірювання. Первинна обробка експериментальних даних. Ідентифікація. Перевірка адекватності імпедансних моделей пакету експериментальних даних
Основні структури імпедансних моделей
Діаграми Найквіста для зосереджених елементів електричних схем. Елемент постійної фази. Дифузійний імпеданс Варбурга. “Ідеальна” і “неідеальна” дифузія. Кінечні елементи імпедансних еквівалентних електричних схем. Неоднорідні елементи
Імпедансна спектроскопія діелектричних матеріалів
Діелектрична дисперсія діелектриків без втрат. Дебаєвський механізм релаксації. Діаграми Коул-Коула. Частотний відклик матеріалів з помітними втратами на провідність. Йончерівський механізм релаксації. Аномальна частотна дисперсія та її механізми
Напівпровідники у змінному електричному полі.
Електропровідність напівпровідників на змінному струмі. Плазмові хвилі, повне плазмове відбивання. Теорія Джеболла – Поллака. Визначення параметрів електронної структури методом імпедансної спектроскопії та її програмне комп’ютерне забезпечення.
Імпедансна спектроскопія твердих електролітичних матеріалів
Схема двохконтактної електрохімічної комірки. Чотиризондові методи вимірювань. Еквівалентні електричні схеми для твердого електроліту у різних частотних діапазонах. Структурна модель полімерного електроліту. Аналіз механізмів перенесення заряду у іонних провідниках на базі адмітансних даних
Фізико-хімічні основи електрохімічного імпедансу
Будова подвійного електричного шару (ПЕШ). Ідеально поляризовуваний і ідеально неполяризовуваний електроди. Поляризація ПЕШ.
Імпедансні спектри фарадеєвських процесів
Структурні моделі Рендлса – Ершлера. Модель адсорбції. Модель Фрумкіна- Мелік- Гайказяна. Модель двохстадійної гетерогенної реакції з адсорбцією проміжкового продукту. Визначення кінетичних параметрів. Бази імпедансних моделей для електрохімічних джерел струму
Імпедансна спектроскопія ідеально поляризовуваного електроду.
Елемент постійної фази та пориста структура електрода. Врахування вкладу ємності просторового заряду у твердому тілі. Визначення енергетичних параметрів молекулярних накопичувачів енергії
Імпедансний аналіз напівпровідникових структур
Особливості імпедансної спектроскопії діодів та фотоелементів. Побудова структурних моделей фізичних структур у зовнішніх полях. Фізичні механізми індуктивного відгуку планарних структур
Методи та критерії оцінювання: Екзамен, захист лабораторних робіт, контрольна робота, ВНС-тестування, захист індивідуального науково-дослідного завдання;
- поточний контроль (40 %): опитування на лабораторних заняттях, захист звітів (20%), самостійна робота (10%), ВНС-контроль (10%);
- підсумковий контроль (60%): іспит – письмова компонента (50%), усна компонента (10%).
Критерії оцінювання результатів навчання: Теоретичні питання мають на меті перевірку навичок студентів щодо розуміння теоретичного матеріалу. Відповідь по-можливості має бути повною та аргументованою.
• Максимальну кількість балів (мкб) за питання отримує студент, що повністю висвітлив питання;
• 70-90 % від мкб – питання в цілому висвітлене, але є незначні неточності або інші недоліки;
• 50-70 % від мкб – відповідь на питання дано не в повному обсязі і/або є суттєві помилки;
• 30-50 % від мкб– зроблена спроба відповісти на питання, але зроблено грубі помилки і/або питання в цілому не висвітлене. Такої ж оцінки заслуговуватиме студент, якщо він робить неправильні висновки на основі логічних припущень, що містять правильні міркування;
• 10-30 % від мкб– зроблена невдала спроба відповісти на питання, лише окремі міркування і /або формули є вірними;
• 0 балів – жодна з записаних формул не має стосунку до даного питання, всі міркування є помилковими, або цілковито відсутні.
Задачі мають на меті перевірку навичок студентів у практичному розв’язуванні фізичних задач. Задачі потрібно розв’язати з максимально можливим поясненням і, якщо в цьому є потреба, з рисунком.
• максимальну кількість балів (мкб) отримує студент, що повністю розв’язав задачу;
• 70-90 % від мкб виставляється за розв’язану задачу, в якій є незначні неточності;
• 50-70 % від мкб – при розв’язанні допущено помилку(и), що вплинуло на результат, але підхід до розв’язання був правильним;
• 30-50 % від мкб – зроблена спроба розв’язати задачу, але зроблено грубі помилки і результат невірний;
• 10-30 % від мкб – зроблена невдала спроба розв’язати задачу і записано одна або кілька правильних формул, що мають відношення до даної задачі;
• 0 балів – жодна з записаних формул не має відношення до даної задачі, або студент навіть не зробив спроби розв’язати запропоновану задачу.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Григорчак І. І., Понеділок Г. В. Імпедансна спектроскопія. – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2011. – 352с.
2. Impedance spectroscopy. Theory, experiment and application / Ed. Barsoukov E. and Macdonald J. R.- Wiley interscience (Canada). – 2005. - 585 p.
3. Григорчак І. І., Понеділок Г. В. Лабораторний практикум. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Імпедансна спектроскопія» для студентів денної та дистанційної форм навчання напрямку підготовки 0702 «Прикладна фізика». – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2008. – 40с.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).