ELECTRON MICROSCOPY AND SCANNING PROBE MICROSCOPY: INTRODUCTION TO SEM, TEM AND AFM

L'insegnamento è incluso tra le attività formative complementari per il Corso di Dottorato di Chimica Sostenibile. Gli studenti approfondiranno tematiche scientifiche nell’ambito della chimica per lo sviluppo di processi industriali e la progettazione di materiali che contribuiscano ad un sviluppo sostenibile della nostra società. A tal fine, l’attività di ricerca scientifica richiederà un sempre maggiore utilizzo di tecniche analitiche capaci di svelare ed elucidare le proprietà della materia su scala nanometrica. In particolare, le microscopie elettroniche a trasmissione e scansione (TEM, STEM e SEM) e la microscopia a forza atomica (AFM) rappresentano strumenti di indagine imprescindibili per la scienza dei materiali avanzati contemporanea. Infatti, queste tecniche sperimentali, ciascuna con le sue peculiarità, permettono di visualizzare la topografia dei campioni con risoluzione spaziale nanometrica, abbinando simultaneamente misure di composizione chimica, proprietà elettriche, magnetiche e meccaniche altamente localizzate. Il corso cerca di dare un’ampia panoramica dello sviluppo e dell’utilizzo di queste tecniche sperimentali, introducendo progressivamente le caratteristiche specifiche degli strumenti e le specifiche interazioni della materia con le sonde utilizzate (i.e., punta AFM oppure elettroni). Lo scopo è quello di permettere di utilizzare i microscopi a forza atomica ed elettronici in modo consapevole, ispirando un loro possibile uso per lo sviluppo di processi e materiali sostenibili.

Al termine di questo corso gli studenti saranno in grado di:
- descrivere i principi fisici fondamentali che vengono utilizzati nell'imaging con microscopia a forza atomica e con le microscopie elettroniche;
- spiegare come vengono interpretati i dati di misurazione;
- descrivere altre tecniche di microscopia che sono state sviluppate sulla base di AFM ed EM;
- considerare le limitazioni delle tecniche trattate;
- valutare la fruibilità di queste tecniche per lo studio e la caratterizzazione di processi e materiali sostenibili;
- valutare e selezionare il metodo più adatto al proprio obiettivo di ricerca;
- integrare le conoscenze acquisite nel corso in discussioni scientifiche.

Conoscenze di base di ottica, fisica delle onde, elettromagnetismo, scienza dei materiali e nanomateriali.

Parte I (15 ore). Microscopia a forza atomica (AFM):
- Introduzione alla microscopia a scansione di sonda.
- Studio dell’oscillatore armonico e caratterizzazione del moto del cantilever usato in AFM.
- Interazioni tra la punta AFM e le superfici dei campioni.
- Strumentazione AFM.
- Modalità di funzionamento: AFM statico (a contatto) e dinamico.
- AFM per l'analisi topografica di superfici.
- Funzione di lavoro, potenziale di contatto e Kelvin Probe AFM.
- Mappatura delle proprietà meccaniche mediante curve forza-distanza.
- AFM ad alta velocità per lo studio di campioni biologici.
- Combinazione di AFM e spettroscopie ottiche: microscopie near-field.

Parte II (15 ore). Microscopia elettronica a scansione e a trasmissione:
- Introduzione alla microscopia: fondamenti di microscopia ottica.
- Ottica geometrica.
- Caratteristiche della luce visibile e dell'elettrone a confronto.
- Limite di diffrazione e risoluzione spaziale.
- Electron gun e lenti elettroniche.
- Il microscopio elettronico a trasmissione.
- Il microscopio elettronico a scansione.
- Spettroscopie abbinate al microscopio elettronico: spettrometria a raggi X a dispersione di energia (EDS o EDX), spettroscopia di perdita di energia (EELS), diffrazione da retrodiffusione elettronica (EBSD).

J. Goldstein et al., "Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis", Springer, Fourth Edition, 2018.
D.B. Williams and C.B. Carter, "Transmission Electron Microscopy, A text for materials scientists", Springer, 2009
B. Voigtländer, “Atomic force microscopy”, Springer, Second Edition, 2019.
A. Toshio, "High-speed atomic force in biology", Springer Edition, 2022

La valutazione dell'apprendimento avviene mediante la preparazione di una tesina da presentare all'insegnate. L'obiettivo dell'esame consiste nel verificare e valutare la capacità dello/della studente/studentessa di capire e discutere l'applicazione delle sperimentali trattate durante il corso. Lo/a studente/studentessa deve preparare la propria presentazione basandosi sui risultati di due articoli scientifici selezionati a piacere, ma riguardanti l'utilizzo dell'AFM e della microscopia elettronica. Gli articoli devo essere pubblicati su riveste scientifiche a "valutazione paritaria" (i.e., peer-reviewed) di comprovato valore. La scelta deve essere preventivamente comunicata all'insegnante, che ne confermerà l'adeguatezza e la conformità agli argomenti del corso. Lo/a studente/studentessa deve dimostrare un pensiero critico e la capacità di esporre l'argomento in modo formale e conciso, usando un linguaggio scientifico appropriato.

L'insegnamento è organizzato in lezioni frontali teoriche in aula. I concetti teorici verranno illustrati a lezione con l'ausilio di presentazioni Power Point. Il materiale didattico verrà condiviso con gli studenti.

Accessibilità, Disabilità e Inclusione

Accomodamenti e Servizi di Supporto per studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento: Ca’ Foscari applica la Legge Italiana (Legge 17/1999; Legge 170/2010) per i servizi di supporto e di accomodamento disponibili agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento. In caso di disabilità motoria, visiva, dell’udito o altre disabilità (Legge 17/1999) o un disturbo specifico dell’apprendimento (Legge 170/2010) e si necessita di supporto (assistenza in aula, ausili tecnologici per lo svolgimento di esami o esami individualizzati, materiale in formato accessibile, recupero appunti, tutorato specialistico a supporto dello studio, interpreti o altro), si contatti l’ufficio Disabilità e DSA: disabilita@unive.it.

orale