UNIVERSITETET I OSLO Side 1 Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i: MENA3100 Eksamensdag: mandag 2. juni 2008 Tid for eksamen: 9:00-12:00 Oppgavesettet er på 5 sider inkludert periodisk tabell (side 5) Tillatte hjelpemidler: Elektronisk kalkulator av godkjent type. Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Ved sensur vil alle deloppgaver bli tillagt like stor vekt. Vi forbeholder oss retten til justeringer. Oppgave 1 Figur 1 viser enhetcellene til Co og CoO. Lengden på aksene til enhetcellene (a, b og c) er like lange og vinklene mellom dem er alle 90 o. Figur 1 Enhet cellene til Co og CoO (Co er illustrert med sorte kuler og O med grå). b c a PowderC ell 1.0 PowderC ell 1.0 a) Hva er Bravais gitterene til Co og CoO i figur 1? Simulerte diffraktogrammer hvor det er brukt Cu Kα 1 med λ = 1.5406 Å for de to fasene er vist i figur 2. Refleksene er indiserte og tilfredsstiller Braggs lov (λ = 2dsinθ). b) Beregn enhetcelle størrelsen, a, for Co ved å bruk av dataene i figur 2. Er enhetcellen større eller mindre sammenliknet med CoO? (Argumenter hvorfor, ingen beregninger trengs).
For å kunne beregne strukturfaktoren F g til en refleks g må man kjenne atomposisjonene til atomene i enhetcellen r j =u j +v j +w j. F g F hkl N j 1 f j exp( 2 i hu kv lw )) ( j j j c) Hvor mange atomposisjoner må du beskrive for Co og CoO, respektivt, og hva er deres posisjonsvektorer r j? Co 111 CoO 200 Co 200 CoO 111 CoO 220 Co 220 CoO 311 CoO 222 Figur 2 Simulate diffraktogrammer for Co og CoO (uthevet tekst). 2θ d) For Co er intensiteten til 111 refleksen sterkere enn 200 refleksen. Hvorfor er det motsatt for CoO? e) Lag en skisse av et elektrondiffraksjonsmønster sett ned langs [011] soneaksen til Co og indiser refleksene. f) Er intensitetsforholdet mellom refleksene sett i diffraksjonsmønsteret det samme som i figur 2? (Hvorfor eller hvorfor ikke?).
Oppgave 2 I et studie med fokus på utvikling av nye dentale legeringer som erstatning for amalgam ble et gallium basert materiale undersøkt. Materialet har ble laget ved å blande et sølvrikt pulver (52at.% Ag, 24.5at.% Sn and 23.5at.% Cu) med en galliumrik væske (75.6at.% Ga, 11.0at.% Sn and 13.4at.% In) ved romtemperatur. Blandingen størkner når væsken starter å reagere med pulveret. Figur 3 viser et SEM bilde av en flat, polert overflate fra et slikt størknet materiale (bildet til venstre er forstørret fra området sett til høyre). Hvilken detektor har blitt brukt i bildet i figur 3 og hva bestemmer kontrasten i bildet? EDS ble utført i områdene markert med A, B, C og D. Resultatet av analysene er gitt i tabell 1. Side 3 A B D C 10 μm Figur 3 Et SEM bilde av en flat, polert dental gallium legering. 1. Ag 4 Cu 30 Ga 61 Sn 5 2. Ag 69 Cu 2 Ga 29 3. Ag 70 Cu 1 Ga 5 In 24 4. Ag 50 Cu 27 Sn 23 Tabell 1 EDS resultater fra områdene indikert i figur 3 b) Fra kontrasten i bildet og kunnskap om materialhistorien, identifiser hvilken analyse i tabell 1 som korresponderer til de ulike områdene markert i figur 3. c) Om du lager en TEM prøve av dette materialet og tar opp et nytt sett med EDS data med en liten probe i de samme områdene som markert i figur 3, forventer du å få det samme resultatet som i SEM studien fra alle områdene? Hvorfor eller hvorfor ikke? d) I TEM har du tre ulike sett av aperturer; kondensor, objektiv og selected area. Hvilken av dem bør du benytte for å forbedre kontrasten i TEM? Beskriv (med tekst og figurer) prinsippet bak to av avbildningsteknikkene som øker kontrasten? e) Hva er prinsippet bak element kart ( elemental maps ) ved bruk av EDS og EELS?
Oppgave 3 Side 4 a) Når et atom blir eksitert av et elektron eller røntgen kvant, hvilke prosesser kan skje når det de-eksiteres (senker energien)? b) Hva er prinsippet bak XPS og hva representerer symbolene i likningen E k = hν (E b + Φ)? c) Hvordan kan Auger topper generelt bli separert fra de andre toppene sett i et XPS spektrum? d) Hvorfor øker bakgrunnen i XPS spekter mot høy bindingsenergisiden (se figur 4)? Cu Al KαXPS LMM Auger Figur 4 XPS spekter fra rent Cu. I figur 5 vises en illustrasjon på et SIMS spekter med fire linjer (Markert med A, B, C og D) som representerer ulike ioner. A C Figure 5 Illustration of a SIMS spectrum. B D CH 3 + CO 2 + H 2 O + OH + NO 2 - O + Tabell 2 Ioner som skal vurderes. e) Hva er hovedprinsippet bak SIMS, og hvilke av ionene i tabell 2 korresponderer med linjene A, B, C og D?
http://www.bpc.edu/mathscience/chemistry/history_of_the_periodic_table.html Side 5