計測科学総論

Instrumentation for Materials

991FC05

15PHAPP501

樋口　透

Tohru Higuchi　

2024年度後期

2nd Period, 2024

水曜2限

Wednesday 2nd

理学研究科　物理学専攻

Department of Physics, Graduate School of Science

2.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

物質の結晶構造や微構造、表面構造、電子構造、組成、電気特性、磁気特性、光学特性、熱特性などを精確に評価するための各種計測方法について講述する。

This is optional subjects for master cources. The instructor gives a lecture on the crystal structure, surface structure, chemical composition, electrical conductivity, magnecity, optical property and thermal property of material science and their experimantal method for specialized knowledge about each research subject

熱・光・電気・磁気・中性子等による物質科学の計測法と得られたデータの解釈法を修得する。本専攻のディプロマポリシーのうち「物理学の基礎あるいはその応用分野において高度な専門的学識と研究能力を持つことで、その分野の諸問題を解決できる能力」に相当する科目である。

Students will be able to understand how to measure materials science using heat, light, electricity, magnetism, and neutrons, and how to interpret the data obtained. This is cource for "ability to recognize the importance of physics and possibility of application and to disseminate and teach this to society based on humanitarian culture and high ethical standards" in this department's diploma policy.

代表的な物質科学計測法の諸概念を理解でき、様々な諸データを自らの研究に活かすことができるようになる。

Students will be able to understand the concepts of typical material science measurement methods and use various data in their own research.

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

単位取得のためだけに履修するのではなく、自らの研究にどのように活かすか、という意識で講義を受けることが望ましい。

It is desirable for students to attend lectures not only to earn credits but also to learn how to use them in their own research.

課題に対する作文　Essay

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・CLASSシステム上の講義資料を事前にダウンロードし、予習しておくこと。
・講義で新たに知り得た内容について、復習しておくこと。
・講義の内容を理解するために、毎回、予習2時間、復習2時間を必要とする。

・Download the lecture materials on the CLASS system in advance and prepare for them.
・Review what you have learned in the lecture.
・Each session requires two hours of preparation and two hours of review to understand the content of the lecture.

毎回、講義時に書いてもらうレポート(14回分)の平均により評価する。

Grades are evaluated by a report written during each lecture time.

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

N

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

講義資料は、各講義前に、LETUS上にアップロードする。

Additional materials will be uploaded before each lecture on LETUS system.

1. ガイダンス・計測科学総論の導入・真空計測
　計測科学総論の講義概要・日程・成績評価法について説明する。また、真空技術の概念と計測法について学ぶ。

2. Van der Pauw法による電気抵抗・Hall効果計測
　エピタキシャル層のような薄膜状あるいは薄片状の金属および半導体の電気抵抗・Hall 効果を測定するのに適した方法であるVan der Pauw法について学び、測定データの物理的解釈ができるようになる。

3. 交流インピーダンス法による電気抵抗計測
高抵抗物質の導電率を評価する方法である交流インピーダンス法について学び、測定データの物理的解釈ができるようになる。

4. バルクの誘電物性計測
　誘電体の単結晶およびセラミックスの誘電特性・圧電特性等の評価法について学び、誘電的性質が理解できるようになる。

5. 薄膜の誘電物性計測
　薄膜の誘電物性評価法について学び、薄膜の誘電的性質が理解できるようになる。

6. 熱・光による材料物性計測
　単結晶およびセラミックスの熱分析法、紫外・赤外吸収分光法について学び、基本的な構造的性質が理解できるようになる。

7. X線・レーザー・中性子による構造計測
　X線・レーザー・中性子を用いた計測法および構造解析法(リートベルト解析)について学び、単結晶・セラミックス・薄膜の基本的な構造的性質が理解できるようになる。

8.　X線による組成計測
X線を使った組成分析法(エネルギー分散分光分析法・X線吸収分光法)について学び、物質の組成・構造分析ができるようになる。

9. 電子分光による固体の電子構造計測
　電子を使った分析法(光電子分光、逆光電子分光、オージェ分光分析法)について学び、固体の電子構造の計測法とデータ解釈が理解できるようになる。

10. 光電子分光によるナノ物質の電子構造計測
　ナノ構造薄膜の形成法および光電子分光の計測法を学び、ナノ構造膜の電子構造のデータ解釈が理解できるようになる。

11. 紫外線領域の発光計測
　 半導体で用いられる発光分光法（フォトルミネッセンス）について学び、半導体の発光現象が理解できるようになる。

12. X線領域の発光分光による電子構造計測
　 X線領域の発光分光法（X線非弾性散乱）について学び、無機材料や生体物質のバルクの電子構造が理解できるようになる。

13. 電子線・光による表面物性計測
　走査型電子顕微鏡・原子間力顕微鏡の観察方法について学び、物質の表面構造が理解できるようになる。

14. 脳科学計測
　ヒトを対象とした脳機能イメージング手法（脳波や脳磁図など）について学び、それらが持つ特長について理解できるようになる。

15. 前期の総括
　これまでの講義について、重要な部分および補足が必要な部分について解説する。


[Subjects and contents]
1. Guidance, introduction and vacuum measurement
The lecture outline, the schedule, and the results evaluation method of the general metrology will be explained. Also, learn about the concept of vacuum technology and measurement methods.

2. Measurement of electrical resistance and Hall effect by Van der Pauw method
Learn the Van der Pauw method, which is a method suitable for measuring the electrical resistance and Hall effect of thin-film or flaky metals and semiconductors such as epitaxial layers, and become able to physically interpret the measured data.

3. Electric resistance measurement by AC impedance method
Learn about the AC impedance method, a method for evaluating the conductivity of high-resistance materials, and be able to physically interpret the measured data.

4. Measurement of dielectric properties of bulk
Students will learn how to evaluate dielectric properties, piezoelectric properties, etc. of single crystals of dielectrics and ceramics, and understand dielectric properties.

5. Measurement of dielectric properties of thin films
Learn how to evaluate the dielectric properties of thin films so that you can understand the dielectric properties of thin films

6. Measurement of material properties by heat and light
Learn about thermal analysis and UV / IR absorption spectroscopy of single crystals and ceramics, and understand basic structural properties.

7. Structural measurement by X-ray, laser and neutron
Students will learn about X-ray, laser, and neutron measurement and structural analysis methods (Rietveld analysis), and understand basic structural properties of single crystals, ceramics, and thin films.

8. Composition measurement by X-ray
Learn about composition analysis using X-rays (energy dispersive spectroscopy, X-ray absorption spectroscopy), and be able to analyze the composition and structure of substances.

9. Electronic structure measurement of solids by electron spectroscopy
Students will learn about electron analysis methods (photoelectron spectroscopy, inverse photoelectron spectroscopy, Auger spectroscopy), and understand the measurement method and data interpretation of the electronic structure of solids.

10. Electronic structure measurement of nanomaterials by photoelectron spectroscopy
Students will learn how to form nanostructured thin films and measure photoelectron spectroscopy, and understand data interpretation of the electronic structure of nanostructured films.

11. Emission measurement in the ultraviolet region
Learn about emission spectroscopy (photoluminescence) used in semiconductors and understand the luminescence phenomena of semiconductors.

12. Electronic structure measurement by X-ray emission spectroscopy
Learn about emission spectroscopy in the X-ray region (X-ray inelastic scattering) and understand the bulk electronic structure of inorganic and biological materials.

13. Surface physical property measurement using electron beam and light
Learn the observation method of scanning electron microscope and atomic force microscope, and become able to understand the surface structure of materials.

14. Brain science measurement
Learn about brain function imaging techniques (eg, EEG and MEG) for humans, and understand the features of them.

15. Summary
Instructors will explain important and supplementary information about previous lectures

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・課題レポートの提出により、出席扱いとする。
・単位取得のためには、2/3以上の出席が必要である。　

・Lectures may change or make minor changes depending on the progress of the lecture
・Attendance is checked by IC card system.
・A minimum of 2/3 attendance is required to earn credits.

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