Høier / Tøtdal / Holmestad / Derlet / Yu / Marioara/Friis/Lohne/ Frøseth i samarbeid med SINTEF Anvendt fysikk (Andersen / Bardal / Pettersen / Walmsley )

(e-post: hoier@phys.ntnu.no, totdalb@phys.ntnu.no, randih@phys.ntnu.no, peterd@phys.ntnu.no, yingda@phys.ntnu.no, calin.marioara@phys.ntnu.no, jesper.friis@phys.ntnu.no, anderfr@phys.ntnu.no,
sigmund.andersen@matek.sintef.no, asgeir.bardal@matek.sintef.no, gunnar.pettersen@matek.sintef.no, john.walmsley@matek.sintef.no, otto.lohne@matek.sintef.no )

Gruppa arbeider innen materialfysikk med utvikling av avanserte materialer både eksperimentelt og teoretisk. De makroskopiske egenskapene til et materiale har nære og kompliserte sammenhenger med materialets oppbygging på sub-nanometer til mikrometer nivå. En fellesnevner for forskningen vår er å forstå og etablere slike sammenhenger slik at det blir mulig å skreddersy materialer med ønskede egenskaper. Her bruker vi både eksperimentelle metoder og beregninger basert på kvantemekanikk. Transmisjons elektronmikroskopet (TEM) er et instrument der en kan studere nano-skala områder med flere teknikker samtidig: mikroskopi, diffraksjon, spektroskopi og energitapsanalyse. Instrumentet er derfor mye brukt i mikrostudier og materialutvikling. Gruppa har en velutrustet lab med blant annet en TEM, og et atomic force mikroskop (AFM), det siste til overflatestudier. Vi har god tilgang på nødvendig regnekraft for interpretasjoner og simuleringer. Vi samarbeider i stor grad med andre grupper på NTNU, SINTEF anvendt fysikk og norsk industri, samt flere grupper i utlandet. Gruppa kan tilby varierte diplomoppgaver innen materialfysikk; fra helt teoretiske til helt eksperimentelle eller en kombinasjon. Oppgavene kan tilpasses faglig bakgrunn og interesser. Diplomstudenter vil arbeide med oppgaver nært knyttet til forskningsprosjekter som er igang i gruppa, og ofte knyttet til en postdoc, dr.ing.student eller SINTEF-forsker. Noen eksempler på oppgaver er listet under, men det beste er å komme å snakke med oss! Du finner oss stort sett i E3 - Realfagbygget.

NB! - Sjekk vår hjemmeside! (http://www.phys.ntnu.no/~emgroup)

 Veileder: Peter Derlet , e-mail: Peter.Derlet@phys.ntnu.no

1. The understanding of the inelastic expansion properties of materials is vital to a fuller understanding of material strength and hardness. This project is concerned with the study of stress-strain properties using the molecular dynamics perspective. In particular you will be investigating the onset of plastic deformation via the creation of vacancies and dislocations, and their subsequent flow, as a function of temperature.
2. The nature and path to equilibrium within complex materials is guided by energy minimization and entropy maximization, in other words the minimization of the system’s free energy. Unlike internal energy, free energy cannot be calculated directly from the mechanics of a molecular dynamics simulation. In this project you will investigate and implement free energy algorithms such as Thermodynamic Integration and the Chemical Potential method within the molecular dynamics and/or Monte-Carlo frameworks. Particular emphasis will be given to developing an algorithm suitable for the solid state.

Veileder: John Walmesley, SINTEF, email: John.Walmesley@matek.ntnu.no

Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Auger Electron Spectroscopy (AES) and Laser Raman spectroscopy are valuable techniques for characterisation of surfaces. They are all available at the Interface Analysis Centre at Bristol University. Bristol is a major city in south west of England.

Aluminium surfaces will be prepared at Trondheim. These would be taken to Bristol to be analysed. The work in Bristol would be expected to take up most of the time on the project.

The objective would be to establish how to combine the techniques in some areas of NTNU and SINTEF research.

Contact John Walmsley, SINTEF, room E3-149, Physics department.

Veileder:

Sigmund Andersen, e-mail: Sigmund.Andersen@matek.sintef.no
Bjørn Hauback, e-mail: Bjorn@ife.no
Ragnvald Høier, e-mail: Ragnvald.Hoier@phys.ntnu.no

Litt bakgrunn:
Hydrider som energibærere:
Hydrogen ansees som en viktig framtidig energibærer. Framstilling av hydrogen krever energi, men hydrogen er til gjengjeld det eneste brennstoff som ikke forurenser. Hydrogen kan lagres i flytende tilstand, i gassform under trykk og i fast form som hybrider. Lagring i form av metallhybrider er en særlig aktuell metode i forbindelse med små og mobile lager og for batterier. Metallhybrider er kjemiske forbindelser mellom hydrogen og et eller flere metaller, laget ved passende temperatur og trykk. Hydrogenet som er tatt opp i metallet kan frigjøres ved å tilføre varme. For eksempel har mange legeringer som inneholder zirconium et stort potensiale for opptak av hydrogen – man snakker her om lagring av hydrogen for flere formål.

I oppgaven vil vi ønske å studere noen utvalgte legeringer. Det kan være snakk om å være med å lage disse hybridene (et opphold ved IFE). Deretter ønsker vi å foreta undersøkelser ved bruk av bl.a. TEM. TEM har generelt vært lite brukt i studiet av hybrider. Noe av årsaken er at disse materialene er sprø, noe som vanskeliggjør prøvelaging. Dermed vil en del av oppgaven nødvendigvis gå med til dette.

Ved IFE foretar man røntgendiffraksjon, desorpsjonsspektroskopi, nøytrondiffraksjon og andre metoder for full karakterisering av prøvene. Materialet/materialene som skal undersøkes, samt hvilke av analysemetodene som kan komme til å bli aktuelle, må diskuteres underveis.

Se også http://www.ife.no/departments/physics/thesis/hydro1.html

Veiledere:
Randi Holmestad, e-mail: Randi.Holmestad@phys.ntnu.no
Ragnvald Høier, e-mail: Ragnvald.Hoier@phys.ntnu.no

Konvergentstråle elektrondiffraksjon (CBED) er en teknikk som kan brukes for å studere bindinger i materialer. Den detaljerte intensiteten i et CBED-bilde kan sammenliknes med teoretiske beregninger og viktige strukturparametere kan på denne måten raffineres og finnes med stor nøyaktighet. Vi har gjennom flere år utviklet programmer for simulering av CBED- bilder og for sammenlikning av eksperimentelle og simulerte bilder. Diplomoppgaven går ut på å sette seg inn i teorien for elektrondiffraksjon, evt. utføre eksperimenter og bruke tilgjengelig programvare for å studere bindingsforhold i materialer som GaAs og CaF₂ .

- Inntil nylig var begrepet "halvledermaterialer" synonymt med de uorganiske materialene Si, Ge ("IV-halvledere") og GaAs, InSb og tilsvarende ("III-V-halvledere"). I det siste er det oppdaga at mange organiske materialer, særlig enkelte polymerer, også har halvleder-egenskaper, med bandgap i 1 – 3 eV-området. Organiske halvledene er spesielt interessante fordi de er billige, fleksible, kan deponeres i supertynne skikt i alle slags former, og bandgapet kan justeres etter behov. Rein praktisk blir det utviklet polymere dataminne (OPTICOM) og fleksible multifarge-LED (light emitting diode) data-skjermer av organisk halvledende polymerer.

Gruppa arbeider med optiske og strukturelle aspekter av materiala, med spektroskopi og røntgen-spredning, og bruker også synkrotron-stråling ved ESRF i Grenoble. Det er for tida lagt særlig vekt på å studere tynne filmer (5 – 500 nm), der en også kan nytte overflate-metoder som reflektometri ("ellipsometri") og scanningmetoder som AFM ("atomic force microscopy") og STM ("scanning tunnelling microscopy").

- Gruppa har for øvrig samarbeid med Norsk Hydro Forskningssenter på andre polymerer, og med Papirindustriens Forskningsinstitutt på papir og cellulose.

Veiledere:
Emil J.Samuelsen, E3-137, e-post: Emil.Samuelsen@phys.ntnu.no
Dag Werner Breiby, E3-142, e-post: DagBrei@phys.ntnu.no
Johannes Bremer (ellipsometri/spektr.), E3-124, e-post: Johannes.Bremer@phys.ntnu.no

• Temperatur-avhengige diffraksjonstudier av varianter av poly-tiofener.
• Temperatur-avhengige spektroskopi-studier av varianter av poly-tiofener.
• Ledende polymerer i mikro-porøse stoff som cellulose og/eller aero-gel.
• Tynne skikt av ledende polymerer på vatn: Spektra og ellipsometri.

• Statistisk tolkning av tre-dimensjonale avbildinger av papir.
• Diffrasjonsstudier av anisotropi i papir.

3. Oppgave på aldring av polyamid (Norsk Hydro)
Oppgaven vil være integrert i et større prosjekt på fleksible rør som går ut på å utvikle aldringsmodeller for plast. Hensikten er å kartlegge strukturelle forhold i aldrede polyamid-prøver og studere sammenhengen mellom strukturelle forandringer og materialets levetid. Eksperimentelle metoder som er tenkt å bruke er røntgen-diffraksjon, gjerne i kombinasjon med andre metoder som for eksempel termisk analyse. Faglig kontakt ved Norsk Hydros Forskningssenter vil være seniorforsker Hans Jörg Fell (tlf. 35 92 33 82, e-post: hans.jorg.fell@hydro.com). Gjerne ta kontakt med oss for ytterlige informasjon.

(Eventuelle oppdateringer til denne siden finner man her: http://www.phys.ntnu.no/~fossumj/hovedoppgaver2000)

Veileder ved insitutt for fysikk, NTNU : Førsteamanuensis Dr.ing. Jon Otto Fossum, e-mail: fossumj@phys.ntnu.no, Telefon: 91139194, URL: http://www.phys.ntnu.no/~fossumj

Dette inngår i et konkret samarbeid mellom Førsteamanuensis Jon Otto Fossum (gruppe for materialfysikk), og Professor Alex Hansen (gruppe for kondenserte mediers teori), og i et konkret samarbeid med Fysisk institutt ved universitet i Oslo, og fysikkavdelingen ved IFE, Kjeller:
For oversikt og detaljer, se websidene til det nasjonale vitenskapelige programmet for komplekse systemer og materialer: http://www.phys.ntnu.no/CPX

Generelle hovedmål for den vitenskapelige aktiviteten leirefysikk ved NTNU, kan identifiseres som:
1) Sette leire inn i en fundamental fysisk material vitenskapelig sammenheng (dvs i sammenheng med andre myke materialer som f.eks. væskekrystaller, polymerer, biomaterialer, etc.)
2) Bruke denne kunnskapen til å undersøke muligheten for å videreutvikle og/eller antyde nye industrielle anvendelser.
For en populærvitenskapelig innføring omkring dette, se Jon Otto Fossum's foredrag i NRK, P2 Akademiet, Februar 2000: URL: http://www.phys.ntnu.no/~fossumj/P2Akademiet/
Det er et vell av fysiske problemstillinger å velge mellom, som opptrer i materialet leire, og hvor leire kan brukes som fysisk modellsystem for realisering av disse fenomene/prosessene, men følgende konkrete prosjekter er interessante som eksperimentelle hovedoppgaver for høsten 2000 (viderføring bla. av tidligere prosjekt- og hovedoppgaver):

1) Synkrotron røntgenstudier av vekslevirkining mellom vann og syntetiske leireprøver, Hovedeksperimentene utføres ved Brookhaven National Laboratory, Long Island, New york, USA: Oppgaven omfatter eksperimentelle forberedelser i laboratoriet ved NTNU, etterfulgt av et 2 ukers opphold ved laboratoriet i USA under veiledning av Jon Otto Fossum, avsluttet av data-anlyse/ interpretasjon ved NTNU. Oppgaven inneholder oppsett av instrumentkommunikasjon vha programmeringsspråket Labview og noe prøvepreparering av syntetiske leireprøver eventuelt i samarbeid med student som velger 2). De fysiske problemstillingene som inngår i 1) og 2) inngår i et etablert samarbeid mellom Jon Otto Fossum, NTNU, og forskere ved Schlumberger-Doll Research Laboratory, Connecticut, USA, og Brookhaven National Laboratory, USA.

2) Småvinkel nøytron sprednings studier av de samme systemene/prosessene som i 1), men eksperimentene vil i tillegg til NTNU foregå ved IFE, Kjeller (1-2 uker) og ved Risø, Roskilde i Danmark (1-2 uker). (Samarbeid med fysikkavdelingen, IFE). Den lokale eksperimentelle delen av dette delprosjektet (dsv Labiew programmering/prøvepreparering) vil eventuelt foregå i samarbeid med studenten som velger 1). De fysiske problemstillingene som inngår i 1) og 2) inngår i et etablert samarbeid mellom Jon Otto Fossum, NTNU, og forskere ved Schlumberger-Doll Research Laboratory, Connecticut, USA og Brookhaven National Laboratory, USA.

3) Dynamisk lysspredning fra væskekrystallfaser av syntetisk leire. Hovedoppgaven utføres i hovedsak ved fysisk institutt, universitetet i Oslo under fjernveiledning av Jon Otto Fossum, NTNU, og lokalveiledning av professor Knut Jørgen Måløy, UiO. Dette vil være en videreføring av en hovedoppgave som avsluttes sommer 2000. For i løpet av oppgaven å kunne skille aggergat rotasjonsdynamikk fra translasjonsdynamikk i leiresuspensjoner, finnes også muligheter for transient elekrisk dobbelbrytnings studier av de samme fysiske systemene, i laboratoriet til førsteamanuensis Arne Mikkelsen, gruppe for bioploymerer, institutt for fysikk, NTNU.

4) Eksperimentelle studier av hydraulisk oppsprekking av leiregeler, utføres i hovedsak ved fysisk institutt, universitetet i Oslo under fjernveiledning av førsteamanuensis Jon Otto Fossum, NTNU, og lokalveiledning av professor Knut Jørgen Måløy, UiO. Man vil her se på oppsprekking/leging av gjennomsiktig syntetisk leire etter injeksjon av væsker, feks olje eller vann, og studere denne type dynamikk vha avanserte hurtigkameraer man disponerer ved UiO. Avansert billedbehandling/analyse må utføres under interpretasjon.

5) Ren måleteknisk oppgave: Delvis design og "hel" bygging av bærbar temperatur kontroll, for regulering av temperatur i området 0-100 C av et "lite" termisk system. Kjøling og oppvarming ved hjelp av Peltierelement, omkring temperatur satt av varmelement. Tegninger for elektronikk (som må bygges) foreligger. Noe egen design av elektronikk må forventes (i samarbeid med elektronikkverkstedet ved institutt for fysikk, NTNU). Labview programmering. Veileder: Jon Otto Fossum. Arbeidssted: Realfagsbygget, NTNU.