MATERIALS AND NANOSTRUCTURES LABORATORY

Il taglio di questo insegnamento è di tipo sperimentale.

Gli obbiettivi formativi specifici di questo corso sono inerenti ai tre aspetti di 1) sintesi, 2) processo, 3) caratterizzazione di nanostrutture e materiali e alla corrispondente elaborazione ed analisi dei dati sperimentali. In particolare:

• Sintesi:

  • comprendere i fenomeni fisici (termodinamici e cinetici) alla base della formazione di nanostrutture e materiali

  • acquisire conoscenze e competenze circa la preparazione di nanostrutture e materiali, inquadrando tali conoscenze e competenze nel contesto generale degli sviluppi più recenti

  • acquisire conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla sintesi di nanostrutture e materiali (tecniche di deposizione da fase vapore in ultra-alto vuoto, tecniche di deposizione da fase liquida)

• Processo:

  • comprendere i fenomeni fisici (termodinamici e cinetici) alla base dell’evoluzione morfologica/strutturale di nanostrutture e materiali così come indotta da processi post-sintesi (processi termici, irraggiamento ionico, ecc.)

  • acquisire conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla modifica strutturale/morfologica di nanostrutture e materiali (forni, impiantatore ionico)

• Caratterizzazione ed elaborazione dati sperimentali:

  • comprendere i fenomeni fisici alla base di tecniche di caratterizzazione morfologica, strutturale, composizionale, ottica di nanostrutture e materiali.

  • acquisire conoscenze e competenze circa la caratterizzazione di nanostrutture e materiali, inquadrando tali conoscenze e competenze nel contesto generale degli sviluppi più recenti

  • acquisire conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla caratterizzazione di nanostrutture e materiali (microscopie avanzate, spettrometria ionica, spettroscopie ottiche)

  • acquisire autonomia e capacità critica nell’elaborazione di dati sperimentali (avendo contezza degli errori sperimentali e della sensibilità delle varie tecniche analitiche) e di produrre una relazione scientifica (documento o slides) che riassuma un percorso sperimentale eventualmente eseguito

Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

Conoscenza e capacità di comprensione:

• Comprensione critica degli sviluppi più avanzati della Fisica Moderna sia negli aspetti teorici che di laboratorio e delle loro interconnessioni, anche in campi interdisciplinari.

• Notevole padronanza del metodo scientifico, e comprensione della natura e dei procedimenti della ricerca in Fisica.

Capacità di applicare conoscenza:

• Capacità di identificare gli elementi essenziali di un fenomeno, in termini di ordine di grandezza e di livello di approssimazione necessario, ed essere in grado di effettuare le approssimazioni richieste.

• Capacità di utilizzare lo strumento della analogia per applicare soluzioni conosciute a problemi nuovi (problem solving).

• Capacità di progettare e di mettere in atto procedure sperimentali e teoriche per risolvere problemi della ricerca accademica e industriale o per il miglioramento dei risultati esistenti.

• Capacità di utilizzo di strumenti di calcolo matematico analitico e numerico e delle tecnologie informatiche, incluso lo sviluppo di programmi software.

Autonomia di giudizio:

• Consapevolezza dei problemi di sicurezza nell’attività di laboratorio.

• Capacità di argomentare personali interpretazioni di fenomeni fisici, confrontandosi nell’ambito di gruppi di lavoro.

Abilità comunicative:

• Capacità di comunicare in lingua italiana e in lingua inglese nei settori avanzati della Fisica.

• Capacità di presentare una propria attività di ricerca o di rassegna a un pubblico di specialisti o di profani.

Capacità di apprendimento:

• Capacità di acquisire adeguati strumenti conoscitivi per l'aggiornamento continuo delle conoscenze.

• Capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo prescelto che in campi scientificamente vicini.

• Capacità di utilizzare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche per estrarne informazioni e spunti atti a meglio inquadrare e sviluppare il proprio lavoro di studio e di ricerca.

Lezioni frontali: 3 cfu per un totale di 21 ore

Attività di laboratorio: 3 cfu per un totale di 45 ore

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato sopra, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

È preferibile avere acquisito conoscenze di base di Fisica dello stato solido, Fisica dei semiconduttori, Fisica dei materiali.

La frequenza sia alle lezioni frontali sia alle sedute in laboratorio è obbligatoria.

A) Sintesi

A.1) Lezioni frontali

- Introduzione generale alle tecniche di deposizione da fase vapore e da fase liquida di film sottili e nanostrutture su substrati (sputtering, evaporazione, epitassia da fasci molecolari, deposizione chimica da fase vapore, deposizione di strati atomici, deposizione da bagno chimico, deposizione idrotermale, deposizione elettrochimica);

- Deposizione di film sottili e nanostrutture su substrati tramite “sputtering”: principi fisici cinetici e termodinamici, parametri di deposizione fondamentali, apparati sperimentali;

A.2) Attività in laboratorio

- Deposizioni di film sottili su substrati utilizzando la tecnica di sputtering;

- Deposizione di nanostrutture da bagno chimico.

B) Processo

B.1) Lezioni frontali

- Introduzione generale ai processi e parametri fisici basilari coinvolti nell’evoluzione di nanostrutture e materiali sottoposti a processi termici e processi di impiantazione/irraggiamento ionico.

B.2) Attività di laboratorio

- Processi termici di film sottili depositati su substrati;

- Impiantazione ionica di film sottili o nanostrutture.

C) Caratterizzazione ed elaborazione dati sperimentali

C.1) Lezioni frontali

- Microscopia elettronica a scansione: principi fisici basilari, interazione elettroni-materia, apparato sperimentale;

- Microscopia a forza atomica: principi fisici basilari, il principio della sonda locale, apparato sperimentale;

- Spettrometria di retrodiffusione alla Rutherford; cinemantica di collisione; sezione d’urto; perdita energetica;

- Introduzione alla risposta ottica dei materiali, la funzione dielettrica elettronica e vibrazionale;

- Strumenti e modalità di esecuzione delle misure.

C.2) Attività di laboratorio

- Analisi di microscopia a scansione elettronica della morfologia di film sottili e nanostrutture cresciute su substrati; utilizzo di software per analisi immagini e analisi dati;

- Analisi di microscopia a forza atomica della morfologia di film sottili e nanostrutture cresciute su substrati; utilizzo di software per analisi immagini e analisi dati;

- Analisi ed elaborazione dati ottenuti dalle tecniche microscopiche e confronto tra risultati ottenuti da analisi con microscopia a scansione elettronica e microscopia a forza atomica;

- Acquisizione di spettri RBS in laboratorio e analisi degli stessi tramite software apposito (RUMP and/or SimNRA);

- Esecuzione di misure di riflettività UV-Vis e IR;

- Elaborazione e analisi quantitativa dei dati.

1) P. M. Martin, Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings-Science, Applications, Technology, Elsevier 2005

2) K. Wasa, M. Kitabatake, H. Adachi, Thin Film Materials Technology-Sputtering of Compound Materials, William Andrew Publishing 2004

3) L. Reimer, Scanning Electron Microscopy- Physics of Image Formation and Microanalysis, Springer 1998

4) J. I. Goldstein et al., Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, Springer 2018

5) V. L. Mironov, Fondamenti di Microscopia a scansione di Sonda, Accademia Russa delle Scienze 2004

6) A. Foster, W. Hofer, Scanning Probe Microscopy- Atomic Scale Engineering by Forces and Currents, Springer 2006.

7) L. Feldman, J. Mayer “Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis” North-Holland Ed.

8) K.-N. Tu, J. W. Mayer, L. C. Feldman, “Electronic Thin Film Science” Macmillan Publishing Company

9) E. Rimini, “Ion Implantation: Basics to Device Fabrication”, Springer

10) K. B. Oldham and J. C. Myland, “Fundamentals of Electrochemical Science” Academic Press

11) H. Kuzmany, Solid State Spectroscopy, Addison-Wesley

12) Garcia Solé, An introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, John Wiley & Son

L'esame finale consiste in una tesina/presentazione (opzionale) preparata e discussa dallo studente e che includa almeno un argomento dell’ambito caratterizzazione ed elaborazione dato sperimentali. A partire, poi, dalla discussione della tesina/presentazione saranno possibili domande su tutti gli argomenti oggetto del programma.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via
telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

• Principi fisici dell’interazione ione-materia

• Principi fisici dell’interazione elettrone-materia

• Principi fisici e caratteristiche tecniche alla base del microscopio elettronico a scansione

• Principi fisici e caratteristiche tecniche alla base delle microscopie a scansione di sonda

• Principi fisici e caratteristiche della spettrometria di retrodiffusione alla Rutherford

• Principi fisici e caratteristiche tecniche alla base dei processi di deposizione fisica da fase vapore di film sottili con particolare riferimento al processo di sputtering

• Principi e caratteristiche tecniche di deposizione da bagno chimico o elettrochimico

• Strumentazione per spettroscopia ottica

• Spettroscopie vibrazionali

• Spettroscopie con raggi X

• Spettroscopie in riflessione e assorbimento