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NANOSCIENZE
(obiettivi)
Conoscenze e
abilità da conseguire: Il corso si pone come obiettivo la comprensione da
parte dello studente del mondo nanometrico. Dopo aver introdotto i principali
concetti matematici e fisici per lo studio dei sistemi a bassa dimensionalità,
saranno studiati in dettaglio molti esempi di nano materiali organici ed
inorganici. Saranno illustrate le principali tecniche sperimentali di indagine
dei materiali nano strutturati. Inoltre il corso intende fornire allo studente
gli strumenti necessari per applicare i concetti acquisiti alla comprensione
del funzionamento di molti dei dispositivi attuali realizzati con materiali
nanometrici. Lo studente sarà in grado poter individuare e o concepire nuovi
materiali per future applicazioni nano tecnologiche.
Metodi
didattici: Lezioni frontali e materiale on-line.
Risultati di
apprendimento attesi
Lo studente
dovrà dimostrare di conoscere principali concetti matematici e fisici per lo
studio dei sistemi a bassa dimensionalità. Lo studente dovrà dimostrare di
essere in grado di utilizzare gli strumenti acquisiti alla comprensione del
funzionamento di molti dei dispositivi attuali realizzati con materiali
nanometricied eventualmente ideare o individuare nuovi materiali per future
applicazioni nano tecnologiche.
Modalità di
verifica dell'apprendimento: Esame finale orale.
Programma
Introduzione al corso. La
dimensione nanometrica. Nanoscienza e nanotecnologia.
Onde e materia: fotoni e
gli elettroni. Luce come onda di probabilità. Elettroni e onde di materia. Effetto
fotoelettrico. Energia e funzioni d’onda di un elettrone intrappolato. Elettrone
in una buca finita. Atomi e loro proprietà. La meccanica quantistica nel mondo
nano.
I solidi. Proprietà strutturali
ed elettroniche dei solidi. Strutture cristalline, celle unitarie e primitive,
reticoli di Bravais 3D e 2D, la cella di Wigner-Seitz, indici di Miller
(direzioni e piani cristallografici), reticolo reciproco. Teorema di Bloch. Livelli
di energia di un solido cristallino: struttura a bande. Isolanti, metalli e
semiconduttori. Semiconduttori intrinseci ed estrinseci, drogaggio. Giunzione
p-n. Diodo a giunzione. Fotodiodo.
Le superfici e metodi
indiretti per la loro caratterizzazione. Superficie di un solido: definizione e
proprietà. Importanza delle superfici. L’Ultra Alto Vuoto come ambiente ideale
per lo studio delle superfici dei solidi.
Proprietà opto-elettroniche di
nano particelle metalliche e semiconduttrici. Applicazioni.
Metodi diretti per lo studio
delle Superfici: la Microscopia.
Microscopio Ottico. La teoria di
Abbè. Dal Microscopio Ottico al
Microscopio Elettronico
La microscopia elettronica:
SEM e TEM
Analogie e differenze tra
Microscopia Ottica / Microscopia elettronica SEM/ TEM. Principi Generali.
Interazione degli elettroni con la materia, Scattering elastico/anelastico,
Differenze spettroscopie elettroniche/ottiche.
SEM: Apparato Sperimentale
(Sorgenti di elettroni, Lenti elettrostatiche, Profondità di Campo, Formazione
delle immagini, Rivelatori), Particelle Rilevate (Elettroni Riflessi (BSE) e
Secondari (SE)), Spettrometria (EDX e EELS), Preparazione dei Campioni
(Metallizzazione, Fissazione, Inclusione, Taglio al Microtomo, Sezione). Esempi
e Applicazioni.
TEM: Apparato sperimentale (sorgente,
lenti elettromagnetiche, formazione dell’immagine, rivelatori), Rivelazione,
Metodo di preparazione dei campioni (fissazione chimico-fisica, taglio al
microtomo). Esempi e Applicazioni.
Principi della microscopia ad
effetto tunnel (STM). L’Effetto Tunnel. Il Microscopio a Scansione Tunnel STM : storia
di un premio Nobel. I Metodi di Misura: a corrente costante, ad altezza
costante, la spettroscopia, la funzione lavoro, STS .
Spettroscopia mediante STM: misure
STS. Charge Density Waves
Forze atomiche. Interazione
punta-campione. Microscopia a scansione di forza (AFM). Curve di forza:
regime repulsivo e attrattivo. Teoria della microscopia a forza atomica. Principio
di funzionamento di un AFM. Punta per l’AFM. Metodi di preparazione. Principali
requisiti di un microscopio AFM. Esempi di applicazione: dall’ambiente UHV al
liquido. Risultati più interessanti degli ultimi anni. Confronto con la
microscopia STM: vantaggi e svantaggi
Il microscopio a forza
magnetica (MFM): principio di funzionamento e caratteristiche.
La famiglia delle microscopie a
sonda di scansione.
Le tecniche di ordinamento
naturale (auto-organizzazione). Principi Generali delle tecniche Bottom Up.
Caso delle molecole. Self assembling monolayers (SAMs): Alcuni esempi: I tioli
organici su Oro, gli organosilani, i monostrati organici su cluster di metallo
sfaccettati. Il self ordinamento elettrostatico: La tecnica LBL (Layer by
Layer). Alcune possibili applicazioni. Il self ordinamento di blocchi di
copolimeri. La fisica della separazione delle microfasi. Alcuni esempi.
Nuovi materiali del carbonio: I
materiali 3D: il Diamante e la Grafite. Fullereni. Nanotubi: Caratteristiche
Fisiche, proprietà elettroniche, Metodi di sintesi, alcune applicazioni. Grafene:
Storia di un premio Nobel. Proprietà elettroniche e applicazioni. Metodi di
caratterizzazione: Raman, microscopia elettronica ed a scansione di sonda.
Celle Solari. Principi
generali. Celle solari ‘convenzionali’ (a base di Si o altri semiconduttori). Celle solari di nuova generazione (CNT,
grafene, polimeri, Graetzel).
Laser: Interazione
radiazione materia. Emissione spontanea e stimolata, coefficienti di Einstein.
Principio di funzionamento di un
laser. Laser a stato solido, a gas e liquidi. Applicazioni.
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CHIM/02
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Attività formative caratterizzanti
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ITA |
