MATERIALS AND NANOSTRUCTURES LABORATORY: SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION

Gli obiettivi formativi specifici di questo corso sono legati a tre aspetti: 1) sintesi, 2) processo e 3) caratterizzazione di materiali e nanostrutture, nonché I'elaborazione e analisi dei dati sperimentali.

In particolare:

1) Sintesi

* comprensione dei fenomeni fisici (termodinamici e cinetici) alla base della formazione di materiali e nanostrutture;

* acquisizione di conoscenze e competenze sulla preparazione di materiali e nanostrutture nel contesto degli sviluppi piu recenti;

* acquisizione di conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla sintesi di materiali e nanostrutture (tecniche di deposizione in fase vapore, tecniche di deposizione in fase liquida).

2) Processo

» comprensione dei fenomeni fisici (termodinamici e cinetici) alla base dell'evoluzione morfologica/strutturale di materiali e nanostrutture indotta da processi post-sintesi (ad esempio,

trattamenti termici);

* acquisizione di conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla modifica morfologica/strutturale di materiali e nanostrutture.

3) Caratterizzazione ed elaborazione dei dati sperimentali

» comprensione dei fenomeni fisici alla base della caratterizzazione morfologica, strutturale, composizionale, ed elettronica in tecniche di caratterizzazione per materiali e nanostrutture;

* acquisizione di conoscenze e competenze sulla caratterizzazione di materiali e nanostrutture nel contesto degli sviluppi piu recenti;

* acquisizione delle conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla caratterizzazione di materiali e nanostrutture (microscopia elettronica a scansione e trasmissione, diffrazione dei raggi X, analisi elettrochimiche);

* acquisizione di autonomia e capacita critica nell’elaborazione dei dati sperimentali (valutazione accurata degli errori sperimentali e della sensibilita delle diverse tecniche analitiche) e capacita di produrre un resoconto scientifico (documento di testo o presentazione) che riassuma una procedura sperimentale e illustri, criticamente, i risultati ottenuti.

Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, il corso mira a fornire le seguenti conoscenze e competenze trasversali:

Conoscenza e capacita di comprensione:

» Comprensione critica degli sviluppi piu recenti della Fisica Moderna, sia teorici che sperimentali, e delle loro interrelazioni tra diverse materie;

» Padronanza del metodo scientifico, comprensione della natura e dei metodi della ricerca in Fisica.

Capacita di applicare conoscenza:

Capacita di identificare gli elementi essenziali di un fenomeno in termini di ordini di grandezza e livello di approssimazione, e capacita di eseguire le approssimazioni necessarie;

» Capacita di utilizzare I'analogia come strumento per applicare soluzioni conosciute a nuovi problemi (problem-solving);

» Capacita di pianificare e applicare procedure sperimentali e teoriche per risolvere problemi nella ricerca accademica o applicata, o per migliorare risultati esistenti;

» Capacita di utilizzare strumenti analitici e numerici, o di calcolo scientifico, compreso lo sviluppo di software.

Autonomia di giudizio:

» Consapevolezza delle questioni di sicurezza nelle attivita di laboratorio;

» Capacita di argomentare le proprie interpretazioni dei fenomeni fisici durante le discussioni all’interno di un team di ricerca.

Abilita comunicative:

» Capacita di discutere concetti fisici avanzati, sia in italiano che in inglese;

» Capacita di presentare la propria attivita di ricerca o un argomento di ricerca sia a un pubblico esperto che a un pubblico non esperto.

Abilità di apprendimento:

» Capacita di acquisire strumenti adeguati per 'aggiornamento continuo delle proprie conoscenze;

» Capacita di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo specifico di competenza che in campi strettamente correlati;

Capacita di sfruttare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche per estrarre informazioni e suggerimenti per meglio inquadrare e sviluppare la propria attivita di studio e ricerca.

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, comprese le tecniche di sputtering, evaporazione, epitassia da fasci molecolari, deposizione chimica da fase vapore, deposizione di strati atomici, deposizione da bagno chimico, deposizione idrotermale, e deposizione elettrochimica.

Deposizione di film sottili e nanostrutture su substrati mediante sputtering: principi fisici cinetici e termodinamici, parametri di deposizione, apparati sperimentali.

A.2) Attivita di laboratorio

Deposizione di film sottili su substrati mediante la tecnica di sputtering; Sintesi di nanostrutture mediante deposizione da bagno chimico/precipitazione chimica/metodo

idrotermale.

B) Processo

B.1) Lezioni teoriche

Introduzione generale ai processi e ai parametri fisici basilari coinvolti nell’evoluzione di materiali e nanostrutture sottoposte a processi termici.

B.2) Attivita di laboratorio

Processi termici di film sottili o nanostrutture depositati su substrati.

C) Caratterizzazione ed elaborazione dei dati sperimentali

C.1) Lezioni teoriche

Microscopia elettronica a scansione e trasmissione: principi di base, interazione elettrone-materia, apparato sperimentale.

Diffrazione dei raggi X: principi di base, apparato sperimentale, cristallografia.

Interpretazione fisica e caratterizzazione delle interfacce metallo/liquido e semiconduttore/liquido mediante tecniche elettrochimiche, compresa la misura della resistenza al trasferimento di carica, il potenziale di banda piatta e la concentrazione di drogante, apparato sperimentale.

C.2) Attivita di laboratorio

Analisi mediante microscopia elettronica a scansione e trasmissione di film sottili e nanostrutture su substrati; uso di software per I'analisi dei dati e delle immagini.

Analisi di immagini ottenute al microscopio elettronico.

Misura delle proprieta delle interfacce metallo/liquido e semiconduttore/liquido mediante diverse tecniche elettrochimiche, compresa la spettroscopia di impedenza elettrochimica e I'analisi di Mott-Schottky.

Elaborazione e analisi dei dati sperimentali.

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

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

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

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

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

8. David B. Williams , C. Barry Carter, Transmission Electron Microscopy, Springer 2009

L'esame finale consiste in una presentazione, preparata e discussa dallo studente, riguardante uno degli esperimenti del corso (a scelta dello studente). Nello specifico, lo studente dovra presentare il metodo sperimentale e i risultati ottenuti riguardo la sintesi, il processo, e la caratterizzazione di una nanostruttura.

Dalla discussione della presentazione saranno poi possibili domande su tutti gli argomenti oggetto del programma.

 Alla formulazione del voto finale concorreranno in egual misura la padronanza mostrata nelle argomentazioni qualitative e quantitative, e I'analisi critica dei risultati sperimentali presentati.

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