PHYSICS AND TECHNOLOGY OF MATERIALS

Anno accademico 2022/2023 - Docente: Antonio TERRASI

Risultati di apprendimento attesi

Conoscenza basilare sulle principali proprietà fisico-chimiche dei materiali in genere e di alcuni di specifico interesse applicativo. Conoscenza approfondita di alcune tematiche di particolare interesse scientifico e/o industriale. Conoscenza di base di alcune tecniche e tecnologie di crescita e caratterizzazione dei materiali.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali in aula

Qualora l'inseganmento dovesse essere impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto indicato in precedenza, nel rispetto del programma previsto.

Prerequisiti richiesti

Conoscenza della fisica generale relativa ai corsi del biennio, concetti di base sulla struttura della materia e meccanica quantistica.

Frequenza lezioni

Di norma obbligatoria

Contenuti del corso

Proprietà e caratteristiche peculiari dei materiali (metalli, ceramici, polimeri, semiconduttori e

compositi). Legami nei solidi: metallico, ionico, covalente, di Van der Waals e misto.

Valutazioni semiquantitative dell'energia di legame e relazioni con la compressibilità. Strutture

cristalline, fattore d’impacchettamento. Relazioni tra struttura microscopica e proprietà

meccaniche.

Energia di superficie dei solidi: descrizione atomistica, termodinamica, meccanica.

Crescita a strati e ad isole dei film depositati. Energia dei contorni di grano in un policristallo, forma d’equilibrio dei grani cristallini. Microscopio elettronico in trasmissione: principi di funzionamento ed

applicazioni.

Termodinamica e diagrammi di fase.

Richiamo delle funzioni di stato termodinamiche. Fasi stabili e fasi metastabili. Criteri di

stabilità delle fasi. Sistemi a componente singolo: diagramma PV, temperatura critica,

coesistenza di due fasi, tensione di vapore, punto triplo. Curve di solidificazione, nucleazione

omogenea ed eterogenea, influenza della struttura dell’interfaccia l/s sulla velocità di crescita,

stabilità dell’interfaccia e formazione di dendriti. Nucleazioni e crescita di grani in silicio

amorfo. Soluzioni binarie ideali e reali : costruzione dei diagrammi di fase, energia di

mescolamento, entropia configurazionale. Sistemi completamente miscibili. Potenziale chimico

ed attività. Condizioni di stabilità di una miscela. Soluzioni eterogenee, eutettico e peritettico.

Attività in una soluzione con un gap di miscibilità. Transizioni di fase, nucleazione omogenea

ed eterogenea, crescita dei grani, formazione di precipitati, tensione di vapore ed accrescimento

di Ostwald. Curve di solidificazione. Sottoraffreddamento costituzionale. Strutture cellulari,

coefficiente di segregazione, normal freezing, processi di purificazione di un solido.

Diffusione nei solidi.

Descrizione microscopica della diffusione atomica e derivazione del coefficiente di diffusione.

Stato stazionario: equazione di diffusione per una soluzione ideale. Stato stazionario: equazione

di diffusione per una soluzione reale. Equazione di continuità e II legge di Fick. Misura del

coefficiente di diffusione e significato dell’energia di attivazione. Metodo per la misura della

energia di formazione delle vacanze. Diffusione interstiziale. Profilo di concentrazione di due

elementi dopo diffusione. Interdiffusione: coefficiente di diffusione efficace, effetto Kirkendall

Proprietà meccaniche dei solidi.

Modulo di Young, rapporto di Poisson, modulo di scorrimento e di compressibilità, relazioni

deformazione-tensione, tensore degli sforzi e delle deformazioni, costanti elastiche di un solido

e loro dipendenza dalla simmetria della struttura, plasticità dei solidi, tensione di scorrimento,

frattura. Difetti di punto e di linea. Vettore di Burger delle dislocazioni. Descrizione delle

proprietà geometriche delle dislocazioni, campo di deformazione ed energia elastica di una

dislocazione ad elica e a spigolo, interazioni tra dislocazioni. Gettering di impurezze metalliche

in monocristalli di silicio.

Deposizione di film sottili per evaporazione.

Nucleazione, crescita dei grani per ripening e coarsening. Caratteristiche meccaniche di un film

sottile, interazione con il substrato, campo di deformazione, dilatazione termica ed influenza

sull'imbarcamento del substrato. Interdiffusione in film sottili e formazione di composti.

Metallizzazione ed interconnessioni nei dispositivi a semiconduttore. Preparazione di strati

monocristallini di semiconduttore per deposizione chimica da fase di vapore e per epitassia con

fasci molecolari (MBE). Descrizione degli apparati sperimentali per la crescita epitassiale.

Omostrutture ed eterostrutture, disaccordo reticolare e spessori critici sistema Si-Ge. Proprietà

elettriche ed ottiche degli strati semiconduttori e loro applicazioni in optoelettronica e

microelettronica.

Testi di riferimento

‘Materials Science’ J.C.Anderson, K.D.Leaver, R.D.Rawlings, J.M.Alexander. Chapman and Hall.

‘Termodinamica Statistica’ C.Kittel, H.Kroemer. Boringhieri.

‘Electronic Thin Film Science: For Electrical Engineering and Materials Scientist’ King-Ning Tu,

J.W. Mayer, L. C. Feldman. Prentice Hall.

Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Proprietà e caratteristiche peculiari dei materiali (metalli, ceramici, polimeri, semiconduttori ecompositi). Legami nei solidi: metallico, ionico, covalente, di Van der Waals e misto.Valutazioni semiquantitative dell'energia di legame e relazioni con la compressibilità. Strutturecristalline, fattore d’impacchettamento. Relazioni tra struttura microscopica e proprietàmeccaniche.Energia di superficie dei solidi: descrizione atomistica, termodinamica, meccanica.Crescita a strati e ad isole dei film depositati. Energia dei contorni di grano in un policristallo, forma d’equilibrio dei grani cristallini. Microscopio elettronico in trasmissione: principi di funzionamento edapplicazioni.Termodinamica e diagrammi di fase.Richiamo delle funzioni di stato termodinamiche. Fasi stabili e fasi metastabili. Criteri distabilità delle fasi. Sistemi a componente singolo: diagramma PV, temperatura critica,coesistenza di due fasi, tensione di vapore, punto triplo. Curve di solidificazione, nucleazioneomogenea ed eterogenea, influenza della struttura dell’interfaccia l/s sulla velocità di crescita,stabilità dell’interfaccia e formazione di dendriti. Nucleazioni e crescita di grani in silicioamorfo. Soluzioni binarie ideali e reali : costruzione dei diagrammi di fase, energia dimescolamento, entropia configurazionale. Sistemi completamente miscibili. Potenziale chimicoed attività. Condizioni di stabilità di una miscela. Soluzioni eterogenee, eutettico e peritettico.Attività in una soluzione con un gap di miscibilità. Transizioni di fase, nucleazione omogeneaed eterogenea, crescita dei grani, formazione di precipitati, tensione di vapore ed accrescimentodi Ostwald. Curve di solidificazione. Sottoraffreddamento costituzionale. Strutture cellulari,coefficiente di segregazione, normal freezing, processi di purificazione di un solido.Diffusione nei solidi.Descrizione microscopica della diffusione atomica e derivazione del coefficiente di diffusione.Stato stazionario: equazione di diffusione per una soluzione ideale. Stato stazionario: equazionedi diffusione per una soluzione reale. Equazione di continuità e II legge di Fick. Misura delcoefficiente di diffusione e significato dell’energia di attivazione. Metodo per la misura dellaenergia di formazione delle vacanze. Diffusione interstiziale. Profilo di concentrazione di dueelementi dopo diffusione. Interdiffusione: coefficiente di diffusione efficace, effetto KirkendallProprietà meccaniche dei solidi.Modulo di Young, rapporto di Poisson, modulo di scorrimento e di compressibilità, relazionideformazione-tensione, tensore degli sforzi e delle deformazioni, costanti elastiche di un solidoe loro dipendenza dalla simmetria della struttura, plasticità dei solidi, tensione di scorrimento,frattura. Difetti di punto e di linea. Vettore di Burger delle dislocazioni. Descrizione delleproprietà geometriche delle dislocazioni, campo di deformazione ed energia elastica di unadislocazione ad elica e a spigolo, interazioni tra dislocazioni. Gettering di impurezze metallichein monocristalli di silicio.Deposizione di film sottili per evaporazione.Nucleazione, crescita dei grani per ripening e coarsening. Caratteristiche meccaniche di un filmsottile, interazione con il substrato, campo di deformazione, dilatazione termica ed influenzasull'imbarcamento del substrato. Interdiffusione in film sottili e formazione di composti.Metallizzazione ed interconnessioni nei dispositivi a semiconduttore. Preparazione di stratimonocristallini di semiconduttore per deposizione chimica da fase di vapore e per epitassia confasci molecolari (MBE). Descrizione degli apparati sperimentali per la crescita epitassiale.Omostrutture ed eterostrutture, disaccordo reticolare e spessori critici sistema Si-Ge. Proprietàelettriche ed ottiche degli strati semiconduttori e loro applicazioni in optoelettronica emicroelettronica.‘Materials Science’ J.C.Anderson, K.D.Leaver, R.D.Rawlings, J.M.Alexander. Chapman and Hall.‘Termodinamica Statistica’ C.Kittel, H.Kroemer. Boringhieri.‘Electronic Thin Film Science: For Electrical Engineering and Materials Scientist’ King-Ning Tu,J.W. Mayer, L. C. Feldman. Prentice Hall.

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento avviene tramite un esame finale orale che può avere come argomenti tutti quelli trattati durante il corso. Scopo del colloquio è verificare il livello di conoscenza complessiva e la sua capacità di esporre in modo chiaro e critico gli argomenti studiati. Durante l'esame potrà essere chiesto allo studente di effettuare semplici calcoli per verificare la capacità di affrontare rapidamente problemi che richiedano per lo meno di individuare gli ordini di grandezza di grandezze fisiche. 

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

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Differenze tra stati amorfi, pocristallini e monocristallini della materia

Diffusione di atomi in solidi e sulla superficie

Nucleazione

Transizioni di Fase

Crescite di film sottili epitassiali