MATERIALS AND NANOSTRUCTURES LABORATORY: SYNTHESIS, CHARACTERIZATION AND QUANTUM SENSING

Modulo MATERIALS AND NANOSTRUCTURES LABORATORY: QUANTUM SENSING

Gli obiettivi formativi specifici di questo corso sono legati a tre aspetti: 1) ingegnerizzazione, 2) ottimizzazione e 3) caratterizzazione di materiali per le tecnologie quantistiche, nonché l’elaborazione e analisi dei dati sperimentali.

In particolare:

1) Ingegnerizzazione

• comprensione dei fenomeni fisici alla base del meccanismo di sensing quantistico e identificazione della procedura adatta per la modifica opportuna del materiale di partenza;
• acquisizione di conoscenze e competenze sui processi di ingegnerizzazione dei materiali di interesse quantistico nel contesto degli sviluppi più recenti;
• acquisizione di conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla modifica guidata di questi materiali, come ad esempio: tecniche di modifica morfologica (etching chimico), tecniche di modifica strutturale (irraggiamento ionico).

2) Ottimizzazione

• comprensione dei fenomeni fisici (termodinamici e cinetici) alla base dell'evoluzione morfologica/strutturale di materiali e nanostrutture indotta dall'irraggiamento ionico e dai processi termici di stabilizzazione;
• acquisizione di conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla modifica morfologica/strutturale di materiali e nanostrutture (forni, impiantatore ionico).

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 più recenti;
• acquisizione delle conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla caratterizzazione di materiali e nanostrutture (microscopia elettronica a scansione, spettrometria di retrodiffusione alla Rutherford, analisi elettrochimiche);
• acquisizione di autonomia e capacità critica nell’elaborazione dei dati sperimentali (valutazione accurata degli errori sperimentali e della sensibilità delle diverse tecniche analitiche) e capacità 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 capacità di comprensione:

• Comprensione critica degli sviluppi più 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.

Capacità di applicare conoscenza:

• Capacità di identificare gli elementi essenziali di un fenomeno in termini di ordini di grandezza e livello di approssimazione, e capacità di eseguire le approssimazioni necessarie;
• Capacità di utilizzare l’analogia come strumento per applicare soluzioni conosciute a nuovi problemi (problem-solving);
• Capacità di pianificare e applicare procedure sperimentali e teoriche per risolvere problemi nella ricerca accademica o applicata, o per migliorare risultati esistenti;
• Capacità di utilizzare strumenti analitici e numerici, o di calcolo scientifico, compreso lo sviluppo di software.

Autonomia di giudizio:

• Consapevolezza delle questioni di sicurezza nelle attività di laboratorio;
• Capacità di argomentare le proprie interpretazioni dei fenomeni fisici durante le discussioni all’interno di un team di ricerca.

Abilità comunicative:

• Capacità di discutere concetti fisici avanzati, sia in italiano che in inglese;
• Capacità di presentare la propria attività di ricerca o un argomento di ricerca sia a un pubblico esperto che a un pubblico non esperto.

Abilità di apprendimento:

• Capacità di acquisire strumenti adeguati per l’aggiornamento continuo delle proprie conoscenze;
• Capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo specifico di competenza che in campi strettamente correlati;
• Capacità di sfruttare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche per estrarre informazioni e suggerimenti per meglio inquadrare e sviluppare la propria attività di studio e ricerca.

Il corso sarà finalizzato all’individuazione del miglior approccio sperimentale per la realizzazione di emettitori di singolo fotone (SPE), elementi chiave per numerose applicazioni nelle tecnologie quantistiche, incluso il quantum sensing.

1) Ingegnerizzazione

1.1) Lezioni frontali

• Introduzione generale alle tecniche di etching chimico assistito da luce 
• Irraggiamento ionico per la modifica strutturale dei materiali: principi fisici cinetici e termodinamici, parametri di irraggiamento, apparati sperimentali.

1.2) Attività di laboratorio

• Modifica morfologica tramite Etching chimico foto-attivato di materiali comunemente usati per le tecnologie quantistiche
• Modifica strutturale tramite irraggiamento ionico dei substrati preparati 

2) Ottimizzazione

2.1) Lezioni teoriche

• Introduzione generale ai processi e ai parametri fisici basilari coinvolti nell’evoluzione di materiali sottoposti a processi termici 

2.2) Attività di laboratorio

• Processi termici dei substrati precedentemente analizzarti

3) Caratterizzazione ed elaborazione dei dati sperimentali

3.1) Lezioni teoriche

• Microscopia confocale: principi di base, apparato sperimentale.
• Analisi di interferometria mediante interferometro HBT: principi di base, apparato sperimentale.

3.2) Attività di laboratorio

• Analisi mediante microscopia elettronica a scansione dei substrati preparati e uso di software per l'analisi dei dati e delle immagini.
• Analisi mediante microscopia confocale della fotoluminescenza localizzata dei substrati preparati e uso del software per l'analisi sei dti e delle immagini
• Identificazione del fenomeno di autointerferenza mediante interferometro HBT (Hanbury-Brown-Twiss)
• Elaborazione e analisi dei dati sperimentali.

1. E. Rimini, “Ion Implantation: Basics to Device Fabrication”, Springer
2. James B. Pawley, "Handbook of biological Confocal Microscopy" Springer: Boston, MA, USA, 2006
3. Loudon, Rodney, and Marlan O. Scully. "The quantum theory of light." Physics Today 27.8 (1974): 48-48.
4. M. Razeghi, Technology of Quantum Devices, Springer, 2010 — Chapter: Semiconductor Device Processing.

L’esame finale consiste in una presentazione, preparata e discussa dallo studente, riguardante l'esperimento svolto durante il corso.  Nello specifico, lo studente dovrà presentare il metodo sperimentale e i risultati ottenuti riguardo l'ingegnerizzazione, il processo, e la caratterizzazione di un materiale di interesse quantistico. 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 l’analisi critica dei risultati sperimentali presentati.

Principi fisici della microscopia confocale

Principi fisici e caratteristiche tecniche alla base dei processi di etching foto-attivato

Principi e caratteristiche tecniche alla base del fenomeno di autointerferenza

Principi fisici e caratteristiche tecniche alla base dell'irraggiamento ionico