PRESENTAZIONE

Si tratta di un corso sulle  proprietà ottiche dei materiali e sui metodi sperimentali di base per studiarle.  Il corso  illustra in particolare il metodo dell' ellissometria spettroscopica. Sono  richieste conoscenze di base di elettromagnetismo nei dielettrici, onde,  fisica dello stato solido. Il corso è  rivolto prevalentemente a studenti in fisica della materia, scienza dei materiali e chimica.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Il corso ha lo scopo di offrire un’introduzione di base ai principali metodi spettroscopici per lo studio delle proprietà ottiche dei materiali.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Fornire una introduzione esauriente ai processi di interazione della luce con varie classi di materiali nell’ambito dell’ottica lineare, con riferimento alle applicazioni scientifiche e tecnologiche più recenti.  Una parte rilevante del corso riguarda l'applicazione dei metodi ottici ai nanomateriali quali film ultrasottili e nanoparticelle. Attraverso l'attività di laboratorio si vogliono sviluppare competenze di base di spettroscopia ottica e di ellissometria spettroscopica. 

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni frontali. Dimostrazioni in laboratorio. Esercitazioni in laboratorio.

PROGRAMMA/CONTENUTO

A. Modelli Classici

1. Introduzione

Processi ottici fondamentali. Classificazione dei materiali rispetto alle loro proprietà ottiche.

2. Propagazione classica nei dielettrici omogenei e isotropi e nei metalli.

Oscillatore di Lorentz. Funzione dielettrica e indice di rifrazione complesso.  Modello a molte risonanze.  Relazioni di Kramers- Kronig.   Dispersione normale e formule di interpolazione per l’indice di rifrazione (Cauchy, Sellmeyer).  Proprietà ottiche dei vetri e altri isolanti amorfi. Conseguenze della dispersione. Prismi. Dispersione della velocità di gruppo. Modello di Drude per portatori liberi. Funzione dielettrica dei metalli semplici.  Limite delle basse frequenze. Frequenza di plasma. Oscillazioni di plasma del gas di elettroni liberi.  Il caso dell’alluminio.  

3. Materiali non omogenei

Relazione di Clausius – Mossotti. Mezzi dielettrici eterogenei.  Approssimazione di mezzo efficace:  formule  di Maxwell-Garnett, Bruggeman, Lorentz-Lorenz.

4. Dielettrici anisotropi

Birifrangenza. Raggio ordinario e straordinario. Calcite.  Tensore dielettrico.

B.   Interfacce: riflessione e rifrazione

5.  Riflettometria ed ellissometria

Coefficienti di Fresnel.  Angolo di Brewster. Angolo critico. Rappresentazione di Jones degli stati di polarizzazione. Matrici di Jones.  Descrizione matriciale dei principali componenti ottici ( con dimostrazioni  in laboratorio).
Riflettività.  Ellissometria: Δ e Ψ. Relazione fondamentale dell’ellissometria. Riflettività ed ellissometria da un sistema isotropo substrato + film sottile.  Strumentazione e metodi di misura.  Ellissometria di zero ( con dimostrazione in laboratorio) .  Ellissometria spettroscopica: principali configurazioni ( con dimostrazioni in laboratorio). Funzione di trasferimento del sistema ellissometro/campione con il metodo delle matrici di Jones.   
Esperienza di laboratorio: riflettometria ed ellissometria spettroscopica da semplici sistemi: superfici di Au e di vetri. Effetti di superficie: rugosità e contaminazione
Esperienza di laboratorio:  ellissometria  spettroscopica da film sottili ed  ultrasottili. Misura dello spessore di uno strato di ossido  su Si  (regione di trasparenza)

C.   Modelli quantici per l’assorbimento ottico

6.  Transizioni interbanda

Struttura a bande semplificata di semiconduttori. Gap diretto: calcolo della probabilità di transizione vicino alla soglia di assorbimento.  Gap indiretto: transizioni assistite da fononi.  Confronto con dati sperimentali.  Effetti di bassa temperatura. Struttura a bande complete. Transizioni lontane dalla soglia: effetti del parallelismo tra bande.  Soglia di assorbimento in ossidi amorfi.   Transizioni interbanda nei metalli nobili.
Esperienza di laboratorio:  ellissometria spettroscopica da wafer di Si (regione di assorbimento)
Esperienza di laboratorio: ellissometria spettroscopica da film di ossidi amorfi. Determinazione del gap ottico.

7.  Eccitoni. Processi di luminescenza.

Eccitoni in materiali puri: dati sperimentali.  Eccitoni fortemente e debolmente legati. Semplici modelli.  Semiconduttori molecolari.  Processi e misure di luminescenza.  Materiali per LED ( eterostrutture). Materiali per applicazioni fotovoltaiche. Eccitoni in nuovi materiali 2D.

D.   Proprietà ottiche di film sottili, ultrasottili  e nanostrutturati 

8.  Nanoparticelle

Nanoparticelle metalliche. Assorbimento e scattering. Risonanze plasmoniche.  Aggregati di particelle. Materiali nanogranulari e nanoporosi. Sistemi 2D organizzati di nanoparticelle metalliche. Plasmonica nel visibile e nell’UV.  Metodi ottici spettroscopici per lo studio di proprietà ottiche di nanostrutture a semiconduttore per la fotonica. Sensori plasmonici per gas e bio-molecole.

9.  Film ultrasottili e nuovi materiali 2D

Film Langmuir-Blodgett  e self-assembled monolayers organici. Proprietà ottiche del grafene e di nuovi materiali semiconduttori 2D ( WS2.WSe2 , etc)

10  Multistrati sottili

Calcolo del coefficiente di riflessione e trasmissione per i multistrati. Specchi e  filtri ottici interferenziali. Specchi “perfetti” per interferometri.  Metamateriali. Cristalli fotonici ( seminario ad invito). Riflettori di Bragg naturali (cenni).  Film ultrasottili magnetici. Effetto Kerr magneto-ottico.

Esperienza di laboratorio: ellissometria spettroscopica da multistrati di ossidi amorfi

11. Spettroscopia Raman 

Principi. Strumentazione di base. Spettroscopia Raman "surface-enhanced"

Esperienza di laboratorio: Micro-Spettroscopia Raman da “fiocchi” ultrasottili di semiconduttori

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Libro di testo: M. Fox, Optical properties of Solids, Oxford University press

Saranno inoltre disponibili su aulaweb gli appunti (slides) del corso.

Testi utili per consultazione ( disponibili presso la biblioteca del DIFI):

H. Arwin, Thin Film Optics and Polarized Light

O. Stenzel The Physics of Thin Film Optical Spectra, Springer

E. Hecht, Optics, Addison Wesley

H. Tompkins, W.A. Mc Gahan, Spectroscopic Ellipsometry and Reflectometry, Wiley,

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

MAURIZIO CANEPA (Presidente)

SILVANA TERRENI

FRANCESCO BISIO (Presidente Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Secondo semestre anno accademico 2020/21

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

Seminario dello studente su un argomento di ricerca che sviluppi uno o più temi del corso. Il tema del seminario è da concordarsi con il docente almeno tre settimane prima dell'esame.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Presenza frequente ed attiva alle lezioni e alle attività di laboratorio.  Valutazione del seminario proposto in sede di esame: coerenza con gli obbiettivi formativi del corso, validità e grado di approfondimento dei contenuti presentati,  capacità di analisi critica degli argomenti trattati.