OBIETTIVI FORMATIVI

L’insegnamento proposto intende fornire allo studente una panoramica aggiornata nel campo dei materiali funzionali inorganici con particolare riferimento alle tecniche di sintesi e processo, alle tecniche per la modifica controllata di materiali ed alle loro applicazioni più attuali. Introduction to processes for the preparation and modification of functional inorganic materials. Properties of the synthesized materials and their applications.

MODALITA' DIDATTICHE

Metodi tradizionali

PROGRAMMA/CONTENUTO

Principali tecniche di sintesi di materiali policristallini ed amorfi. Cinetica e meccanismo delle reazioni allo stato solido. Sintesi ceramica. Reazioni epitattiche e topotattiche. Metodo di sintesi per co-precipitazione e metodo dei precursori. Sintesi in flusso di metallo fuso. Sintesi meccanochimica. Processo di sinterizzazione. Sintesi di ceramici classici. Sintesi combustiva. Sintesi idrotermale. Sintesi con microonde. Processo di precipitazione: modello di LaMer. Processo sol-gel. Precursori e reazioni di idrolisi e condensazione; parametri influenzanti il processo. Invecchiamento e tecniche di essiccamento del gel. Aerogel. Esempi di sintesi di materiali mediante tecnica sol-gel.

Crescita di cristalli singoli di materiali funzionali: Principali materiali utilizzati come semiconduttori. Metodi di crescita dei cristalli singoli: crescita di cristalli singoli di Si con il processo Czochralski. Produzione di wafer di Si drogati P e N. Crescita cristalli singoli tramite “zone refinement”. Crescita con metodo Bridgman per GaAs.  

Tecniche di deposizione a film sottile. Processi di evaporazione e trasporto. Tasso di deposizione in PVD. Step coverage. Fasi e processi di deposizione. Crescita epitassiale. Tipologie diverse di matching. Substrati comunemente utilizzati. Eteroepitassia nei semiconduttori. Tecniche di crescita epitassiale (LPE, VPE, MOCVD, MBE). Fasci energetici: fasci elettronici, arco catodico ed anodico, laser pulsato, sputtering ionico. Chemical-vapor deposition (CVD) e confronto con PVD. Trasporto dei gas, reattori e tipiche reazioni globali utilizzate. Precursori. Deposizione di silice.

Materiali ibridi inorganici-organici; entrapping e grafting. Caratteristiche e proprietà dei composti di intercalazione. Sintesi di composti di intercalazione con esempi. Fenomeno di pillaring. Layer a diversa carica o neutri. Composti di intercalazione: a base di grafite, calcogenuri metallici, LixCoO2, LixMn2O4. Idrotalciti.

Caratteristiche e metodi di sintesi di materiali nanostrutturati.

Esempi di materiali funzionali:

Materiali a memoria di forma (leghe e materiali ceramici). Principi base delle transformazioni martensitiche. Meccanismi dell’effetto a memoria di forma e della superelasticità. Varie leghe a memoria di forma con speciale enfasi su Ti-Ni. Applicazioni varie come attuatori e smart materials. Leghe a memoria di forma ferromagnetiche.

Materiali per celle a combustibile. Vantaggi e svantaggi ed influenza sull'efficienza nei diversi tipi di celle a combustibile: Alkaline Fuel Cell. Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Phosphoric Acid Fuel Cells, Molten Carbonate Fuel Cells, Solid Oxide fuel Cells.

LED (light emitting diodes): Materiali utilizzati come LED. Dai LED-IR ai LED visibile. Un esempio dell’importanza delle tecniche di deposizione di film sottili: la costruzione del LED blu

Materiali inorganici per il fotovoltaico di prima, seconda e terza generazione.

Materiali termoelettrici: Effetto Seebeck ed effetto Peltier. Figura di merito zT. Moduli termoelettrici. Ottimizzazione della figura di merito.

Materiali piezoelettrici: Piezoelettricità e simmetria cristallina. Titanato zirconato di piombo e altri materiali perovskitici. Campi di applicazione.

Batterie a ioni Li e supercapacitori. Metodi di stoccaggio dell’energia: Batterie ad ioni Li e Supercapacitori. Rocking Chair di ioni Li. Scelta degli elettrodi per Li-ion. Principi di funzionamento dei supercapacitori e materiali di utilizzo.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Synthesis of Inorganic Materials, U.Schubert, N.Hüsing, Wiley-VCH, 2012

Basic Solid State Chemistry, A.R.West, Wiley-VCH, 1984

Solid State chemistry, Anthony R. West, J. Wiley e Sons 1990