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.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Scopo dell'insegnamento è di comprendere il ruolo dei materiali funzionali nelle moderne tecnologie e l'approccio metodologico nella ricerca sui materiali attraverso lo studio di classi differenti di materiali funzionali.

Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di comprendere:

- Le funzionalità diverse dei materiali usati come sensori ed atttuatori

- I principi di funzionamento di differenti classi di materiali funzionali.

- Le principali tecniche di sintesi di questi materiali.

- I parametri chimico-fisici che consentono di migliorare l'implementazione di dispositivi.

PREREQUISITI

Insegnamenti fondamentali di chimica e chimica fisica

MODALITA' DIDATTICHE

L'insegnamento è articolato in lezioni frontali svolte dal docente e, quando possibile, da seminari tenuti da specialisti della materia a livello internazionale, In queste lezioni verrà esposta la teoria che verrà successivamente applicata a diversi esempi. Gli studenti potranno avvalersi del materiale messo a disposizione su Aulaweb. La frequenza alle lezioni è fortemente consigliata. 

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