PRESENTAZIONE

Si tratta di un corso sulle  proprietà ottiche dei materiali e dei nanomateriali e sui metodi sperimentali spettroscopici 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 agli studenti di fisica, scienza dei materiali e chimica ma può essere utile anche a studenti di ingegneria. Per quanto riguarda gli studenti in Scienza dei materiali le attività formative sono indicate sia per il profilo "Scienziato dei Materiali: Specialista nella Ricerca" e  per il profilo "Scienziato dei Materiali: Specialista nelle Tecnologie".

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Gli studenti matureranno competenze aggiornate sull'applicazione dei metodi spettroscopici allo studio delle proprietà ottiche di nano-materiali compositi di interesse nel campo della fotonica. Attraverso l'attività di laboratorio, dimostrativa ed esperienziale, gli studenti acquisiranno competenze di base di spettroscopia ottica e di ellissometria spettroscopica.

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 enuovi materiali 2D,  nanoparticelle, quantum dots. Attraverso l'attività di laboratorio si vogliono sviluppare competenze di base di spettroscopia ottica e di ellissometria spettroscopica. 

PREREQUISITI

La frequenza di corsi di elettromagnetismo e di meccanica quantistica di base è altamente consigliata.

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni frontali. Dimostrazioni in laboratorio. Esercitazioni in laboratorio.

PROGRAMMA/CONTENUTO

A. Luce & materiali (I): processi ottici fondamentali.

1. Assorbimento&Dispersione

1.1 Funzione dielettrica e indice di rifrazione complesso in regime di risposta lineare  di materiali omogenei  e isotropi (OI)
Oscillatore di Lorentz per elettroni legati. Funzione dielettrica e indice di rifrazione complesso.  Risonanze multiple.  Relazioni di Kramers- Kronig.  Modelli fenomenologici per dispersione normale (Sellmeyer, Cauchy).  Formula di Clausius-Mossotti per dielettrici densi.  Proprietà ottiche dei vetri e altri isolanti amorfi. Conseguenze della dispersione.

1.2 Oltre i materiali OI
Disomogeneità: modelli di mezzo efficace e modifiche alla relazione di Clausius-Mossotti. Anisotropia: tensore dielettrico e birifrangenza.

2. Portatori liberi
Funzione dielettrica di metalli semplici.  Oscillazioni di plasma del gas di elettroni.  Limite delle basse frequenze.   Materiali conduttori non metallici.

B.   Luce & strutture: interfacce.

3. Riflessione e rifrazione. Ellissometria.
Interfacce. Piano di incidenza e la polarizzazione s e p. Coefficienti di Fresnel.  Angolo di Brewster. Angolo critico. Rappresentazione di Jones degli stati di polarizzazione. Matrice di Jones di un campione non depolarizzante. Relazione fondamentale dell’ellissometria: Ψ e Δ.

4. Interfacce multiple.
Riflettività ed ellissometria da un sistema isotropo a film sottile. Calcolo del coefficiente di riflessione e trasmissione per multistrati isotropi. Specchi e filtri ottici interferenziali. Specchi “perfetti”.   

5.  Strumentazione e metodi di misura (con dimostrazioni in laboratorio).  
Componenti ottici per gli esperimenti (sorgenti, monocromatori, polarizzatori, compensatori). Descrizione matriciale dei principali componenti ottici.  Ellissometria di zero a singola lunghezza d’onda. Effetto Kerr magneto-ottico. Ellissometria spettroscopica. Funzione di trasferimento di sistemi ottici con il metodo di Jones.   Configurazione di Kretschmann e risonanza plasmonica di superficie (SPR). Spettroscopie ottiche risolte spazialmente. Spettroscopie ottiche ultraveloci risolte in tempo.
 

C.   Luce & Materiali (II). Modelli quantici: assorbimento, emissione e scattering.

6.  Transizioni interbanda
Struttura a bande di semiconduttori. Soglia di assorbimento. Gap diretto: probabilità di transizione vicino alla soglia.  Colore dei semiconduttori. Gap indiretto: transizioni assistite da fononi.  Confronto con dati sperimentali.  Effetti di bassa temperatura. Transizioni lontane dalla soglia: effetti del parallelismo tra bande.  Effetto dei difetti e del drogaggio. Soglia di assorbimento in semiconduttori ed isolanti amorfi.  Struttura a bande dei metalli nobili. Transizioni interbanda ed effetti di colore.

7.  Eccitoni e luminescenza.
Eccitoni in semiconduttori puri.  Eccitoni fortemente e debolmente legati.    Processi e misure di luminescenza.  Materiali per LED e per applicazioni fotovoltaiche. Semiconduttori molecolari.

8. Scattering Raman
Principi. Strumentazione di base. Spettrometri e Micro-spettrometri Raman (con dimostrazione in laboratorio).

D.    Luce & Materiali (III). Introduzione alla nano-fotonica (con seminari ad invito)

9.  Nano-metalli
Nanoparticelle metalliche. Assorbimento e scattering. Risonanze plasmoniche.  Aggregati di particelle. Materiali, metodi e modelli per la plasmonica nel visibile e nell’UV. Sistemi 2D organizzati di nanoparticelle. Sensori plasmonici per gas e bio-molecole.

10. Nano-semiconduttori
Eterostrutture ultrasottili e nuovi semiconduttori 2D.  Punti quantici.  Nuovi materiali per i punti quantici.

11.  Film ultrasottili
Metamateriali. Cristalli fotonici e riflettori di Bragg naturali (cenni). Film di Langmuir-Blodgett  e self-assembled monolayers organici.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

TESTI/BIBLIOGRAFIA

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

B. Culshaw – Introducing Photonics ( SPIE- Cambridge)

Saranno inoltre disponibili su aulaweb/TEAMS gli appunti (slides, in lingua inglese) del corso.

Testi utili per consultazione (disponibili presso la biblioteca di valle Puggia):

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)

MICHELE MAGNOZZI

SILVANA TERRENI

FRANCESCO BISIO (Presidente Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Secondo semestre anno accademico 2022/23

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. Il seminario può essere basata anche su attività di laboratorio.

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.