PRESENTAZIONE

Si tratta di un corso sulle proprietà ottiche dei materiali e dei nanomateriali, sui metodi sperimentali spettroscopici per studiarle e sulle loro applicazioni nell'ambito della fotonica. Il corso è rivolto prevalentemente agli studenti di fisica e scienza dei materiali ma può essere utile anche a studenti di chimica ed ingegneria. Per quanto riguarda gli studenti in fisica il corso è utile per studi di fisica della materia, fisica applicata, fisica dei rivelatori. 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". Il corso prevede una parte in laboratorio, dimostrativa ed esperienziale.

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 ed aggiornata ai processi di interazione della luce con varie classi di materiali, con riferimento alle applicazioni scientifiche e tecnologiche più recenti della fotonica, comprese le tecnologie quantistiche e i materiali per la transizione ecologica.  Una parte rilevante del corso riguarda l'applicazione dei metodi ottici ai nanomateriali quali film ultrasottili funzionali, nanoparticelle, quantum dots, nuovi materiali semiconduttori bidimensionali, nanocompositi. Attraverso l'attività di laboratorio, dimostrativa ed esperienziale,  basata su un ampio ventaglio di strumenti allo stato dell’arte,  si vogliono sviluppare competenze operative di base in diverse spettroscopie e micro-spettrocoopie ottiche utilizzate nei laboratori di fisica dei materiali, quali ad esempio l’ellissometria spettroscopica  a larga banda e la spettroscopia Raman.

PREREQUISITI

Sono richieste conoscenze di elettromagnetismo ed onde, a livello dei corsi di fisica generale, e conoscenze di base di meccanica quantistica. Utili conoscenze di base di ottica e di nozioni elementari di fisica dello stato solido.

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni frontali. Dimostrazioni interattive in laboratorio.

PROGRAMMA/CONTENUTO

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

1. Assorbimento, dispersione e scattering

1.1 Funzione dielettrica e indice di rifrazione complesso in regime di risposta lineare di materiali omogenei e isotropi (OI)
Modelli per elettroni legati. Risonanze multiple.  Relazioni di Kramers- Kronig.  Dielettrici densi. Modelli fenomenologici per dispersione normale (Sellmeier, Cauchy).  Conseguenze della dispersione. Modelli per metalli semplici.  Frequenza di plasma.  Materiali conduttori non metallici.

1.2 Oltre i materiali OI
Materiali compositi: modelli di mezzo efficace e modifiche di Maxwell-Garnett e Bruggemann alla relazione di Clausius-Mossotti. Anisotropia: tensore dielettrico e birifrangenza.

B.   Interfacce, metamateriali.

2. Riflessione e rifrazione.  Interfacce multiple.
Piano di incidenza e polarizzazione s e p. Coefficienti di Fresnel.  Angolo di Brewster. Angolo critico.  Calcolo del coefficiente di riflessione e trasmissione per film sottili e multistrati dielettrici isotropi. Riflettori di Bragg e filtri ottici interferenziali. Specchi “perfetti”.   

3.  Metodi sperimentali (I).  Formalismo di Jones. Sistemi ottici per la manipolazione della polarizzazione.  Esperimenti in trasmissione. Metodi sperimentali per ellissometria a singola lunghezza d’onda e spettroscopica a larga banda.  Configurazione di Kretschmann e risonanza plasmonica di superficie (SPR).

 C.   Luce & Materiali (II). Struttura a bande e proprietà ottiche.

4.  Transizioni interbanda
Struttura a bande di semiconduttori. Soglia fondamentale di assorbimento. Gap diretto: regola d’oro di Fermi e probabilità di transizione ottica vicino alla soglia.  Colore dei semiconduttori. Gap indiretto: transizioni assistite da fononi.  Confronto con dati sperimentali.  Effetti di bassa temperatura. Transizioni lontane dalla soglia ed effetti di banda.  Effetto dei difetti e del drogaggio. Struttura a bande e transizioni interbanda nei metalli nobili.

5.  Eccitoni e luminescenza.
Eccitoni in semiconduttori puri.  Eccitoni fortemente e debolmente legati. Processi di luminescenza. Materiali per generazione e rivelazione di radiazione e per applicazioni fotovoltaiche. Semiconduttori molecolari.

6. Proprietà ottiche di materiali ottici amorfi.  
Semiconduttori ed isolanti amorfi. Ossidi amorfi misti di metalli di transizione. Soglia fondamentale di assorbimento. Coda di Urbach e correlazione con le proprietà strutturali. Assorbimenti ottici da stati localizzati. Applicazioni in interferometria.    

7. Metodi sperimentali (II)

Spettrometria e micro-spettrometria Raman. Misure di fotoluminescenzaTecniche ottiche interferenziali: misura di perdite ottiche in strati dielettrici in regime di dispersione normale.

D.    Luce & Materiali (III). Nanofotonica (con seminari di esperti ad invito).

8.  Plasmonica ed eccitonica.

Materiali, metodi e modelli per la nano-plasmonica nel visibile e nell’UV. Sensori plasmonici. Nuovi semiconduttori e dielettrici 2D ed eterostrutture ultrasottili.  Nuovi materiali per i punti quantici. Materiali ibridi plasmo-eccitonici (“Plexcitonics”).

9.  Metamateriali ultrasottili
Materiali iperbolici. Materiali “epsilon-near-zero”. Sistemi MIM (metal-insulator-metal). Nano -multistrati.  Cristalli fotonici e riflettori di Bragg naturali (cenni). Radiatori fotonici passivi per ingegneria solare. Monostrati organici auto-organizzati e applicazioni per biosensori ottici.

10. Metodi sperimentali (III).  

Spettroscopie ottiche risolte spazialmente. Spettroscopie ottiche ultraveloci risolte in tempo.

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

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Dal 17 febbraio 2025 secondo l'orario riportato qui 

Orari delle lezioni

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

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame prevede un seminario di circa 30' su un argomento a scelta compreso nel programma. Discussione. Saranno effettuate domande di approfondimento . 

Per gli studenti con disabilità o con DSA si rimanda alla sezione Altre Informazioni.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Contenuti del seminario. Capacità di sintesi.  Chiarezza espositiva.

ALTRE INFORMAZIONI

Si ricorda alle studentesse e agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell'apprendimento (DSA) che per poter richiedere adattamenti in sede d'esame occorre prima inserire la certificazione sul sito web di Ateneo alla pagina servizionline.unige.it nella sezione “Studenti”. La documentazione sarà verificata dal Settore servizi per l’inclusione degli studenti con disabilità e con DSA dell’Ateneo, come indicato sul sito federato al link: FISICA 9012 | Studenti con disabilità e/o DSA | UniGe | Università di Genova | Corsi di Studio UniGe

Successivamente, con significativo anticipo (almeno 10 giorni) rispetto alla data di esame occorre inviare una e-mail al/alla docente con cui si sosterrà la prova di esame, inserendo in copia conoscenza sia il docente Referente di Scuola per l'inclusione degli studenti con disabilità e con DSA (sergio.didomizio@unige.it) sia il Settore sopra indicato. Nella e-mail occorre specificare:

•            la denominazione dell’insegnamento

•            la data dell'appello

•            il cognome, nome e numero di matricola dello studente

•            gli strumenti compensativi e le misure dispensative ritenuti funzionali e richiesti.

Il/la referente confermerà al/alla docente che il/la richiedente ha diritto a fare richiesta di adattamenti in sede d'esame e che tali adattamenti devono essere concordati con il/la docente. Il/la docente risponderà comunicando se sia possibile utilizzare gli adattamenti richiesti.

Le richieste devono essere inviate almeno 10 giorni prima della data dell’appello al fine di consentire al/alla docente di valutarne il contenuto. In particolare, nel caso in cui si intenda usufruire di mappe concettuali per l’esame (che devono essere molto più sintetiche rispetto alle mappe usate per lo studio) se l’invio non rispetta i tempi previsti non vi sarà il tempo tecnico necessario per apportare eventuali modifiche.

Per ulteriori informazioni in merito alla richiesta di servizi e adattamenti consultare il documento: Linee guida per la richiesta di servizi, di strumenti compensativi e/o di misure dispensative e di ausili specifici