PRESENTAZIONE

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OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Il corso esplorerà la rilevanza di superfici e interfacce nella nanoscienza e per le nanotecnologie. Il corso introdurrà a) le quantità termodinamiche in eccesso alla superficie; b) la struttura cristallina alle superficie, rilassamento e ricostruzione, c) le proprietà dello stato elettronico fondamentale e la struttura a bande di superficie e gli stati elettronici di superficie; d) le proprietà magnetiche di superficie. Verranno discussi casi speciali relativi a superfici di semiconduttori, ossidi ed isolanti. Le proprietà di grafene, altri materiali bidimensionali e film ultrasottili verranno discussi rispetto alla dimensionalità con estensioni a dimensioni inferiori per fili atomici, scalini alla superficie e cluster di atomi. Verranno trattati gli stati eccitati: lo spettro fononico di superficie, eccitazioni elettroniche e magnetiche. Connessioni con la plasmonica, le celle solari e la fotochimica verranno sottolineate. L'interazione gas superficie fisisorbimento e chemisorbimento, dinamica dell'interazione, desorbimento, coefficienti di cattura e semplici reazioni chimiche verranno discussi. Verranno introdotti i fenomeni di crescita cristallina, MBE, CVD, tecniche di ablazione, films e clusters e autoassemblamento di monostrati, strutture artificiali alla nanoscala e funzionalizzazione della superficie, i metodi sperimentali per la caratterizzazione di superficie quali le Scanning Probe Microscopies e metodi di Diffrazione, sensibili alla superficie e le spettroscopie vibrazionali ed elettroniche.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Rilevanza delle superfici e delle interfacce nelle nanoscienze e nelle nanotecnologie. Il corso introdurrà: a) le grandezze di eccesso superficiale e le proprietà termodinamiche delle superfici; b) la struttura cristallografica superficiale, inclusi i fenomeni di rilassamento e ricostruzione; c) le proprietà dello stato fondamentale elettronico superficiale e gli stati di superficie; d) le proprietà magnetiche superficiali. Verranno discussi casi specifici relativi a superfici di semiconduttori, ossidi e isolanti, grafene e altri film ultrasottili, analizzandone la dimensionalità con estensione a una e zero dimensioni (es. fili atomici, gradini superficiali e cluster). Saranno trattati gli stati eccitati superficiali: spettri fononici di superficie ed eccitazioni elettroniche e magnetiche superficiali. Verranno inoltre evidenziati i collegamenti con la plasmonica, la conversione di energia nelle celle solari e la chimica fotoindotta. Saranno oggetto di discussione l'interazione gas-superficie, la fisisorbimento e la chemisorbimento, la dinamica dell'interazione, l'adsorbimento, il desorbimento, il coefficiente di adesione (*sticking*) e semplici reazioni catalitiche. Verranno introdotti argomenti quali la crescita cristallina, le tecniche MBE, CVD e di ablazione, i film e i cluster su scala nanometrica, nonché i monostrati auto-assemblati, le nanostrutture artificiali e la funzionalizzazione delle superfici. Infine, saranno presentati metodi sperimentali per la caratterizzazione delle superfici, come la microscopia a sonda a scansione (*Scanning Probe Microscopy*) e le tecniche di diffrazione, oltre alle spettroscopie elettroniche e vibrazionali sensibili alla superficie.

PREREQUISITI

Introduzione alle proprietà dello stato solido, principi della meccanica quantistica

MODALITA' DIDATTICHE

I concetti teorici verranno introdotti tramite lezioni frontali.

Le attività di laboratorio integreranno tali lezioni e forniranno ulteriori competenze.

La frequenza del laboratorio è obbligatoria.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Lezioni frontali (40 ore):

Struttura cristallografica superficiale.

    Piano geometrico superficiale e reticolo superficiale bidimensionale, cella unitaria e proprietà di simmetria, rilassamento e ricostruzione superficiale.
    Reticoli diretto e reciproco.
    Notazione della struttura superficiale: superfici a bassi indici di Miller, superfici vicinali, superreticoli.
    Esempi di ricostruzione di superfici metalliche e semiconduttrici.
    Modifica della struttura superficiale tramite fisisorbimento e chemisorbimento; modalità di crescita del cristallo.
    Determinazione della struttura superficiale: metodi di diffrazione vs microscopia.
    Diffrazione di elettroni a bassa energia (LEED); trattamento dello scattering multiplo e LEED dinamico.
    Scattering a piccolo angolo e alta risoluzione nello spazio reciproco.
    Microscopia elettronica a bassa energia e microscopie a sonda locale (STM, AFM).
    Caratterizzazione della composizione superficiale: spettroscopia Auger e fotoemissione indotta da raggi X.

Termodinamica delle superfici.

    Grandezze di eccesso superficiale.
    Energia superficiale, tensione superficiale e lavoro necessario per creare una superficie.
    Capacità termica superficiale.
    Energia superficiale e composizione superficiale nella segregazione di leghe.
    Crescita di isole e fenomeni di maturazione (ripening).

Dinamica reticolare superficiale.

    Spettro dei fononi superficiali, bande del bulk e modi superficiali.
    Onda di Rayleigh.
    Anomalie dei fononi superficiali.
    Spettroscopie vibrazionali e di desorbimento termico.
    Temperatura di Debye superficiale.

Proprietà elettroniche superficiali.

    Modello "jellium": potenziale interno e funzione lavoro.
    Strato dipolare superficiale e dipendenza della funzione lavoro dall'orientazione cristallografica.
    Struttura a bande superficiale, densità degli stati superficiali e stati superficiali.
    Stati immagine e implicazioni per la fotochimica.
    Eccitazioni elettroniche e plasmoni superficiali.

Grafene e altri cristalli bidimensionali.

    Proprietà elettroniche e dinamica reticolare in sistemi puramente bidimensionali.

Adsorbimento di gas e catalisi.

    Monostrati auto-assemblati e nanostrutture artificiali.
    Fisisorbimento vs Chemisorbimento.
    Interazione gas-superficie.
    Stati precursori.
    Adsorbimento attivato.
    Esempi di reazioni catalitiche in fase eterogenea.

Attività di laboratorio (12 ore).

    Diffrazione di elettroni a bassa energia (LEED).
    Spettroscopie di fotoemissione X e Auger.
    Microscopie a sonda locale: STM, AFM.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Gabor A. Somorjai e Yimin Li: Introduction to Surface Chemistry and Catalysis, seconda edizione, Wiley.
Le slide del docente e altro materiale saranno forniti agli studenti dal docente stesso.

DOCENTI E COMMISSIONI

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

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 consisterà in un colloquio orale. Agli studenti verrà chiesto di rispondere a due domande riguardanti:

a) i concetti teorici e la loro applicazione nella scienza dei materiali

b) i metodi sperimentali illustrati durante l'attività di laboratorio.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Il livello raggiunto dagli studenti sarà valutato tenendo conto di:

a) l'appropriatezza del linguaggio utilizzato per rispondere alle domande e la chiarezza dei grafici impiegati a supporto delle risposte.

b) la capacità di esporre chiaramente i metodi utilizzati nella parte sperimentale del corso.

c) la conoscenza dei concetti fondamentali della scienza delle superfici trattati nelle lezioni teoriche.

d) la capacità di individuare i metodi sperimentali necessari per la misura delle principali grandezze osservabili (ad es.: struttura superficiale, dispersione fononica, eccitazioni elettroniche, proprietà di adsorbimento).

ALTRE INFORMAZIONI

Studenti con disabilità e disturbi specifici dell'apprendimento (DSA): Gli studenti con disabilità o disturbi specifici dell'apprendimento (DSA) possono richiedere adattamenti per gli esami. La certificazione deve essere caricata sul sito web dell'Università all'indirizzo servizionline.unige.it nella sezione "Studenti". La documentazione verrà verificata dal Servizio di Inclusione per Studenti con Disabilità e DSA dell'Università ((https://rubrica.unige.it/strutture/struttura/100111). Successivamente, con largo anticipo (almeno 7 giorni) rispetto alla data dell'esame, è necessario compilare l'apposito modulo online (https://modulionline.unige.it/richiesta-adattamenti#no-back).
Per ulteriori informazioni sulla richiesta di servizi e adattamenti, si prega di consultare il link https://unige.it/disabilita-dsa/richiesta-servizi