Il taglio di questo insegnamento è di tipo sperimentale.
Gli obbiettivi formativi specifici di questo corso sono inerenti ai tre aspetti di 1) sintesi, 2) processo, 3) caratterizzazione di nanostrutture e materiali e alla corrispondente elaborazione ed analisi dei dati sperimentali. In particolare:
Sintesi:
comprendere i fenomeni fisici (termodinamici e cinetici) alla base della formazione di nanostrutture e materiali
acquisire conoscenze e competenze circa la preparazione di nanostrutture e materiali, inquadrando tali conoscenze e competenze nel contesto generale degli sviluppi più recenti
acquisire conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla sintesi di nanostrutture e materiali (tecniche di deposizione da fase vapore in ultra-alto vuoto, tecniche di deposizione da fase liquida)
Processo:
comprendere i fenomeni fisici (termodinamici e cinetici) alla base dell’evoluzione morfologica/strutturale di nanostrutture e materiali così come indotta da processi post-sintesi (processi termici, irraggiamento ionico, ecc.)
acquisire conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla modifica strutturale/morfologica di nanostrutture e materiali (forni, impiantatore ionico)
Caratterizzazione ed elaborazione dati sperimentali:
comprendere i fenomeni fisici alla base di tecniche di caratterizzazione morfologica, strutturale, composizionale, ottica di nanostrutture e materiali.
acquisire conoscenze e competenze circa la caratterizzazione di nanostrutture e materiali, inquadrando tali conoscenze e competenze nel contesto generale degli sviluppi più recenti
acquisire conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla caratterizzazione di nanostrutture e materiali (microscopie avanzate, spettrometria ionica, spettroscopie ottiche)
acquisire autonomia e capacità critica nell’elaborazione di dati sperimentali (avendo contezza degli errori sperimentali e della sensibilità delle varie tecniche analitiche) e di produrre una relazione scientifica (documento o slides) che riassuma un percorso sperimentale eventualmente eseguito
Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:
Conoscenza e capacità di comprensione:
Comprensione critica degli sviluppi più avanzati della Fisica Moderna sia negli aspetti teorici che di laboratorio e delle loro interconnessioni, anche in campi interdisciplinari.
Notevole padronanza del metodo scientifico, e comprensione della natura e dei procedimenti della ricerca in Fisica.
Capacità di applicare conoscenza:
Capacità di identificare gli elementi essenziali di un fenomeno, in termini di ordine di grandezza e di livello di approssimazione necessario, ed essere in grado di effettuare le approssimazioni richieste.
Capacità di utilizzare lo strumento della analogia per applicare soluzioni conosciute a problemi nuovi (problem solving).
Capacità di progettare e di mettere in atto procedure sperimentali e teoriche per risolvere problemi della ricerca accademica e industriale o per il miglioramento dei risultati esistenti.
Capacità di utilizzo di strumenti di calcolo matematico analitico e numerico e delle tecnologie informatiche, incluso lo sviluppo di programmi software.
Autonomia di giudizio:
Consapevolezza dei problemi di sicurezza nell’attività di laboratorio.
Capacità di argomentare personali interpretazioni di fenomeni fisici, confrontandosi nell’ambito di gruppi di lavoro.
Abilità comunicative:
Capacità di comunicare in lingua italiana e in lingua inglese nei settori avanzati della Fisica.
Capacità di presentare una propria attività di ricerca o di rassegna a un pubblico di specialisti o di profani.
Capacità di apprendimento:
Capacità di acquisire adeguati strumenti conoscitivi per l'aggiornamento continuo delle conoscenze.
Capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo prescelto che in campi scientificamente vicini.
Capacità di utilizzare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche per estrarne informazioni e spunti atti a meglio inquadrare e sviluppare il proprio lavoro di studio e di ricerca.
Lezioni frontali: 3 cfu per un totale di 21 ore
Attività di laboratorio: 3 cfu per un totale di 45 ore
Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato sopra, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.
È preferibile avere acquisito conoscenze di base di Fisica dello stato solido, Fisica dei semiconduttori, Fisica dei materiali.
La frequenza sia alle lezioni frontali sia alle sedute in laboratorio è di norma obbligatoria.
A) Sintesi
A.1) Lezioni frontali
- Introduzione generale alle tecniche di deposizione da fase vapore e da fase liquida di film sottili e nanostrutture su substrati (sputtering, evaporazione, epitassia da fasci molecolari, deposizione chimica da fase vapore, deposizione di strati atomici, deposizione da bagno chimico, deposizione idrotermale, deposizione elettrochimica);
- Deposizione di film sottili e nanostrutture su substrati tramite “sputtering”: principi fisici cinetici e termodinamici, parametri di deposizione fondamentali, apparati sperimentali;
A.2) Attività in laboratorio
- Deposizioni di film sottili su substrati utilizzando la tecnica di sputtering;
- Deposizione di nanostrutture da bagno chimico.
B) Processo
B.1) Lezioni frontali
- Introduzione generale ai processi e parametri fisici basilari coinvolti nell’evoluzione di nanostrutture e materiali sottoposti a processi termici e processi di impiantazione/irraggiamento ionico.
B.2) Attività di laboratorio
- Processi termici di film sottili depositati su substrati;
- Impiantazione ionica di film sottili o nanostrutture.
C) Caratterizzazione ed elaborazione dati sperimentali
C.1) Lezioni frontali
- Microscopia elettronica a scansione: principi fisici basilari, interazione elettroni-materia, apparato sperimentale;
- Microscopia a forza atomica: principi fisici basilari, il principio della sonda locale, apparato sperimentale;
- Spettrometria di retrodiffusione alla Rutherford; cinemantica di collisione; sezione d’urto; perdita energetica;
- Introduzione alla risposta ottica dei materiali, la funzione dielettrica elettronica e vibrazionale;
- Strumenti e modalità di esecuzione delle misure.
C.2) Attività di laboratorio
- Analisi di microscopia a scansione elettronica della morfologia di film sottili e nanostrutture cresciute su substrati; utilizzo di software per analisi immagini e analisi dati;
- Analisi di microscopia a forza atomica della morfologia di film sottili e nanostrutture cresciute su substrati; utilizzo di software per analisi immagini e analisi dati;
- Analisi ed elaborazione dati ottenuti dalle tecniche microscopiche e confronto tra risultati ottenuti da analisi con microscopia a scansione elettronica e microscopia a forza atomica;
- Acquisizione di spettri RBS in laboratorio e analisi degli stessi tramite software apposito (RUMP and/or SimNRA);
- Esecuzione di misure di riflettività UV-Vis e IR;
- Elaborazione e analisi quantitativa dei dati.
1) P. M. Martin, Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings-Science, Applications, Technology, Elsevier 2005
2) K. Wasa, M. Kitabatake, H. Adachi, Thin Film Materials Technology-Sputtering of Compound Materials, William Andrew Publishing 2004
3) L. Reimer, Scanning Electron Microscopy- Physics of Image Formation and Microanalysis, Springer 1998
4) J. I. Goldstein et al., Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, Springer 2018
5) V. L. Mironov, Fondamenti di Microscopia a scansione di Sonda, Accademia Russa delle Scienze 2004
6) A. Foster, W. Hofer, Scanning Probe Microscopy- Atomic Scale Engineering by Forces and Currents, Springer 2006.
7) L. Feldman, J. Mayer “Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis” North-Holland Ed.
8) K.-N. Tu, J. W. Mayer, L. C. Feldman, “Electronic Thin Film Science” Macmillan Publishing Company
9) E. Rimini, “Ion Implantation: Basics to Device Fabrication”, Springer
10) K. B. Oldham and J. C. Myland, “Fundamentals of Electrochemical Science” Academic Press
11) H. Kuzmany, Solid State Spectroscopy, Addison-Wesley
12) Garcia Solé, An introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, John Wiley & Son
Tutte le informazioni logistiche e organizzative sul corso nonché materiale didattico sono pubblicate pagina del corso sul portale Studium (http://studium.unict.it) e sul sito personale del docente (https://nanostar.jimdofree.com/didattica-materials-and-nanostructures-lab/)
Argomenti | Riferimenti testi | |
1 | Processi di crescita di film sottili: deposizioni fisiche da fase vapore; meccanismi e parametri basilari | Testi 1, 2 |
2 | Tecnica di deposizione di film sottili e nanostrutture tramite fenomeno di sputtering: concetti basilari dell’interazione ione-materia, caratteristiche del fenomeno di sputtering, apparati di deposizione, DC-sputtering, RF-sputtering, magnetron-sputtering | Testi 1, 2 |
3 | Processi di sintesi da bagno chimico (deposizione da bagno chimico, deposizione idrotermale, deposizione elettrochimica) | Testo 10 |
4 | Processi cinetici di atomi depositati su superfici e caratteristiche generali morfologiche e strutturali di film sottili depositati su superfici tramite tecnica di sputtering | Testi 1, 2 |
5 | Deposizioni in laboratorio di film sottili su substrati utilizzando il processo di sputtering | Testi 1, 2 |
6 | Deposizioni in laboratorio di nanostrutture da bagno chimico | Testo 10 |
7 | Processo di modifica di materiali indotto da fasci ionici: teoria e laboratorio | Testi 7,8,9 |
8 | Spettrometria di retrodiffusione alla Rutherford: teoria e laboratorio | Testi 7,8,9 |
9 | Microscopia elettronica a scansione: principi fisici basilari, interazione elettroni-materia, apparato sperimentale, metodologie di analisi e acquisizione immagini, ottimizzazione dei parametri di acquisizione e della risoluzione, artefatti | Testi 3, 4 |
10 | Analisi in laboratorio delle caratteristiche morfologiche di film sottili e nanostrutture cresciute su substrati tramite microscopia elettronica a scansione, analisi immagini e analisi dati | Testi 3, 4 |
11 | Microscopie a scansione di sonda: principi fisici basilari, caratteristiche della microscopia a scansione tunnel e della microscopia a forza atomica, apparati sperimentali, metodologie di analisi e acquisizione immagini, ottimizzazione dei parametri di acquisizione e della risoluzione, artefatti | Testi 5, 6 |
12 | Analisi in laboratorio delle caratteristiche morfologiche di film sottili e nanostrutture cresciute su substrati tramite microscopia a forza atomica, analisi immagini e analisi dati | Testi 5, 6 |
13 | Descrizione delle caratteristiche basilari del software “Origin” per l’analisi dati 14) Strumentazione per spettroscopie ottiche | Testi 11, 12 |
14 | La risposta ottica dei materiali, la funzione dielettrica elettronica e vibrazionale | Testi 11, 12 |
15 | Esecuzione, calibrazione della misura e analisi dei dati | Testi 11, 12 |
L'esame finale consiste in una tesina/presentazione (opzionale) preparata e discussa dallo studente e che includa almeno un argomento dell’ambito caratterizzazione ed elaborazione dato sperimentali. A partire, poi, dalla discussione della tesina/presentazione saranno possibili domande su tutti gli argomenti oggetto del programma.
La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via
telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.
Principi fisici dell’interazione ione-materia
Principi fisici dell’interazione elettrone-materia
Principi fisici e caratteristiche tecniche alla base del microscopio elettronico a scansione
Principi fisici e caratteristiche tecniche alla base delle microscopie a scansione di sonda
Principi fisici e caratteristiche della spettrometria di retrodiffusione alla Rutherford
Principi fisici e caratteristiche tecniche alla base dei processi di deposizione fisica da fase vapore di film sottili con particolare riferimento al processo di sputtering
Principi e caratteristiche tecniche di deposizione da bagno chimico o elettrochimico
Strumentazione per spettroscopia ottica
Spettroscopie vibrazionali
Spettroscopie con raggi X
Spettroscopie in riflessione e assorbimento