1015741 - MATERIALS AND NANOSTRUCTURES LABORATORY

Gli obiettivi formativi specifici di questo corso sono legati a tre aspetti: 1) sintesi, 2) processo e 3) caratterizzazione di materiali e nanostrutture, nonché l’elaborazione e analisi dei dati sperimentali.

In particolare:

1) Sintesi

• comprensione dei fenomeni fisici (termodinamici e cinetici) alla base della formazione di materiali e nanostrutture;
• acquisizione di conoscenze e competenze sulla preparazione di materiali e nanostrutture nel contesto degli sviluppi più recenti;
• acquisizione di conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla sintesi di materiali e nanostrutture (tecniche di deposizione in fase vapore, tecniche di deposizione in fase liquida).

2) Processo

• comprensione dei fenomeni fisici (termodinamici e cinetici) alla base dell'evoluzione morfologica/strutturale di materiali e nanostrutture indotta da processi post-sintesi (processi termici, irraggiamento ionico);
• acquisizione di conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla modifica morfologica/strutturale di materiali e nanostrutture (forni, impiantatore ionico).

3) Caratterizzazione ed elaborazione dei dati sperimentali

• comprensione dei fenomeni fisici alla base della caratterizzazione morfologica, strutturale, composizionale, ed elettronica in tecniche di caratterizzazione per materiali e nanostrutture;
• acquisizione di conoscenze e competenze sulla caratterizzazione di materiali e nanostrutture nel contesto degli sviluppi più recenti;
• acquisizione delle conoscenze di base sui principi di funzionamento della strumentazione scientifica atta alla caratterizzazione di materiali e nanostrutture (microscopia elettronica a scansione, spettrometria di retrodiffusione alla Rutherford, analisi elettrochimiche);
• acquisizione di autonomia e capacità critica nell’elaborazione dei dati sperimentali (valutazione accurata degli errori sperimentali e della sensibilità delle diverse tecniche analitiche) e capacità di produrre un resoconto scientifico (documento di testo o presentazione) che riassuma una procedura sperimentale e illustri, criticamente, i risultati ottenuti.

Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, il corso mira a fornire le seguenti conoscenze e competenze trasversali:

Conoscenza e capacità di comprensione:

• Comprensione critica degli sviluppi più recenti della Fisica Moderna, sia teorici che sperimentali, e delle loro interrelazioni tra diverse materie;
• Padronanza del metodo scientifico, comprensione della natura e dei metodi della ricerca in Fisica.

Capacità di applicare conoscenza:

• Capacità di identificare gli elementi essenziali di un fenomeno in termini di ordini di grandezza e livello di approssimazione, e capacità di eseguire le approssimazioni necessarie;
• Capacità di utilizzare l’analogia come strumento per applicare soluzioni conosciute a nuovi problemi (problem-solving);
• Capacità di pianificare e applicare procedure sperimentali e teoriche per risolvere problemi nella ricerca accademica o applicata, o per migliorare risultati esistenti;
• Capacità di utilizzare strumenti analitici e numerici, o di calcolo scientifico, compreso lo sviluppo di software.

Autonomia di giudizio:

• Consapevolezza delle questioni di sicurezza nelle attività di laboratorio;
• Capacità di argomentare le proprie interpretazioni dei fenomeni fisici durante le discussioni all’interno di un team di ricerca.

Abilità comunicative:

• Capacità di discutere concetti fisici avanzati, sia in italiano che in inglese;
• Capacità di presentare la propria attività di ricerca o un argomento di ricerca sia a un pubblico esperto che a un pubblico non esperto.

Abilità di apprendimento:

• Capacità di acquisire strumenti adeguati per l’aggiornamento continuo delle proprie conoscenze;
• Capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo specifico di competenza che in campi strettamente correlati;
• Capacità di sfruttare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche per estrarre informazioni e suggerimenti per meglio inquadrare e sviluppare la propria attività di studio e ricerca.

Lezioni frontali: 3 CFU per un totale di 21 ore

Attività di laboratorio: 3 CFU per un totale di 45 ore

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, comprese le tecniche di sputtering, evaporazione, epitassia da fasci molecolari, deposizione chimica da fase vapore, deposizione di strati atomici, deposizione da bagno chimico, deposizione idrotermale, e deposizione elettrochimica.

Deposizione di film sottili e nanostrutture su substrati mediante sputtering: principi fisici cinetici e termodinamici, parametri di deposizione, apparati sperimentali.

A.2) Attività di laboratorio

Deposizione di film sottili su substrati mediante la tecnica di sputtering;

Deposizione di nanostrutture da bagno chimico.

B) Processo

B.1) Lezioni teoriche

Introduzione generale ai processi e ai parametri fisici basilari coinvolti nell’evoluzione di materiali e nanostrutture sottoposte a processi termici e di impianto/irraggiamento ionico.

B.2) Attività di laboratorio

Processi termici di film sottili o nanostrutture depositati su substrati;

Impianto/irraggiamento ionico di film sottili o nanostrutture.

C) Caratterizzazione ed elaborazione dei dati sperimentali

C.1) Lezioni teoriche

Microscopia elettronica a scansione: principi di base, interazione elettrone-materia, apparato sperimentale.

Spettrometria di retrodiffusione alla Rutherford (RBS): cinematica delle collisioni, sezione d’urto, perdita di energia, apparato sperimentale.

Interpretazione fisica e caratterizzazione delle interfacce metallo/liquido e semiconduttore/liquido mediante tecniche elettrochimiche, compresa la misura della resistenza al trasferimento di carica, il potenziale di banda piatta e la concentrazione di drogante, apparato sperimentale.

C.2) Attività di laboratorio

Analisi mediante microscopia elettronica a scansione di film sottili e nanostrutture su substrati; uso di software per l'analisi dei dati e delle immagini.

Acquisizione e analisi degli spettri RBS di film sottili o nanostrutture tramite software adeguato (RUMP e/o SimNRA).

Misura delle proprietà delle interfacce metallo/liquido e semiconduttore/liquido mediante diverse tecniche elettrochimiche, compresa la spettroscopia di impedenza elettrochimica e l’analisi di Mott-Schottky.

Elaborazione e analisi dei dati sperimentali.

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.    K. B. Oldham and J. C. Myland, “Fundamentals of Electrochemical Science” Academic Press

4.    L. Feldman, J. Mayer “Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis” North-Holland Ed.

5.    K.-N. Tu, J. W. Mayer, L. C. Feldman, “Electronic Thin Film Science” Macmillan Publishing Company

6.    E. Rimini, “Ion Implantation: Basics to Device Fabrication”, Springer

7.    L. Reimer, Scanning Electron Microscopy- Physics of Image Formation and Microanalysis, Springer 1998

8.    J. I. Goldstein et al., Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, Springer 2018

L’esame finale consiste in una presentazione, preparata e discussa dallo studente, riguardante uno degli esperimenti del corso (a scelta dello studente). Nello specifico, lo studente dovrà presentare il metodo sperimentale e i risultati ottenuti riguardo la sintesi, il processo, e la caratterizzazione di una nanostruttura. Dalla discussione della presentazione saranno poi possibili domande su tutti gli argomenti oggetto del programma.

Alla formulazione del voto finale concorreranno in egual misura la padronanza mostrata nelle argomentazioni qualitative e quantitative, e l’analisi critica dei risultati sperimentali presentati.

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 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 alla base dei processi di deposizione da fase liquida di nanostrutture

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 della spettrometria di retrodiffusione alla Rutherford

Principi e caratteristiche tecniche alla base delle misure elettrochimiche delle proprietà di film sottili e nanostrutture a base di metalli e/o semiconduttori in liquido