9794367 - METODOLOGIE AVANZATE DI SINTESI E CARATTERIZZAZIONE DI MATERIALI NANOSTRUTTURATI

Il corso ha come principale obiettivo formativo lo sviluppo di conoscenze nell’ambito della sintesi e caratterizzazione di materiali in forma di film sottili, ultrasottili e sistemi nano strutturati tramite metodologie avanzate.

• Conoscenza e capacità di comprensione: Acquisire conoscenze teoriche e sperimentali su metodologie di sintesi avanzate per la preparazione di materiali in forma di film sottili, ultrasottili e sistemi nano strutturati. Acquisire conoscenze sulle principali tecniche di caratterizzazione strutturale, morfologico e composizionale dei materiali. 
• Conoscenza e capacità di comprensione applicate: Capacità di applicare quanto appreso durante le lezioni frontali in esperimenti di sintesi di materiali e caratterizzazione svolte nel corso del laboratorio.
• Autonomia di giudizio: Gli studenti imparano a valutare in modo obiettivo quanto appreso durante le lezioni e le attività di laboratorio
• Abilità comunicative: Gli studenti acquisiscono abilità comunicative che si sviluppano sia durante le lezioni e le attività di laboratorio, grazie ad una continua interlocuzione verbale con il docente, che durante l'esame orale. 
• Capacità di apprendimento: Le capacità di apprendimento vengono valutate tramite l'esame orale e le relazioni di laboratorio che costituiscono parte importante del corso.

 Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze.

LEZIONI FRONTALI   (6 CFU)

Tecniche di deposizione di film sottili attraverso processi chimici (chemical vapor deposition e metal-organic CVD, atomic layer deposition, chemical beam epitaxy, sol-gel) o fisici (epitassia da fasci molecolari). Sintesi di nanostrutture da fase vapore o da soluzione: effetto dei parametri di processo e di templanti hard e soft. Relazioni struttura/proprietà dei materiali. Materiali a struttura perovskitica e proprietà di conduzione: superconduttori, dielettrici, ferroelettrici.  Celle a combustibile ad ossidi solidi: elettrodi, elettroliti a conduzione protonica e a conduzione di ioni ossido. Tecniche di caratterizzazione nella preparazione di materiali. Diffrazione di raggi X (XRD) di polveri, film orientati ed epitassiali: identificazione di fasi, determinazione delle dimensioni dei domini, curve di rocking e figure polari. Microscopie elettroniche: principi base e applicazioni della microscopia a scansione elettronica (SEM), cenni di microscopia a trasmissione elettronica (TEM). Microanalisi di raggi X in dispersione di energia e di lunghezza d’onda.

Metodologie avanzate di sintesi

• Atomic layer deposition (ALD)
  •  Principi teorici: ALD temporale e ALD spaziale
  • Casi studio: deposizione ossidi semplici (Al2O3); sintesi cristalli fotonici; deposizione sistemi multicomponenti.

• Chemical Vapor Deposition (CVD) e Metal-Organic-CVD (MOCVD)
  •  Principi teorici: fenomeni di trasporto; meccanismi e cinetica di reazione; nucleazione e crescita.
  • Casi studio: deposizione ossidi semplici e ossidi multicomponenti; deposizione film fluoruri.
  • Processi di interesse industriale: deposizione di GaN, AlN e SiC.

• Epitassia da fasci molecolari (MBE)
  • Principi teorici.
  • Applicazioni alla crescita di film epitassiali.

• Chemical Beam Epitaxy
  • Principi teorici e applicazioni.

• Tecniche di deposizione sol-gel
  • Principi teorici.Applicazioni alla sintesi di film, sistemi ibridi, nanoparticelle tramite processo Stober.

• Precursori per processi da fase vapore e da soluzione

• Sintesi di materiali nano strutturati
  • Definizione di nanostrutture.
  • Approcci sintetici per la sintesi di nanostrutture.
  • Sintesi di nanorod e nanotubi da fase vapore.
  • Sintesi di nanoparticelle e nanostrutture da soluzione

• Sintesi di monolayer
  • Molecular layer deposition per la deposizione di monostrati.
  • Cenni sulla sintesi di self-assembled monolayer da soluzione.

Tipologie di materiali

• Struttura delle perovskiti
  • Descrizione della struttura e fattore di tolleranza
  • Relazione struttura-proprietà

•  Perovskiti con proprietà di conduzione ionica
  • Descrizione conducibilità ionica di tipo intrinseco ed estrinseco.
  • Celle a combustibile ad ossidi solidi.

• Perovskiti con proprietà dielettriche
  • Piezoelettrici, piroelettrici e ferroelettrici.
  • Applicazioni in energy harvester.
  • Cenni su piezotronica, piezofotonica e  piezo-fototronica

• Materiali a base di perovskiti con proprietà di superconduttori
  • Principi base e superconduttori I e II tipo.
  • Cenni teoria BCS.
  • Casi studio di sistemi a base di superconduttori ad alta Tc.

Metodologie di caratterizzazione

• Diffrazione di raggi X:
  • Produzione di raggi X.
  • Informazioni ottenibili da un diffrattogramma: natura amorfa o cristallina, identificazione della fase, dimensione dei grani.
  • Reticoli cristallini e assenze sistematiche.
  • Diffrazioni da polveri e film sottili: calcolo parametri di cella.
  • Cenni sul cristallo singolo: sfera di Ewald
  • Caratterizzazione avanzata di materiali: curve di rocking e figure polari nella caratterizzazione di campioni orientati ed epitassiali 

• Microscopia a scansione elettronica
  • Principi generali.
  • Fascio elettronico da filamento di tungsteno, cristallo di LaB6, o FEG (Field Emission Gun).
  • Volume di interazione,  eventi elastici e anelastici, specie prodotte.
  • Detector degli elettroni secondari e backscattered.

• Microanalisi EDX (Energy Dispersive X-ray Analysis)
  • Tipologia detector
  • Analisi qualitativa e quantitativa  (metodo ZAF).
  • Mappe e scan-line tramite EDX.

• Microanalisi WDX (Wavelength Dispersive X-ray Analysis):
  • Descrizione spettrometro e tipologia cristalli
  • Analisi qualitativa e quantitativa.
  • Vantaggi e svantaggi delle due microanalisi

1)  A. R. West “Basic Solid State Chemistry and its Applications” Wiley, 2012;  

2)  B. D. Fahlman “Materials Chemistry” 3rd Edition, Springer, 2018; 

3) Editor R.  Fisher, "Precursor Chemistry of Advanced Materials: CVD, ALD and Nanoparticles", Springer, 2010.

4) L. V. Interrante e M. J. Hampden-Smith Chemistry of Advanced Materials Wiley-VCH, 1998.  

Dispense del docente.

Esami orali e relazioni di laboratorio. 

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Esempi di domande

- Tecniche di sintesi di film sottili.

- Atomic Layer Deposition.

- Epitassia da fasci molecolari: applicazioni e vantaggi.

- Sol-gel: applicazioni alla sintesi di materiali in fvarie forme.

- Conducibilità ionica e celle SOFCs.

- Nanostrutture da fase vapore.

- Materiali dielettrici: Proprietà e applicazioni.

- Materiali Ferroelettrici.

- Diffrazione di raggi X: analisi di fase, curve di rocking e figure polari.

- Caratterizzazione morfologica dei materiali: microscopia a scansione elettronica.

- Microanalisi di raggi X in dispersione di energia e di lunghezza d'onda.