SCIENZE CHIMICHEScienze chimicheAnno accademico 2023/2024

9794371 - MATERIALI OTTICI ED OPTOELETTRONICI

Docente: Guglielmo Guido CONDORELLI

Risultati di apprendimento attesi

I materiali ottici ed optoelettronici hanno un impatto significativo nella vita moderna. Essi includono una larga selezione dimateriali di diversa natura, sviluppati attraverso un approccio interdisciplinare chimico, fisico ed ingegneristico.

Si possono distinguere due gruppi di materiali ottici: materiali molecolari e di bulk, che vengono a loro volta vengono classificatiin base alla loro applicazione in ambito ottico/optoelettronico.

Pertanto, nel corso saranno presentate e discusse le principali famiglie di materiali ottici, in relazione alle loro proprietàmolecolari o di bulk, attraverso lo studio della loro struttura cristallina ed elettronica. Particolare attenzione sarà rivolta al design,alla sintesi e alla loro caratterizzazione, al fine di ottimizzarne le proprietà molecolari o di bulk, e la loro applicazione in dispositivioptoelettronici.

In riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

Conoscenza e capacità di comprensione : capacità di ragionamento induttivo e deduttivo. Capacità di comprendere la natura deimateriali investigati e relazionarne le proprietà alla loro struttura

Capacità di applicare conoscenza : capacità di applicare le conoscenze acquisite per la descrizione dei fenomeni ottici eoptoelettronici nonché della funzionalità dei materiali ad applicazioni specifiche utilizzando con rigore il metodo scientifico.

Autonomia di giudizio : capacità di ragionamento critico

Abilità comunicative: capacità di descrivere in forma orale, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomentoscientifico, illustrandone motivazioni e risultati.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazionirispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Prerequisiti richiesti

Fondamenti di Chimica Inorganica degli elementi dei gruppi principali e dei metalli di transizione. Fondamenti di ChimicaOrganica. Fondamenti di Chimica-Fisica.

Frequenza lezioni

Obbligatoria con le deroghe stabilite dal regolamento didattico del CdS in Scienze Chimiche

Contenuti del corso

1. Proprietà ottiche lineari e nonlineari : Polarizzabilità e proprietà ottiche lineari dei materiali. Cristalli birifrangenti. Elementi diottica nonlineare. Processi ottici nonlineari. Design e tecniche per la sintesi di materiali per ottica nonlineare. Materialielettroottici. Guide d’onda.

2. Materiali per fotonica ed optoelettronica: richiami di struttura elettronica  nei solidi.  Proprietà ottiche : elettroluminescenza, catodoluminescenza e fotoluminescenza. Materiali elettroluminescenti ad alto campo. Proprietà ottiche dei semiconduttori. Gap diretto e indiretto. Giunzione p-n. Materiali semiconduttori per elettroemissione a bassi campi. I semiconduttori composti (sistemi III-V, II-VI ecc.): ingegnerizzazione del band gap. I LASER. LASER a 2, 3 e 4 livelli. I materiali per il fotovoltaico:  inorganici, organici ed ibridi. Sistemi basati sulla  giunzione p-n: formazione dei portatori di carica, lunghezza di diffusione e ricombinazione. Il fotovoltaico organico e a colorante. Sistemi ibridi.  Parametri di una cella fotovoltaica.   Tecniche di preparazione dei dispositivi

3. Sensori ottici: Sensori chimici basati su processi di assorbimento, fluorescenza, o di risonanza, plasmonica di superficie:tecniche e materiali. Applicazioni dei sensori ottici in ambito alimentare, ambientale, e biomedico. Nanosensori.

4. Dispositivi ottici e optoelettronici : Display a raggi catodici, Dispositivi elettroluminescenti ad alto campo a base di polveri e film sottili.  LED.  Laser a semiconduttore,  a rubino e a Nd-YAG. Celle fotovoltaiche di prima generazione a base di Si mono e policristallino. Celle a film sottile CIGS, CdTe e a silicio amorfo. Celle di nuova generazione: DSSC e PSC.

Testi di riferimento

1. Slides delle lezioni in lingua inglese.

2. M. Wakaki, " Optical Materials and Applications", CRC Press, 2013.

3. Y.-L. Chang, "Efficient Organic Light-Emitting Diodes", Pan Stanford Publishing, 2015.

4. J. Singh, “Semiconductor optoelectronics”, Mc Graw Hill, 1995.

5. E. Rosencher and B. Vinter, “Optoelectronics”, Cambridge University Press, 2002.

6. S. Kasap, P. Capper “Handbook of Electronic and photonic Materials” Springer, 2017.

Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Proprietà ottiche lineari e nonlineariTutti i testi suggeriti affrontano in maniera soddisfacente gli argomenti trattati.
2Materiali per fotonica edoptoelettronicaTutti i testi suggeriti affrontano in maniera soddisfacente gli argomenti trattati.
3Sensori otticiTutti i testi suggeriti affrontano in maniera soddisfacente gli argomenti trattati.
4Dispositivi optoelettroniciTutti i testi suggeriti affrontano in maniera soddisfacente gli argomenti trattati.

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

Colloquio orale.

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

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

-Generazione della seconda armonica: condizione di phase-matching

-Effetto elettroottico

-Elettroluminescenza

-Celle fotovoltaiche

-Selettività e sensitività di un chemosensore ottico

-Funzionamento degli OLED

-Materiali per Dispositivi Elettroluminescenti ad alto campo

-Laser a semiconduttore

-Parametri importanti di una cella fotovoltaica

-Tipi di ricombinazione elettrone-lacuna


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