CHIMICA DEI MATERIALI E MODELING COMPUTAZIONALE
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- SIMONE MELONI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Primo Semestre
- SSD
- CHIM/03
Obiettivi formativi
- Il corso di CHIMICA DEI MATERIALI E MODELING COMPUTAZIONALE si pone l’obiettivo di fornire agli studenti le conoscenze basilari della chimica dei materiali: le proprie proprietà elettroniche, ottiche e meccaniche dei solidi e come queste possano essere calcolate attraverso metodi computazionali.
Le principali conoscenze acquisite riguarderanno la struttura atomica di solidi cristallini; le conseguenze della struttura atomica dei cristalli sulla loro struttura elettronica; gli orbitali nei cristalli, la struttura a bande di isolanti, semiconduttori e metalli; effetto e conseguenze dei difetti cristallini e superfici sulla struttura elettronica dei solidi; proprietà ottiche (spettri) e dinamica vibrazionale dei solidi. Sulla base delle conoscenze formate nella prima parte del corso verranno introdotti esempi di dispositivi optoelettronici, e.g. celle fotovoltaiche, e convertitori di energia basati sull'elettrificazione per contatto.
Verranno anche descritti i metodi computazionali per lo studio della struttura atomica ed elettronica dei solidi e la previsione delle loro proprietà, che si useranno nelle esercitazioni pratiche. Prerequisiti
- Non vi sono regole di propedeuticità ma si consiglia vivamente di aver acquisito i concetti di base di matematica, meccanica (fisica) e meccanica quantistica (chimica-fisica).
Contenuti del corso
- Il corso prevede 36 ore (6 CFU) divise tra didattica frontale ed esercitazioni di laboratorio computazionale.
Gli argomenti affrontati saranno:
1 - La struttura atomica di solidi cristallini.
2 - La struttura elettronica dei solidi: il teorema di Bloch.
3 - Struttura a bande dei solidi dal modello dell’elettrone quasi-libero e modello "tight binding".
4 - Struttura a bande di isolanti, semiconduttori e metalli.
5 - Teoria di Hartree-Fock, ricapitolazione
6 - Teoria del funzionale della densità (DFT)
7 - Metodi computazionali per la chimica dello stato solido: basi di onde piane, pseudo-potenziali, campionamento della zona di Brilluoin.
8 - Metodi per l'evoluzione dei nuclei: ottimizzazione di geometria, dinamica molecolare Born-Oppenheimer e Car-Parrinello.
9 - Struttura a bande dei solidi
10 - Difetti cristallini e superfici e loro effetto sulla struttura elettronica;
Selezionate applicazioni per illustrare l'utilizzo dei metodi computazionali:
11 - Proprietà ottiche (spettri) dei solidi.
12 - Compressibilità dei solidi.
13 - Elettrificazione per contatto.
Il corso prevede delle esercitazioni pratiche al computer nelle quali lo studente mettere' alla prova le competenze acquisite nella parte teorica del corso calcolando alcune proprietà di materiali Metodi didattici
- Il corso è organizzato in 36 ore di didattica di stampo teorico al fine di trasferire e spiegare i contenuti del programma, accompagnata dall’inserimento di esempi pratici che potranno esser svolti sul computer degli studenti o su macchine messe a disposizione dal docente.
Sarà scopo del corso anche il rafforzamento della capacità di collegare il mondo macroscopico osservato con quello microscopico attraverso il linguaggio simbolico della chimica dello stato solido, nonché usare le tecniche di computing per meglio illustrare gli argomenti descritti nella parte teorica del corso. Modalità di verifica dell'apprendimento
- Obiettivo della prova d’esame è verificare se lo studente abbia raggiunto gli obiettivi formativi di questo insegnamento.
Lo studente potra' scegliere se svolgere una prova tradizionale, consistente in un colloquio basato su domande e risposte, o svolgere un piccolo progetto computazionale che illustrerà al docente per mezzo di una presentazione, al quale seguirà una discussione sui risultati del progetto e sui temi teorici connessi. Testi di riferimento
- I libri che trattano gli argomenti in questo corso sono molti, lo studente può scegliere tra i tanti libri di introduzione alla chimica e fisica dello stato solido - e.g. Ashcroft, Kittel, etc. Un libro che ci sentiamo di consigliare, anche per la struttura concisa e il basso costo (versione paperback) è
- Solid State Theory, W. A. Harrison, Dover
Inoltre, lo studente riceverà a complemento del materiale selezionato dal docente.
