SURFACE PHYSICS AND NANOSTRUCTURES
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- FEDERICO MONTONCELLO
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Primo Semestre
- SSD
- FIS/03
Obiettivi formativi
- Obiettivi trasversali:
Biomimetica: studio del comportamento della Natura a livello nanometrico ottenendone una Scienza utile a produrre nuova tecnologia.
Metamateriali: come la Geometria (lunghezza di scala, confinamento dimensionale, simmetrie, periodicità, comportamento frattale, irregolarità) conferisca alla Materia nuove proprietà generando nuove leggi fisiche (proprietà meccaniche, ottiche, chimiche) assenti senza la specifica geometria.
Fenomeni emergenti: come la complessità della materia condensata faccia emergere, a una lunghezza di scala maggiore, delle speciali regolarità che sarebbero imprevedibili a livello atomico, comportamenti collettivi descrivibili come quasi-particelle quantistiche.
Obiettivi specifici:
Conoscenza di fenomeni, teorie interpretative, leggi coinvolte e relative tecnologie riguardanti: 1. la fabbricazione di interfacce, superfici, e oggetti nanostrutturati; 2. l'interazione chimico-fisica di superfici e nanostrutture con le molecole dell'ambiente; 3. le principali eccitazioni collettive di superfici e nanostrutture; 4. l'interazione di superfici e nanostrutture con la radiazione elettromagnetica.
Abilità di descrizione matematica dei fenomeni fisici su scala nanometrica e delle tecnologie derivate.
Abilità di presentare il ragionamento scientifico che astrae regolarità dall’osservazione della Nature su scala nanometrica e ne ricava leggi fisiche e tecnologie.
Abilità di padroneggiare metaconcetti fisico-geometrici e topologico-tecnologici. Prerequisiti
- Conoscenze di base di Fisica dello stato solido
Contenuti del corso
- PRIMA PARTE
Introduzione alla fisica dei sistemi confinati e alle nanotecnologie. Fondamenti di tecnologia del vuoto: cinetica, termodinamica e fluidodinamica. Effetti di superficie e principi fisici corrispondenti. Ricoprimento, esposizione di superfici, isoterma di Langmuir. Regimi di vuoto. Misuratori di vuoto. Pompe da vuoto.
SECONDA PARTE
Fenomenologia della crescita di film. Principi di epitassia a raggio molecolare (MBE). Tecnica dello sputtering. Fondamenti di diffrazione elettronica a bassa energia, e ad alta energia in riflessione. Concetti frattali di crescita di film. Concetti di scala ed esponenti critici. Correlazioni. Random deposition. Ballistic deposition. Edward-Wilkinson and Kardar-Parisi-Zang equations. Teoria lineare della MBE. Analisi della competizione tra desorbimento e diffusione, e lunghezze di scala corrispondenti. Analisi sperimentale delle superfici: Microscopie a scansione: ad effetto tunnel, a forza atomica e a forza magnetica.
TERZA PARTE
Stati elettronici di superficie. Risonanze di superficie. Livelli di Shockley e di Tamm. Stati di superficie intrinseci ed estrinseci. Spettroscopia di fotoemissione. Clusters e nanocristalli. Confinamento di eccitoni e variazione dell'energy gap e delle proprietà ottiche nei semiconduttori nanostrutturati. Fononi di superficie. Riflettività e funzione dielettrica di superficie. Riflettività di superfici metalliche. Plasmoni da transizioni intra- e inter- banda. Polaritoni di superficie fononici e plasmonici. Electron energy loss spectroscopy (EELS). High resolution EELS. Plasmoni localizzati in nanoparticelle metalliche. Attivazione plasmonica. Sensori plasmonici. Cenno ai cristalli plasmonici e ai loro impieghi. Cristalli fotonici. Diagrammi a bande ottici.
QUARTA PARTE
Onde di spin in cristalli magnonici. Risonanza ferromagnetica e formula di Kittel. Effetti di confinamento. Effetto Hall quantistico. Introduzione al grafene: generalità, struttura molecolare e proprietà elettroniche, trasporto balistico ambipolare, assorbanza ottica saturabile, applicazioni. Metodi didattici
- Lezioni frontali. Laboratorio di simulazioni con MATLAB(R). Visite ad alcuni laboratori interni. Eventuali seminari di esperti del settore.
A.A. 2021/2022: Lezioni Registrate presenti sulla Classroom [dhpjnpu]. Incontri settimanali online via google-meet link della Classroom per colloquio, domande, approfondimenti o totale ripetizione di una lezione su richiesta degli studenti. Possibilità di incontri in presenza su richiesta esplicita fatta in largo anticipo. Modalità di verifica dell'apprendimento
- L'esame è orale, e diviso in tre parti, in cui lo studente discute tre diversi argomenti del corso. Il primo argomento è a scelta dello studente.
Testi di riferimento
- Appunti dal docente.
Testi di riferimento:
Luth H., Solid Surfaces, interfaces and thin films (Springer, Berlin, 2001).
L. Novotny B. Hecht, Principles of Nano-Optics, second edition (Cambridge).
MATLAB (R) software UNIFE free student release.
