Course Syllabus
Obiettivi
Il corso ha due obiettivi: da un lato, completare le conoscenze acquisite durante i corsi di Fisica dello stato solido, rispondendo alla domanda fondamentale: cosa succede alle proprietà di un solido perfetto ed infinito quando la periodicità del reticolo finisce in una superficie? D'altro canto, intende fornire le basi per tutte le applicazioni della fisica dei semiconduttori, della fisica dei dispositivi elettronici e delle nanotecnologie, che coinvolgono inevitabilmente superfici, interfacce e deposizioni epitassiali. L'approccio è sia teorico che sperimentale
Contenuti sintetici
Fisica delle superfici libere (3CFU): La tecnologia del vuoto; Caratterizzazione chimica, strutturale e morfologica delle superfici; Stati elettronici e ricostruzioni nei metalli e nei semiconduttori; Il blocco del livello di Fermi da stati di superficie; Stati vibrazionali superficiali;
Fisica delle Interfacce (1 CFU): Aspetti strutturali delle interfacce e difetti estesi; L’eterogiunzione semiconduttore-semiconduttore e la giunzione metallo-semiconduttore; L'interfaccia silicio - ossido di silicio;
Assorbimento e Diffusione (1CFU): Fisisorbimento, Chemisorbimento; Diffusione superficiale, aspetti cinetici della deposizione e dell'etching; Termodinamica delle superfici e costruzione di Wulff;
Crescita Epitassiale di Film Sottili (1 CFU): Modello di capillarità nella crescita epitassiale; Tecnologie per la deposizione e per la deposizione selettiva; Crescita e caratterizzazione di film sottili e relativi difetti; Nucleazione e crescita di punti quantici; Crescita di nanofili assiali e radiali.
Programma esteso
Introduzione alla FdS, l’UHV e la preparazione delle superfici
Metodi di analisi chimica e fisica della contaminazione superfici
Reticoli diretti e reciproci in 2D, ricostruzioni superficiali
Diffrazione di elettroni da superfici, LEED, analisi dei pattern
Analisi strutturali per scattering di ioni
Analisi strutturali per scanning probes: STM, (SEM cenni)
Elettroni alle superfici metalliche e rilassamenti a segni alterni
Stati elettronici di superfici nel modello 1D del Nearly Free Electron e stati di Schokley
Richiami del metodo Tight Binding sp3 a primi vicini
Catena lineare TB e stati di superficie di Tamm
Lo sviluppo in momenti della Local Density of States alla sup.
Proiezione stati di superficie e di bulk su piano superficiale
Fotoemissione risolta in angolo e dispersione bande: ARUPS
Misura di stati elettronici di superficie nei metalli
Stati elettronici di superficie e ricostruzioni in silicio
Pinning del livello di Fermi da stati di superficie
Stati elettronici di superficie in III-V e polari
Ampiezza di vibrazione alla superficie e melting superficiale
Onde di Rayleigh alla superficie nel modello continuo elastico
Fononi di superficie nel modello 1D della catena lineare
Estensione alle 3D e proiezione sul piano superficiale; tecnica di calcolo dello slab
Determinazione sperimentale della dispersione fononica
Esempi di dispersioni fononiche realistiche in alogenuri alcalini, metalli e semiconduttori
Struttura delle interfacce e teoria delle dislocazioni da misfit, con richiami di teoria del continuo elastico
Calcolo e misura dello spessore critico di un film per il rilassamento plastico da dislocazioni
Richiami di space-charge layers alle superfici di semiconduttori
Introduzione all’allineamento delle bande alle interfacce: MIGS
Allineamento di bande e loro misura in semiconduttori: VIGS
Termodinamica: energia di superficie e tensione superficiale
Termodinamica: diagramma di Wulff e anisotropie in ϒ
Teoria del fisisorbimento con alcuni esempi
Teoria del chemisorbimento con alcuni esempi
Cinetica dei processi di adsorbimento
Cinetica della diffusione di atomi e molecole alla superficie
Cinetica del desorbimento, isoterma di Langimur; transizioni di fase a 2 dimensioni
Termodinamica di superficie e costruzione di Wulff
Introduzione alla cinetica della epitassia
Introduzione alla tecnica di crescita Molecular beam Epitaxy
Le 3 modalità di crescita epitassiale e il modello di capillarità
Crescita epitassiale di quantum dots Ge/Si: introduzione
Crescita epitassiale di quantum dots Ge/Si: modelli di nucleazione e crescita
Crescita epitassiale di nanowires: introduzione
Crescita epitassiale di nanowires: strutture assiali e strutture radiali
Prerequisiti
Corso avanzato in Fisica dello Stato Solido
Modalità didattica
Lezioni Frontali
Materiale didattico
TESTO PRINCIPALE
H. Luth, Solid Surfaces.., Sixth Edition, Springer 2015;
TESTI AUSILIARI
Zangwill, Physics at Surfaces, Cambridge 1990;
J.E. Ayres, Heteroepitaxy of Sem., CRC Press, 2007;
Prutton, Introd. to Surface P., Oxford UP 1994;
J.A. Venables, Introd. to Surface.., Cambridge 2000;
J.B. Hudson Surface Science, Wiley IP 1998.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale, consistente in due o tre domande su parti diverse del corso, in cui viene richiesto di appoggiare la propria illustrazione dell'argomento con grafici, equazioni, o dati numerici del caso. Il voto assegnato e' espresso in trentesimi.
Orario di ricevimento
per appuntamento tramite richiesta e-mail a leo.miglio@unimib.it. Solitamente i Lunedi', Mercoledi e Venerdì.
Aims
The course has two targets: on the one hand, to
complete the knowledge acquired during the courses of Solid State Physics,
answering the fundamental question: what happens to the properties of a perfect
and infinite solid when the lattice periodicity ends at a surface? On the other
hand, it is intended to provide the basis for all applications of Semiconductor
Physics, Physics of Electronic Devices and Nanotechnologies, inevitably
involving surfaces, interfaces and epitaxial depositions. The approach is both
theoretical and experimental.
Contents
Free Surfaces (3 CFU): Vacuum technology; Chemical, structural, and morphological characterization of surfaces; Electronic states and reconstructions at metal and semiconductor surfaces; Pinning of the Fermi level by surface/interface states; Vibrational states at surfaces;
Interfaces (1 CFU): Structural issues at interfaces and extended defects; The metal-semiconductor junction; The semiconductor-semiconductor heterojunction; The Silicon-Silicon Oxide interface;
Absorption, Diffusion and Desorption (1 CFU): Physisorption; Chemisorption; Surface diffusion; Desorption; Kinetic issues occurring at deposition/etching; Thermodynamics of surfaces and Wulff construction;
Epitaxial Growth (1 CFU): Capillarity model of epitaxial growth; Technologies for the epitaxial growth and selected area deposition; Growth of thin films and misfit defects; Nucleation and growth of epitaxial quantum dots; Growth of axial and radial nanowires.
Detailed program
Introduction to FdS, UHV and surface preparation
Methods of chemical and physical analysis of surface contamination
Direct and reciprocal 2D lattices, surface reconstructions
Diffraction of electrons from surfaces, LEED, analysis of the patterns
Structural analyzes for ion scattering
Structural analysis for scanning probes: STM, (SEM outline)
Electrons to metal surfaces and alterations with alternating signs
Electronic states of surfaces in the Nearly Free Electron 1D model and Schokley states
Recalls of the Tight Binding sp3 method to first neighbors
Linear chain TB and Tamm surface states
The development in moments of the Local Density of States at the sup.
Surface and bulk surface projection
Photoemission resolved in angle and dispersion bands: ARUPS
Measurement of surface electronic states in metals
Surface electronic states and silicon reconstructions
Pinning of the Fermi level from surface states
Surface electronic states in III-V and polar
Amplitude of vibration at the surface and surface melting
Rayleigh waves at the surface in the continuous elastic pattern
Surface phonons in the 1D model of the linear chain
Extension to 3D and projection on the surface plane; slab calculation technique
Experimental determination of the phononic dispersion
Examples of realistic phononic dispersions in alkaline halides, metals and semiconductors
Structure of the interfaces and theory of misfit dislocations, with references to the theory of continuous elasticity
Calculation and measurement of the critical thickness of a film for plastic relaxation from dislocations
Recalls of space-charge layers to semiconductor surfaces
Introduction to the alignment of the bands to the interfaces: MIGS
Alignment of bands and their measurement in semiconductors: VIGS
Thermodynamics: surface energy and surface tension
Thermodynamics: Wulff diagram and anisotropies in Υ
Physisorption theory with some examples
Chemisorption theory with some examples
Kinetics of adsorption processes
Kinetics of the diffusion of atoms and molecules at the surface
Desorption kinetics, Langimur isotherm; 2-phase phase transitions
Surface thermodynamics and Wulff construction
Introduction to the kinetics of epitaxy
Introduction to the Molecular beam Epitaxy growth technique
The 3 forms of epitaxial growth and the model of capillarity
Epitaxial growth of quantum dots Ge / Si: introduction
Epitaxial growth of quantum dots Ge / Si: nucleation and growth models
Epitaxial growth of nanowires: introduction
Epitaxial growth of nanowires: axial structures and radial structuresPrerequisites
Advanced Course in Solid State Physics
Teaching form
Lessons
Textbook and teaching resource
MAIN TEXT
H. Luth, Solid Surfaces.., Sixth Edition, Springer 2015;
ADDITIONAL TEXTS
Zangwill, Physics at Surfaces, Cambridge 1990;
J.E. Ayres, Heteroepitaxy of Sem., CRC Press, 2007;
Prutton, Introd. to Surface P., Oxford UP 1994;
J.A. Venables, Introd. to Surface.., Cambridge 2000;
J.B. Hudson Surface Science, Wiley IP 1998.
Semester
Second semester
Assessment method
Oral examination, consisting in two, or three questions on different parts of the course, where the illustration of the topic is requested to be accompanied by sketches, equations or numerical data, depending on the case. The final mark is given di a numerical scale, from 18 to 30 cum laude.
Office hours
by appointment after e-mail request at leo.miglio@unimib.it. Usually on Monday, Wednesday and Friday.
Students' evaluation
Staff
- Leonida Miglio