Summary of Physical Characterization of Materials With Laboratory

Course Syllabus

Italiano ‎(it)‎
English ‎(en)‎

Export

Obiettivi

Il corso comprende due parti con un unico esame finale.

La prima parte consiste in lezioni finalizzate alla presentazione dei concetti fondamentali della risposta dei materiali alle radiazioni elettromagnetiche, con particolare attenzione alla spettroscopia ottica e vibrazionale dei solidi, insieme alla descrizione di alcune tecniche sperimentali.
Le lezioni sono tenute in lingua inglese.

La seconda parte consiste in un'attività sperimentale svolta nei laboratori di ricerca del Dipartimento. In questa parte, gli studenti hanno l'opportunità di familiarizzare con moderne tecniche sperimentali utili per l'indagine dei materiali e di applicare i concetti appresi durante le lezioni.

Contenuti sintetici

Interazione della radiazione elettromagnetica con i materiali. Proprietà ottiche e vibrazionali dei solidi. Descrizione di alcune tecniche sperimentali spettroscopiche. Esecuzione di un'esperienza in un laboratorio di ricerca del Dipartimento.

Programma esteso

Lezioni

Interazione della radiazione elettromagnetica con i solidi: soluzione delle equazioni di Maxwell nella materia; analisi di cariche e correnti in un solido; polarizzabilità; suscettibilità; funzione dielettrica complessa e indice di rifrazione complesso; il tensore dielettrico; Modelli di Lorentz e Drude della risposta dei materiali ai campi elettromagnetici; il campo locale; funzioni di risposta lineare e relazioni di Kramers-Kronig.

Dispersione della luce elastica e anelastica. Fondamenti di assorbimento e riflettività; emissione ottica in stato stazionario e risolta in tempo. Meccanismi di allargamento di riga.

Descrizione di tecniche sperimentali per lo studio delle proprietà spettroscopiche dei materiali: spettroscopia di impedenza, risonanza di spin elettronico, scattering Raman e Brillouin, spettrofotometria di assorbimento a scansione e a trasformata di Fourier, eccitazione ed emissione di fotoluminescenza, scintillazione, metodi sperimentali per la valutazione dell'efficienza quantica di una transizione radiativa.

Fondamenti di risposta non lineare ai campi elettromagnetici: non linearità del secondo e del terzo ordine; esempi dell'origine della risposta non lineare nei materiali.

Attività sperimentali

Gli studenti saranno divisi in piccoli gruppi e lavoreranno sotto la supervisione di diversi ricercatori. Ad ogni gruppo verrà chiesto di svolgere un'attività sperimentale scelta tra i seguenti argomenti:
- Foto e radio-luminescenza di materiali luminescenti
- Indagini di risonanza di spin elettronico dei materiali
- Fotofisica di materiali organici
- Proprietà ottiche di materiali nanostrutturati
- Spettroscopia ottica con luce polarizzata
- Preparazione di campioni di polimero mediante estrusione e caratterizzazione delle loro proprietà meccaniche
- Modellistica computerizzata della crescita epitassiale: diffusione superficiale e rugosità superficiale

Prerequisiti

Conoscenza di struttura della materia (argomenti trattati nei corsi della laurea triennale in Scienza dei Materiali)

Modalità didattica

Lezioni e attività di laboratorio. La frequenza al laboratorio è obbligatoria, ed è fortemente consigliata per le lezioni. Durante l'emergenza Covid-19, le lezioni si terranno in modalità mista: videoregistrazioni asincrone/sincrone e alcuni eventi in presenza. La parte di laboratorio sarà organizzata in presenza.

Materiale didattico

Testi consigliati:

F. Wooten, “Optical properties of solids”, Academic Press

J. G. Solé, L.E. Bausà, D. Jaque, “Optical spectroscopy of Inorganic Solids”, Wiley

H. Kuzmany, “Solid State Spectroscopy”, Springer

B.E.A. Saleh and M.C. Teich, “Fundamentals of Photonics”, Wiley

Periodo di erogazione dell'insegnamento

Il corso ha durata annuale. Le lezioni sono svolte da Ottobre a Marzo, mentre il periodo di svolgimento della parte di laboratorio può essere scelto lungo tutto l'arco dell'anno a seguito di accordi con i professori responsabili dei singoli gruppi.

Modalità di verifica del profitto e valutazione

L'esame è in forma orale. Consiste di:
- una discussione sugli argomenti oggetto delle lezioni;
- una discussione sull'attività sperimentale, basata anche su una relazione scritta sugli esperimenti eseguiti. Gli studenti sono tenuti a consegnare alla docente la relazione in formato pdf via email almeno una settimana prima della data dell'esame.
Durante l'emergenza Covid-19, gli esami sono svolti in modalità da remoto usando la piattaforma Webex; nella pagina e-learning del corso viene pubblicato un link per consentire l'accesso all'esame anche da parte di possibili spettatori virtuali.

Orario di ricevimento

8 - 18

Gli studenti possono prendere appuntamento con la docente tramite e-mail per colloqui individuali.

Export

Aims

The course includes two parts with one final examination.

The first part consists in lessons aimed at the presentation of the fundamental concepts of the response of materials to electromagnetic radiation, with major focus on the optical and vibrational spectroscopy of solids, together with the description of selected experimental techniques. The lessons are given in English.

The second part consists in an experimental activity carried out in the research laboratories of the Department. In this part, students have the opportunity to become familiar with up to date experimental techniques useful for the investigation of materials, and to apply the concepts learned during the lessons.

Interaction of materials with electromagnetic radiation. Optical and vibrational spectroscopy of solids. Introduction to selected experimental spectroscopy techniques. Execution of an experimental activity in a research laboratory of the Department.

Detailed program

Lessons

Interactions between electromagnetic radiation and solids: solution of Maxwell's equations in matter; analyses of charges and currents in a solid; polarizability; susceptibility; the complex dielectric function and the complex refractive index; the dielectric tensor; Lorentz and Drude models of the response of materials to electromagnetic fields; the local field; linear response functions and Kramers-Kronig relations.

Light dispersion: elastic and anelastic scattering. Fundamentals of absorption and reflectivity; steady state and time resolved optical emission. Mechanisms of line broadening. Description of experimental techniques for the investigation of spectroscopic properties of materials: impedance spectroscopy, electron spin resonance, Raman and Brillouin scattering, scanning and Fourier transform absorption spectrophotometers, photoluminescence excitation and emission, scintillation, experimental methods for the evaluation of the quantum efficiency of a radiative transition.

Fundamentals of non linear response to electromagnetic fields: second and third order non linearity; examples of the origin of non linear response in materials.

Experimental activities

The students will be divided into small groups and they will work under the supervision of different researchers. Each group will be asked to perform one experimental activity among the following topics:

- Photo- and radio-luminescence of luminescent materials

- Electron spin resonance investigations of materials

- Photophysics of organic materials

- Optical properties of nanostructured materials

- Optical spectroscopy using polarized light

- Preparation of polymer samples by extrusion and characterization of their mechanical properties

- Computer modeling of epitaxial growth: surface diffusion and surface roughness

Prerequisites

Fundamentals of the structure of matter acquired during the bachelor course

Teaching form

Lessons and lab activities. Course attendance is mandatory for the experimental part, and strongly suggested for the lessons. During the Covid-19 emergency period, lessons will take place in a mixed mode: asynchronous/synchronous videotaped lessons and partial presence. The lab part will be organized in presence.

Textbook and teaching resource

Suggested textbooks:

F. Wooten, “Optical properties of solids”, Academic Press

J. G. Solé, L.E. Bausà, D. Jaque, “Optical spectroscopy of Inorganic Solids”, Wiley

H. Kuzmany, “Solid State Spectroscopy”, Springer

B.E.A. Saleh and M.C. Teich, “Fundamentals of Photonics”, Wiley

Semester

The course has an annual duration. Lessons are given from October to March, while the period for the lab part can be chosen along the whole year, upon agreement with the professors responsible for each group.

Assessment method

The examination is in oral form. It consists in:

- a discussion about the topics treated during the lessons

- a discussion about the experimental activity undertaken in the laboratory, also based on the written report. Students are asked to send the report to the professor by email in word or in pdf format at least one week before the exam.

During the Covid-19 emergency situation, the exams will be held remote mode. The exams will be carried out using the Webex platform; in the e-learning page of the course there will be a public link for access to the examination of possible external audience.