Syllabus del corso

Esporta

Fornire allo studente le basi per la comprensione delle proprietà fisiche dei materiali e della loro misura.


Introduzione alla fisica dei materiali: proprietà meccaniche, elastiche, elettroniche e magnetiche.

LABORATORIO DI FISICA DEI MATERIALI

Il laboratorio consiste in una serie di esperienze della durata di due-tre pomeriggi, incentrate soprattutto sulle proprietà dei materiali semiconduttori. Lo scopo delle esperienze è soprattutto quello di sviluppare senso critico e autonomia nel processo di misura delle proprietà fisiche del materiale. Le esperienze includono:

  •  la misura Hall di proprietà elettriche e di drogaggio di semiconduttori;
  •  caratteristiche tensione-corrente di una giunzione p-n;
  •  misura delle proprietà di assorbimento e riflessione;
  •  misure dell'efficienza di celle fotovoltaiche in funzione della lunghezza d'onda della luce incidente;
  •  misure del tempo di vita di portatori fotoeccitati.



FISICA DEI MATERIALI

Strutture cristalline

  •  Descrizione generale delle strutture cristalline
  •  Alcune importanti strutture cristalline
  •  Strutture cubiche
  •  Strutture compatte
  •  Strutture di solidi covalenti
  •  Determinazione della struttura cristallina

 Diffrazione di raggi X

  •  Teoria di Bragg
  •  Piani reticolari e indici di Miller
  •  Teoria generale della diffrazione
  •  Il reticolo reciproco
  •  Significato del reticolo reciproco
  •  Diffrazione di raggi X da strutture periodiche
  •  La sfera di Ewald
  •  Relazione tra la teoria di Bragg e Laue

Legami nei solidi

  • Forze attrattive e repulsive
  • Legame ionico
  • Legame covalente
  • Legame metallico
  • Legame idrogeno
  • Legami di van der Waals

Proprietà meccaniche

  • Deformazione elastica
  • Descrizione macroscopica
  • Costanti elastiche
  • Rapporto di Poisson
  • Relazione tra costanti elastiche
  • Descrizione microscopica
  • Deformazione plastica
  • Stima dello stress del punto di snervamento
  • Difetti puntuali e dislocazioni
  • Il ruolo dei difetti nella deformazione plastica
  • Frattura

Proprietà termiche del reticolo

  • Vibrazioni del reticolo
  • Oscillatore armonico
  • Catena infinita di atomi
  • Catena con un atomo per cella
  • La prima zona di Brillouin
  • Catena con due atomi per cella
  • Catena finita
  • Vibrazioni quantizzate, fononi
  • Solidi tridimensionali
  • Generalizzazione a tre dimensioni
  • Stima delle frequenze vibrazionali a partire dalle costanti elastiche
  • Capacità termica del reticolo
  • Confronto tra la teoria classica e l'esperimento
  • Modello di Einstein
  • Modello di Debye
  • Conduttività termica
  • Dilatazione termica
  • Transizioni di fase allotropiche e fusione

Proprietà elettroniche dei metalli: approccio classico

  • Presupposti di base del modello di Drude
  • Risultati dal modello Drude
  • Conducibilità elettrica in corrente continua
  • Effetto Hall
  • Riflettività ottica dei metalli
  • Legge di Wiedemann-Franz
  • Carenze del modello Drude 

 Proprietà elettroniche dei solidi: approccio quantistico

  • L'idea delle bande energetiche
  • Modello di elettrone libero
  • Autostati elettronici
  • Capacità termica elettronica
  • La legge di Wiedemann-Franz
  • Descrizione generale degli stati elettronici
  • Modello di elettrone quasi libero
  • Bande energetiche in solidi reali
  • Proprietà di trasporto

Semiconduttori

  • Semiconduttori intrinseci
  • Dipendenza dalla temperatura della densità dei portatori
  • Semiconduttori drogati
  • Droganti n e p
  • Densità di portatori
  • Conducibilità dei semiconduttori
  • Dispositivi a semiconduttore
  • Giunzione pn
  • Transistor JFET
  • Sistema metallo-ossido-semiconduttore
  • Dispositivi optoelettronici
  • Transistor MOSFET

Magnetismo

  • Descrizione macroscopica
  • Descrizione quantistica del magnetismo
  • Paramagnetismo e diamagnetismo 
  • Paramagnetismo di Curie
  • Paramagnetismo di Pauli
  • Ordine magnetico e interazione di scambio
  • Ferromagnetismo
  • Domini ferromagnetici
  • Isteresi

Dielettrici

  • Descrizione macroscopica
  • Polarizzazione microscopica
  • Il campo locale
  • Dipendenza della costante dielettrica dalla frequenza
  • Eccitazione delle vibrazioni del reticolo
  • Transizioni elettroniche
  • Impurezze nei dielettrici
  • Ferroelettrici
  • Piezoelettricità
  • Breakdown dielettrico

Buone conoscenze di Fisica Generale e tecniche di calcolo integrale e differenziale. Conoscenze di base di Fisica Quantistica.


Lezioni frontali

I Semestre

L'esame di Fisica dei Materiali con Laboratorio si articola in prove orali con la compilazione di una relazione di laboratorio. Il corso di Fisica dei materiali con Laboratorio e’ composto da 14 CFU. L’esame è diviso in tre moduli, uno di laboratorio e due di teoria. Questi tre moduli possono essere sostenuti o contemporaneamente o separatamente.

Il modulo di laboratorio prevede la valutazione di una relazione su una delle esperienze pratiche che sono state affrontate in laboratorio. La valutazione sulla relazione si basa sulla correttezza, sulla completezza e sulla chiarezza dell'esposizione delle misure. La prova orale invece va ad analizzare le conoscenze su tutte le esperienze che lo studente ha affrontato in laboratorio.

Per questo modulo non è necessario conoscere a fondo la teoria, che e’ invece oggetto degli altri moduli, ma è sufficiente conoscere le minime nozioni di fisica dei materiali necessarie alla comprensione dell’esperimento. Queste minime nozioni sono quelle riportate nelle schede di laboratorio relative alle esperienze svolte. Ovviamente si dà per scontato che si conoscano gli argomenti dei laboratori degli anni precedenti. In questo modulo si va ad analizzare principalmente la comprensione della metodologia dell'esperimento, la comprensione della strumentazione (ad esempio il funzionamento, i limiti strumentali, le procedure), e l'analisi dei dati (incertezze, elaborazione, presentazione). Questo modulo pesa circa 3/14 nel voto finale.

I due moduli di Fisica dei Materiali sono invece incentrati sulla teoria della fisica dei materiali e hanno un peso relativo maggiore pari a 5/14 e 6/14. I dettagli della suddivisione dei due moduli sono riportati nell'elearning.


alla fine delle lezioni o su appuntamento

Esporta

Provide the student with the basis for understanding the physical properties of materials and their measurement.

Introduction to the physics of materials: mechanical, elastic, electronic and magnetic properties.

LABORATORY OF PHYSICS OF MATERIALS

The laboratory consists of a series of experiences with a duration of two or three afternoons each, focusing mainly on the properties of semiconductor materials. The purpose of the experiences is mostly to develop a critical sense and autonomy in the process of measuring the physical properties of the materials. Experiences include:

  • the Hall measurement of electrical and doping properties of semiconductors; 
  • voltage-current characteristics of a p-n junction;
  • measurement of absorption and reflection properties;
  • measurement of the efficiency of photovoltaic cells as a function of the wavelength of the incident light;
  • life time measurements of photo-excited carriers. 


PHYSICS OF MATERIALS

Crystal Structures 

  •  General Description of Crystal Structures 
  •  Some Important Crystal Structures 
  •  Cubic Structures 
  •  Close-Packed Structures 
  •  Structures of Covalently Bonded Solids 
  •  Crystal Structure Determination 

 X-Ray Diffraction 

  •  Bragg Theory 
  •  Lattice Planes and Miller Indices 
  •  General Diffraction Theory 
  •  The Reciprocal Lattice 
  •  The Meaning of the Reciprocal Lattice 
  •  X-Ray Diffraction from Periodic Structures 
  •  The Ewald Construction 
  •  Relation Between Bragg and Laue Theory 

Bonding in Solids 

  •  Attractive and Repulsive Forces 
  •  Ionic Bonding 
  •  Covalent Bonding 
  •  Metallic Bonding 
  •  Hydrogen Bonding 
  •  van derWaals Bonding 

 Mechanical Properties 

  •  Elastic Deformation 
  •  Macroscopic Picture 
  •  Elastic Constants 
  •  Poisson’s Ratio 
  •  Relation between Elastic Constants 
  •  Microscopic Picture 
  •  Plastic Deformation 
  •  Estimate of the Yield Stress 
  •  Point Defects and Dislocations 
  •  The Role of Defects in Plastic Deformation 
  •  Fracture 

Thermal Properties of the Lattice 

  •  Lattice Vibrations 
  •  A Simple Harmonic Oscillator 
  •  An Infinite Chain of Atoms 
  •  One Atom Per Unit Cell 
  •  The First Brillouin Zone 
  •  Two Atoms per Unit Cell 
  •  A Finite Chain of Atoms 
  •  Quantized Vibrations, Phonons 
  •  Three-Dimensional Solids 
  •  Generalization to Three Dimensions 
  •  Estimate of the Vibrational Frequencies from the Elastic Constants 
  •  Heat Capacity of the Lattice 
  •  ClassicalTheory and Experimental Results 
  •  Einstein Model 
  •  Debye Model 
  •  Thermal Conductivity 
  •  Thermal Expansion 
  •  Allotropic Phase Transitions and Melting 

Electronic Properties of Metals: Classical Approach 

  •  Basic Assumptions of the Drude Model 
  •  Results from the Drude Model 
  •  DC Electrical Conductivity 
  •  Hall Effect 
  •  Optical Reflectivity of Metals 
  •  TheWiedemann–Franz Law 
  •  Shortcomings of the Drude Model 

 Electronic Properties of Solids: Quantum Mechanical Approach 

  •  The Idea of Energy Bands 
  •  Free Electron Model 
  •  The Quantum Mechanical Eigenstates 
  •  Electronic Heat Capacity 
  •  The Wiedemann–Franz Law 
  •  The General Form of the Electronic States 
  •  Nearly Free Electron Model 
  •  Energy Bands in Real Solids 
  •  Transport Properties 

Semiconductors

  •  Intrinsic Semiconductors 
  •  Temperature Dependence of the Carrier Density 
  •  Doped Semiconductors 
  •  n and p Doping 
  •  Carrier Density 
  •  Conductivity of Semiconductors 
  •  Semiconductor Devices 
  •  The pn Junction 
  •  Transistors 
  •  Optoelectronic Devices 

Magnetism 

  •  Macroscopic Description 
  •  Quantum Mechanical Description of Magnetism 
  •  Paramagnetism and Diamagnetism in Atoms 
  •  Weak Magnetism in Solids 
  •  Diamagnetic Contributions 
  •  Contribution from the Atoms 
  •  Contribution from the Free Electrons 
  •  Paramagnetic Contributions 
  •  Curie Paramagnetism 
  •  Pauli Paramagnetism 
  •  Magnetic Ordering 
  •  Magnetic Ordering and the Exchange Interaction 
  •  Magnetic Ordering for Localized Spins 
  •  Magnetic Ordering in a Band Picture 
  •  Ferromagnetic Domains 
  •  Hysteresis 

Dielectrics 

  •  Macroscopic Description 
  •  Microscopic Polarization 
  •  The Local Field 
  •  Frequency Dependence of the Dielectric Constant 
  •  Excitation of Lattice Vibrations 
  •  Electronic Transitions
  •  Impurities in Dielectrics 
  •  Ferroelectricity 
  •  Piezoelectricity 
  •  Dielectric Breakdown

Good knowledge of General Physics and techniques of integral and differential calculus. Basic knowledge of Quantum Physics.

Lectures

I Semester

The Physics examination of the Materials with the Laboratory is divided into oral tests,  with the compilation of a laboratory report. The Materials Physics course with Laboratory is composed of 14 CFU. The exam is divided into three modules, one relative to the laboratory and two modules dedicated to  theory. These three modules can be passed either simultaneously or separately.

The laboratory module includes the evaluation of a report on one of the practical experiences of the laboratory. The mark on the report is based on the correctness, completeness and clarity of the exposure of the measurements. The oral test instead analyzes the knowledge of all the demonstrations that the student carried out in the laboratory. For this module it is not necessary to have a thorough knowledge of the theory, which is instead the object of the other modules, but it is sufficient to know the minimum notions of physics of the materials necessary for understanding the experiment. These minimum notions are those reported in the laboratory sheets related to the experiences carried out. Obviously, it is assumed that the arguments of the laboratories of previous years are known. This module mainly analyzes the understanding of the experiment methodology, the understanding of the instrumentation (for example the operation, instrumental limits, procedures), and the analysis of data (uncertainties, processing, presentation). This module weighs about 3/14 in the final mark.

The two modules of Physics of Materials are instead focused on the theory of physics of materials and have a greater relative weight equal to 5/14 and 6/14. The details of the subdivision of the two modules are reported in the e-learning section.

at the end of the lessons or by appointment

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Scheda del corso

CFU
14
Periodo
Primo Semestre
Tipo di attività
Obbligatorio
Ore
113
Tipologia CdS
Laurea Triennale
Lingua
Italiano

Opinione studenti

Vedi valutazione del precedente anno accademico

Bibliografia

Trova i libri per questo corso nella Biblioteca di Ateneo

Metodi di iscrizione

Iscrizione manuale
Accesso ospiti
Iscrizione spontanea (Studente)