Course Syllabus

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Il corso ha lo scopo di condurre gli studenti verso la comprensione dei concetti fondamentali della risposta dei materiali alla radiazione elettromagnetica, unitamente alla descrizione di alcune tecniche sperimentali. Il corso prevede lezioni e un'attività sperimentale svolta in piccoli gruppi nei laboratori di ricerca del Dipartimento; in questa parte sperimentale gli studenti hanno l'opportunità di familiarizzare con  moderne tecniche sperimentali utili per l'indagine dei materiali, e di applicare le nozioni apprese durante le lezioni. Al termine del corso lo studente sarà in grado di:

 • Comprendere i requisiti dei materiali per specifiche funzionalità in cui è implicata l'interazione con la radiazione elettromagnetica; 

 • Progettare una strategia per la caratterizzazione sperimentale delle proprietà dei materiali in relazione alle loro applicazioni; 

 • Avere un atteggiamento proattivo e responsabile durante le attività di laboratorio.


Le lezioni affrontano il vasto campo della spettroscopia, intesa come interazione della radiazione elettromagnetica con la materia, e le sue estese applicazioni. Gli aspetti fondamentali sono trattati accanto ad approcci sperimentali che possono essere adottati in diverse gamme di frequenza. Tecniche classiche e strumenti avanzati sono proposti sia durante le lezioni che durante le sessioni di laboratorio. Gli studenti acquisiscono solide competenze in tali argomenti, riuscendo ad applicarle anche in contesti interdisciplinari. Durante la parte di lavoro di gruppo in laboratorio, gli studenti sono invitati ad affrontare uno specifico problema di ricerca e a trovare soluzioni originali in modo maturo e collaborativo. Inoltre, il docente propone alcuni seminari su argomenti complementari.


LEZIONI

 SEZIONE 1: INTRODUZIONE 

 • Illustrazione dei contenuti del corso e delle modalità d'esame 

 Letture consigliate: 

 Presentazione del docente caricata sulla pagina e-learning del corso 

 SEZIONE 2 : INTERAZIONE DELLA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA CON LA MATERIA NEL REGIME DI RISPOSTA LINEARE 

• Soluzione dell'equazione delle onde elettromagnetiche in un materiale 

 • Funzione dielettrica e indice di rifrazione 

 • Modelli di Lorentz e di Drude 

 • Relazioni di Kramers-Kronig 

 • Risposta alla radiazione eletromagnetica di materiali reali (metalli, semiconduttori e isolanti)

Letture consigliate: 

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

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

 SEZIONE 3 : FENOMENI DI DISPERSIONE COME STRUMENTI PER LA CARATTERIZZAZIONE DI MATERIALI 

 • Dispersione elastica

 • Dispersione anelastica (Brillouin e Raman) 

 Letture consigliate: 

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

 H. Kuzmany, “Solid State Spectroscopy”, Springer 

 SEZIONE 4 : STUDIO DI MATERIALI ATTRAVERSO FENOMENI DI RISONANZA 

 • Spettroscopia d'impedenza

 • Spettroscopia di risonanza di spin elettronico

 • Assorbimento ottico 

 • Luminescenza in stato stazionario e risolta in tempo 

 • Argomenti specifici: luminescenza Anti-Stokes, raffreddamento ottico

 Letture consigliate: 

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

 J.C. De Mello, “An Improved Experimental Determination of External Photoluminescence Quantum Efficiency”, Advanced Materials vol. 9, 230 (1997) 

 G. Blasse and B.C. Grabmaier, “Luminescent materials”, Springer Verlag 

 A.V. Chadwick and M. Terenzi, “Defects in solids: Modern techniques”, NATO ASI Series B: Physics, vol. 147, Plenum Press, 1986 

 SEZIONE 5 : INTRODUZIONE ALLA RISPOSTA NON LINEARE DEI MATERIALI ALLA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 

 • Fondamenti di risposta non lineare

 • Non linearità del secondo e del terzo ordine

 • Effetto elettro-ottico ed effetto Kerr

 • Origine della non linearità nei materiali (cristalli, vetri, polimeri)

Letture consigliate: 

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

 R. Feynman, “Lectures on Physics” vol. 1, part 2, Inter European Editions 

 SEZIONE 6 : SEMINARI TEMATICI

 • Problematiche di sostenibilità dei materiali

 • Applicazioni di nanomateriali in medicina

 Letture consigliate: 

Presentazioni del docente caricata sulla pagina e-learning del corso  

ATTIVITA' SPERIMENTALI

Gli studenti saranno divisi in piccoli gruppi e lavoreranno sotto la supervisione di diversi tutors. Ad ogni gruppo verrà chiesto di svolgere un'attività sperimentale tra i seguenti argomenti: 

 • Simulazione atomistica di crescita epitassiale

 • Spettroscopia Raman di semiconduttori del gruppo IV

 • Spettroscopia ottica di nanostrutture (2 gruppi)

 • Caratterizzazione di materiali tramite spettroscopia di risonanza di spin elettronico (2 gruppi)

 •  Caratterizzazione di materiali tramite radio- e termo-luminescenza

 •  Fluorescenza a raggi X per l'analisi qualitativa e quantitativa di materiali per i beni culturali

 •  Determinazione del gap ottico tramite indagini di riflettanza diffusa nel UV-Vis

 • Spettroscopia ottica in luce polarizzata 

 • Proprietà meccaniche e reologiche di materiali polimerici

 • Misure dell'angolo di contatto per la caratterizzazione delle proprietà di bagnabilità delle superfici

 • Principi ed applicazioni della microscopia elettronica per lo studio di nanomateriali  

 Letture consigliate: 

Testi forniti dai docenti tutors delle singole attività

Tutti i gruppi sono tenuti a redigere una relazione scritta sull'attività sperimentale svolta

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

Lezioni e attività di laboratorio. La frequenza al laboratorio è obbligatoria, ed è fortemente consigliata per le lezioni.

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

R. Feynman, “Lectures on Physics” vol. 1, part 2, Inter European Editions

J.C. De Mello, “An Improved Experimental Determination of External Photoluminescence Quantum Efficiency”, Advanced Materials vol. 9, 230 (1997)

G. Blasse and B.C. Grabmaier, “Luminescent materials”, Springer Verlag

A.V. Chadwick and M. Terenzi, “Defects in solids: Modern techniques”, NATO ASI Series B: Physics, vol. 147, Plenum Press, 1986

Presentazioni fornite dal docente

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.

L'esame consiste in un colloquio orale (durata circa 45 min). Consiste in:

 - una discussione sugli argomenti trattati durante le lezioni con presentazione di analisi quantitative, equazioni, grafici, schemi; 

 - una discussione sull'attività sperimentale svolta in laboratorio, anche sulla base della relazione scritta. 

Gli studenti sono pregati di inviare la relazione al docente via e-mail in formato word o in formato pdf almeno una settimana prima dell'esame. 



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

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The course aims at the understanding of the fundamental concepts of the response of materials to electromagnetic radiation, together with the description of selected experimental techniques. The course includes lessons and an experimental activity carried out in small groups in the research laboratories of the Department; in this experimental part, students have the opportunity to become familiar with modern experimental techniques useful for the investigation of materials, and to apply the concepts learned during the lessons.

 At the end of the course, the student will be able to: 

•       Understand material requirements for specific functionalities in which interaction with electromagnetic radiation is implied;

•       Design a strategy for the experimental characterization of material properties in relation to their applications;

•       Acquire a proactive and responsible attitude during laboratory activities.


The lessons address the broad field of spectroscopy, intended as the general interaction of electromagnetic radiation with materials, and on its very extended applications. Fundamental aspects are treated alongside experimental approaches that can be adopted in different frequency ranges. Classical techniques and advanced tools are proposed both during lessons and during the laboratory part. Students acquire solid competences and skills in such topics, becoming able to apply them also in cross-disciplinary contexts. During the laboratory part, the students are invited to address a specific research problem and to find original solutions in a mature and collaborative way. Moreover, a few seminars are given by the professor on complementary topics.

LESSONS

SECTION 1: INTRODUCTION

•              Outline of the contents and of assessment methods

Readings: 

Slides uploaded in the e-learning page of the course

SECTION 2 : INTERACTION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION WITH MATERIALS IN THE LINEAR RESPONSE REGIME

•              Solution of the electromagnetic wave equation in a material

•              Dielectric function and refractive index

•              Lorentz and Drude models

•              Kramers-Kronig relations

•              Response to electromagnetic radiation of real materials (metals, semiconductors and insulators)

Readings: 

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

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

SECTION 3 : DISPERSION PHENOMENA AS INSTRUMENTS FOR MATERIALS CHARACTERIZATION

•              Dispersion and elastic scattering

•              Inelastic scattering (Brillouin and Raman)

Readings: 

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

H. Kuzmany, “Solid State Spectroscopy”, Springer

SECTION 4 : INVESTIGATION OF MATERIALS THROUGH RESONANCE PHENOMENA

•              Impedance spectroscopy

•              Electron spin resonance

•              Optical absorption

•              Steady state and time resolved luminescence

•              Specific topics: Anti-Stokes luminescence, optical cooling

Readings: 

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

J.C. De Mello, “An Improved Experimental Determination of External Photoluminescence Quantum Efficiency”, Advanced Materials vol. 9, 230 (1997)

G. Blasse and B.C. Grabmaier, “Luminescent materials”, Springer Verlag

A.V. Chadwick and M. Terenzi, “Defects in solids: Modern techniques”, NATO ASI Series B: Physics, vol. 147, Plenum Press, 1986

SECTION 5 : INTRODUCTION TO NON LINEAR RESPONSE OF MATERIALS TO ELECTROMAGNETIC RADIATION

•              Fundamentals of the non linear response

•              Second and third order non linearity

•              Electro-optic and Kerr effects

•              Origin of non linearity in materials (crystals, glasses, polymers)

Readings: 

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

R. Feynman, “Lectures on Physics” vol. 1, part 2, Inter European Editions

SECTION 6 : THEMATIC SEMINARS

•              Materials sustainability

•              Medical applications of nanomaterials

Readings: 

Slides of the professor uploaded in the web page of the course

EXPERIMENTAL ACTIVITIES

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

•              Atomistic simulation of epitaxial growth

•              Raman spectroscopy of group IV semiconductors

•              Optical spectroscopy of nanostructures (2 groups)

•              Materials characterization by electron spin resonance technique (2 groups)

•              Material characterization by radio- and thermo-luminescence

•              Qualitative and quantitative X-ray Fluorescence analysis on cultural heritage materials

•              Optical band gap determination by UV-Vis diffuse reflectance measurements

•              Polarized optical spectroscopy

•              Mechanical properties and rheology of polymeric materials

•              Contact angle measurements for the characterization of surface wetting properties

•              Principles and applications of electron microscopy for the investigation of nanomaterials

All groups are required to prepare of a written report on  the experimental activity performed

Readings: 

Texts  provided by tutors on the specific activity performed


Fundamentals of the structure of matter acquired during the bachelor course.

Lessons and lab activities. Course attendance is mandatory for the experimental part, and strongly suggested for the lessons.

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

R. Feynman, “Lectures on Physics” vol. 1, part 2, Inter European Editions

J.C. De Mello, “An Improved Experimental Determination of External Photoluminescence Quantum Efficiency”, Advanced Materials vol. 9, 230 (1997)

G. Blasse and B.C. Grabmaier, “Luminescent materials”, Springer Verlag

A.V. Chadwick and M. Terenzi, “Defects in solids: Modern techniques”, NATO ASI Series B: Physics, vol. 147, Plenum Press, 1986

Slides provided by the professor


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.

The exam is in the form of an oral interview (duration about 45 min). It consists of:

 - a discussion about the topics treated during the lessons with presentation of quantitative analyses, equations, graphs, schemes;

 - a discussion on the experimental activity carried out in the laboratory, also on the basis of the written report.

Students are requested to send the report to the professor by e-mail in word or pdf format at least one week before the exam.



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Appointments between professor and students can  be agreed by e-mail. 

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Key information

Field of research
FIS/01
ECTS
8
Term
Annual
Activity type
Mandatory
Course Length (Hours)
66
Language
English

Staff

    Teacher

  • Carlo Antonini
    Carlo Antonini
  • Roberto Bergamaschini
    Roberto Bergamaschini
  • SB
    Sergio Brovelli
  • Francesco Carulli
    Francesco Carulli
  • Marco Fanciulli
    Marco Fanciulli
  • Anna Galli
    Anna Galli
  • Fabrizio Moro
    Fabrizio Moro
  • JP
    Jacopo Pedrini
  • AS
    Adele Sassella
  • RS
    Roberto Simonutti
  • Giovanni Maria Vanacore
    Giovanni Maria Vanacore
  • AV
    Anna Graziella Vedda

Students' opinion

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Bibliography

Find the books for this course in the Library

Enrolment methods

Manual enrolments
Self enrolment (Student)