Course Syllabus
Obiettivi
Il corso si pone l’obiettivo di approfondire e consolidare concetti di base della chimica-fisica dei solidi e delle loro superfici con problematiche applicative nelle scienza e tecnologia dei semiconduttori.
Il corso si pone l’obiettivo di approfondire e consolidare concetti di base della chimica-fisica dei solidi, dei difetti e superfici dei solidi stessi con problematiche applicative nei semiconduttori.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente conosce:
- le principali tecniche di caratterizzazione dei materiali e di superfici
- i principali metodi di crescita di tipo bulk e di film sottili per semiconduttori
- la tipologia di difetti e il ruolo di essi nelle proprietà dei materiali e dei semiconduttori in particolare
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- applicare una metodologia per comprendere e prevedere il ruolo dei difetti sulle proprietà dei materiali attraverso il concetto di soluzione solida diluita
- interpretare criticamente i risultati di analisi di proprietà di bulk e superficiali di materiali, analisi ottenute mediante tecniche quali SEM, EDX, XPS, SIMS.
- capire come ogni singola tecnica di crescita non è esente dall’introdurre difetti ed impurezze in un materiale che tali difetti possono modificarne proprietà e funzionalità.
-conosce l’importanza e il ruolo dei difetti nella scienza dei materiali
Autonomia di giudizio
Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di
- scegliere il metodo o la tecnica di caratterizzazione dei solidi più adatta alla proprietà o al fenomeno che vuole investigare
- comprendere la possibile fonte di impurezza durante il processo di crescita o di realizzazione di un dispositivo e le modalità per evitarla.
Abilità comunicative
Al termine del corso lo studente sarà in grado di :
Esporre oralmente con proprietà di linguaggio argomenti scientifici di chimica dello stato solido e (si veda modalità di esame ) saper descrivere e presentare in modo chiaro e sintetico un argomento tratto da un articolo scientifico inerente le tematiche dell’insegnamento
Capacità di apprendere
Essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso, e di comprendere gli argomenti trattati nella letteratura scientifica riguardante la difettualità dei materiali e delle relazioni tra processi di crescita difettualità e proprietà di un materiale
Contenuti sintetici
Descrizione del ruolo dei difetti sulle proprietà dei materiali , in particolare nei semiconduttori . Introduzione alla chimica fisica delle superfici e ai processi di assorbimento. Descrizione delle principali tecniche di analisi delle superficie . Tecniche di crescita di materiali bulk e di film epitassiali, correlazione proprietà, difettualità e tecnica di crescita.
Programma esteso
DIFETTI NEI MATERIALI :
Difetti di punto e difetti estesi (dislocazioni , bordi grano , antiphase domains, stacking fault ): loro interazioni nei sistemi reali. SUPERFICI Superfici ideali e reali. Superfici dei solidi : stima della energia superficiale Fenomeni di adsorbimento: fisisorbimento e chemisorbimento: isoterme di adsorbimento (isoterme di Languimir e di BET). Principali metodi sperimentali di analisi delle superfici e della difettualità (Tecniche SEM XPS, AUGER, SIMS, misure di BET). Tecniche di crescita di materiali massivi (monocristallini e policristallini) e di film sottili con attenzione alla relazione tra difettualità e condizioni di crescita; (deposizione per evaporazione, processi di sputtering, crescite per Chemical Vapor Deposition, Epitassia da fasci molecolari , deposizione film Langmuir-Blodgett). Aspetti generali dei processi di deposizione, applicazioni. Criteri di scelta e di ottimizzazione dei processi. Per ogni argomento verranno trattati diversi case studies.
Prerequisiti
Esami di Chimica Fisica I, Matematica I , Fisica I,
Modalità didattica
Lezioni frontali in aula, integrate da strumenti multimediali di supporto funzionali ad una miglior comprensione degli argomenti trattati.
Materiale didattico
- S. Eliot The Physics and Chemistry of solids Wiley
- J. D. Plummer , M.D. Deal, P.B. Griffin Silicon VLSI Technology Prentice Hall
- J. B. Hudson Surface science an introduction
- A. W. Adamson, A.P. Gast Physical Chemistry of Surfaces 6th ed. Wiley
- Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl. Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition. ISBN: 978-3-527-41216-7 March 2013 495 Pages Wiley (try to use 3rd edition and not the 1st edition, since the book has been extensively revised and corrected).
- Geoffrey Barnes, Ian Gentle. Interfacial Science: An Introduction, 2nd Edition. ISBN: 9780199571185. Oxford.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
1° anno secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La verifica del profitto è volta a valutare la preparazione raggiunta in termini di conoscenza teorica degli argomenti trattati durante le lezioni e di alcune loro applicazioni, l’autonomia di analisi e giudizio e le capacità espositive dello studente. Avviene attraverso un colloquio orale sugli argomenti trattati nel corso . La votazione viene espressa in trentesimi con eventuale lode e valutata in base alla completezza e qualità delle risposte fornite dallo studente
E’ data facoltà agli studenti di avere una valutazione intermedia basata su una presentazione in classe di 15 minuti su un articolo scientifico inerente al corso, scelto dal singolo studente da una lista fornita dal docente generalmente alla fine di Marzo . Tale presentazione conta per il 30% del voto finale .
Orario di ricevimento
Tutti i giorni su prenotazione tramite e-mail
Sustainable Development Goals
Aims
Relating fundamental concepts of the solid state and surface physical chemistry with applicative issues in the science and technology of semiconductors.
Knowledge and understanding
At the end of the course the student knows:
- The main characterization techniques for material and surface properties
- the main growth processes for semiconductor (bulk material and thin films)
- the role of defects on material properties with a focus on semiconductors
Applying knowledge and understanding
At the end of the course the student is able to:
- apply a method to understand and to predict the role of defects on material properties based on the chemical physics concept of solid solution
- analyse the results of surface and material characterization carried out with several characterization techniques such as SEM, EDX, XPS, SIMS
- know that any growth techniques could introduces defects which can modified the material properties and the device related performances
-recognise the role and the importance of the defects in material science
Making judgements
At the end of the course the student is able to:
- choose the best growth method and characterization techniques to be used according to the properties and functionality of the material he/she wants to have or to investigate
- avoid any contamination sources or to control them
Communication skills
The student will be able to describe and to explain orally with a suitable language the subjects of the class and to sustain a contradictory on the basis of judgment abilities developed autonomously on class topics
Learning skills
The student will be able to apply the acquired knowledge to contexts different from those presented during the course, and to understand the topics covered in the scientific literature concerning the defectivity in the materials, as well al the complex relationship among the growth processes and the material properties.
Contents
Importance of defects on material properties, mainly in semiconductors. Elements of physical chemistry of surfaces. Adsorption phenomena: physisorption and chemisorption. Principal methods and techniques of Surface Characterization. Growth techniques of massive materials and thin film deposition procedures. Correlation of properties, defects and growth techniques.
Detailed program
Defects in solids : Point and extended defects (dislocations, grain boundaries, antiphase domains, stacking fault) and their interactions. Elements of surface crystallography. Surface relaxation and reconstruction in vacuum. Surfaces of solids: estimate of surface energies and free energies. Adsorption phenomena: Langmuir adsorption isotherm, thermodynamics of adsorption. Physisorption: models, rates Chemisorption: molecular view, isotherms, kinetics. Principal methods and techniques of Surface Characterization ad defectuality characterization (SEM XPS, AUGER, SIMS, BET methods). Growth techniques of massive materials . General aspects of thin film deposition procedures and main thin film deposition techniques and relationships with material defectuality. Several case studies will be discussed for each topic
Prerequisites
Main Physical Chemistry I, Matematics and Physic I
Teaching form
Standard lessons supplemented by supporting multimedia tools functional to a better understanding of the practical aspects
Textbook and teaching resource
- S. Eliot The Physics and Chemistry of solids Wiley
- J. D. Plummer , M.D. Deal, P.B. Griffin Silicon VLSI Technology Prentice Hall
- J. B. Hudson Surface science an introduction
- A. W. Adamson, A.P. Gast Physical Chemistry of Surfaces 6th ed. Wiley
- Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl. Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition. ISBN: 978-3-527-41216-7 March 2013 495 Pages Wiley (try to use 3rd edition and not the 1st edition, since the book has been extensively revised and corrected).
- Geoffrey Barnes, Ian Gentle. Interfacial Science: An Introduction, 2nd Edition. ISBN: 9780199571185. Oxford.
All these books should be available in the UNIMIB library
Semester
First year, Second (spring) semester
Assessment method
The teacher assesses if and to what extent the student has reached the course objectives.
A formal knowledge-based evaluation of the general topics delivered. The examination is performed through an oral exam .
The students can do a mid term test: a class presentation of about 15 minutes on a topic selected by the students from a list of scientific articles that the teachers will give at about the end of March of each year. This presentation will count for 30% of the final grade
Office hours
All days from Monday to Friday upon e-mail request
Sustainable Development Goals
Staff
-
Carlo Antonini
-
Simona Olga Binetti
