Course Syllabus
Obiettivi
Il corso ha lo scopo di condurre gli studenti verso la comprensione dei concetti fondamentali della risposta dei materiali alla radiazione elettromagnetica, incluse le implicazioni per le applicazioni in fotonica, in optoelettronica e nelle comunicazioni in fibra ottica, unitamente alla conoscenza dei principi delle principali tecniche di microscopia. Il corso prevede lezioni, discussioni di specifici casi studio e applicazioni a esercizi di gruppo, oltre ad un'attività sperimentale svolta in piccoli gruppi.
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, sia con approcci spettroscopici sia con microscopie;
• Avere un atteggiamento proattivo e responsabile durante le attività di laboratorio.
Contenuti sintetici
Il corso affronta i campi a) della spettroscopia, ovvero lo studio dell'interazione della radiazione elettromagnetica con la materia e le sue estese applicazioni, e b) della microscopia, principalmente le microscopie ottiche, elettroniche e a scansione. Gli aspetti fondamentali sono trattati accanto agli approcci sperimentali che possono essere adottati. Tecniche classiche e strumenti avanzati sono proposti sia durante le lezioni che durante l'analisi di casi studio e nella parte di laboratorio. Gli studenti acquisiscono mature 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 specifici problemi di ricerca e a trovare soluzioni originali in modo maturo e collaborativo.
Programma esteso
- Primo Semestre -
LEZIONI
SEZIONE A.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 A.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 A.3. 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
• Luminescenza Anti-Stokes
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 A.4. 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
- Secondo Semestre -
B. APPLICAZIONI ED ESERCITAZIONI DI SPETTROSCOPIA DEI MATERIALI
SEZIONE B.1. Dai principi alla tecnologia - aspetti pratici della relazione tra polarizzazione e trasmissione
• Perché la velocità della luce nei materiali è minore che nel vuoto
• Significato fisico e uso pratico della parametrizzazione di Sellmeier nella progettazione di materiali ottici
• coefficicienti termo-ottici e elasto-ottici e loro imoprtanza tecnologica nell'ottica in fibra e nella sensoristica ottica
Letture consigliate:
M.B.James,D.J.Griffiths,Why the speed of light is reduced in a transparent medium,Am.J.Phys.60(1992)309
K.S. Potter, J.H. Simmons, Optical Materials, Elsevier, 3rd chapter
SEZIONE B.2. Bragg gratings - principi e applicazioni
• Meccanismi di fotosensibilità per la funzionalizzazioni di materiali dielettrici
• Ingegneria dei materiali vetrosi e strumenti per la descrizione della propagazione di onde elettromagnetiche in eterostrutture dielettriche
• dai coefficienti di Fresnel alle matrici di trasferimento e di scattering
Letture consigliate:
A. Othonos, K. Kally, Fiber Bragg Gratings, Artech House, ch.1, ch. 2 from 2.8 to 2.9, ch. 3, from 3.1 to 3.2…
B.E.A. Saleh, M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley, section 6.2, 7.1.
SEZIONE B.3. Ruolo della strutture, del disordine, e dello spettro fononico nella progettazione di materiali ottici a base vetrosa
• Dielettrici amorfi nella tecnologia ottica
• Quantificare e controllare il disordine strutturale – tecniche diffrattometriche e spettroscopia Raman
• Effetti del disordine sull'energy gap e transizioni localizzate
• Spettroscopia degli ioni dei metalli di transizione e delle terre rare in materiali a base vetrosa
Letture consigliate:
N.E. Cusak, The physics of structurally disordered matter, IOP, sec. 1.1-1.9, 2.1-2.3, 10.6.
J. G. Solé, L.E. Bausà, D. Jaque, “Optical spectroscopy of Inorganic Solids”, Wiley
F.L. Geleener, Planar Rings in Glasses, Sol. St. Commun. 44 (1982) 1037.
D. Weaire, M.F. Thorpe, Electronic properties of an amorphous solid. I. A simple tight-binding theory, Phys. Rev. B 4 (1971) 2508.
G.D. Cody et al., Disorder and the optical absorption edge of hydrogenated amorphous silicon, Phys. Rev. Lett. 47 (1981) 1480.
L. Skuja, Optical properties of defects in silica, in “Defects in SiO2 and related dielectrics: science and technology” ed. G. Pacchioni, L. Skuja, D.L. Griscom, Kluwer Academic, pp. 73.
C. PRINCIPI DI MICROSCOPIA E ATTIVITA' SPERIMENTALI
SEZIONE C.1. MICROSCOPIA OTTICA
a. Principi e richiami di geometria ottica
b. Diffrazione della luce e criterio di Abbe
c. Progettazione e struttura di un microscopio ottico
d. microscopia di fluorescenza e microscopia confocale
e. Oltre il limite di Abbe: microscopia a due fotoni e structured-illumination microscopy
f. Microscopia a super-risoluzione: PALM e STORM.
SEZIONE C.2. MICROSCOPIA ELETTRONICA
a. Natura ondulatoria degli elettroni e principi di ottica elettronica
b. Interazione tra elettroni e materia
c. Microscopia elettronica a trasmissione (TEM)
i. Struttura di un microscopio TEM
ii. Imaging modes (bright e dark field), diffrazione e cristallografia
iii. Ampiezza, diffrazione e contrasto di fase nel TEM
iv. High-Resolution TEM, magnetic TEM, Scanning TEM
v. Preparazione campioni TEM
d. Scanning Electron Microscopy (SEM)
i. Struttura di un microscopio SEM
ii. Secondary electron contrast e imaging modes;
iii. Electron Back-Scatter Diffraction (EBSD)
e. Electron and Photon Spectroscopies in SEM e TEM
i. Energy-Dispersive X-Ray spectroscopy (EDX)
ii. Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)
iii. Auger Electron Microscopy (AEM)
iv. Cathodoluminescence (CL)
SEZIONE C.3. SCANNING-PROBE MICROSCOPY
a. Concetti generali sulle tecniche di scansione
b. Tip-sample forces e piezo-electric scanners;
c. Atomic Force Microscopy (cantilevers, detection methods, imaging modes);
d. Scanning Tunnelling Microscopy (tunnelling phenomenon, detection methods, imaging modes, spectroscopic capabilities)
e. Scanning Near-Field optical Microscopy (SNOM).
Letture consigliate:
E. Hecht, Optics, 4th ed.; Addison-Wesley, 2002.
D. B. Murphy, Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging, 1st Edition; Wiley-Liss, 2001.
D. B. Williams and C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy; Springer, 2009.
R. F. Egerton, Physical Principles of Electron Microscopy: An introduction to TEM, SEM, AEM; Springer, 2008.
E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz, Scanning Probe Microscopy: The Lab on a Tip; Springer, 2003.
Prerequisiti
Conoscenza di struttura della materia (argomenti trattati nei corsi della laurea triennale in Scienza dei Materiali)
Modalità didattica
Lezioni, discussioni, esercitazioni di gruppo, attività di laboratorio.
Materiale didattico
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
M.B.James,D.J.Griffiths,Why the speed of light is reduced in a transparent medium,Am.J.Phys.60(1992)309
K.S. Potter, J.H. Simmons, Optical Materials, Elsevier, 3rd chapter
A. Othonos, K. Kally, Fiber Bragg Gratings, Artech House, ch.1, ch. 2 from 2.8 to 2.9, ch. 3, from 3.1 to 3.2…
B.E.A. Saleh, M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley, section 6.2, 7.1.
N.E. Cusak, The physics of structurally disordered matter, IOP, sec. 1.1-1.9, 2.1-2.3, 10.6.
F.L. Geleener, Planar Rings in Glasses, Sol. St. Commun. 44 (1982) 1037.
D. Weaire, M.F. Thorpe, Electronic properties of an amorphous solid. I. A simple tight-binding theory, Phys. Rev. B 4 (1971) 2508.
G.D. Cody et al., Disorder and the optical absorption edge of hydrogenated amorphous silicon, Phys. Rev. Lett. 47 (1981) 1480.
L. Skuja, Optical properties of defects in silica, in “Defects in SiO2 and related dielectrics: science and technology” ed. G. Pacchioni, L. Skuja, D.L. Griscom, Kluwer Academic, pp. 73.
E. Hecht, Optics, 4th ed.; Addison-Wesley, 2002.
D. B. Murphy, Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging, 1st Edition; Wiley-Liss, 2001.
D. B. Williams and C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy; Springer, 2009.
R. F. Egerton, Physical Principles of Electron Microscopy: An introduction to TEM, SEM, AEM; Springer, 2008.
E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz, Scanning Probe Microscopy: The Lab on a Tip; Springer, 2003.
Ulteriori risorse:
Slides dei docenti, tavole, diagrammi, disponibili sulla piattaforma e-learning.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Il corso è annuale. Le lezioni della Parte A sono nel primo semestre. Le Parti B e C, riguardanti discussioni su applicazioni e casi studio, esercitazioni di gruppo, e principi di microscopia comprensiva di parte di laboratorio, sono nel secondo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame è in forma di un colloquio orale sui contenuti delle lezioni del primo semestre al termine della Parte A, e di un test scritto sui contenuti delle Parti B e C alla fine del secondo semestre.
Orario di ricevimento
8 - 18
Gli studenti possono prendere appuntamento con i docenti tramite e-mail per colloqui individuali.
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims at the understanding of the fundamental concepts of the response of materials to electromagnetic radiation, including the implications for applications in photonics, fibre optics, and optoelectronics, as well as the fundamentals of the main microscopy techniques. The course includes lessons, discussions of specific case studies and applications to group exercises, and an experimental activity carried out in small groups.
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, either by means of spectroscopy or microscopy approaches.
• Acquire a proactive and responsible attitude during group works and laboratory activities.
Contents
The course addresses the fields of: i) spectroscopy, intended as the study of the interactions between electromagnetic radiation and materials and on its very extended applications; and ii) microscopy, mainly focused on light, electron and scanning probe microscopies. Fundamental aspects of spectroscopy and microscopy are treated alongside the experimental approaches that can be adopted. Classical techniques and advanced tools are proposed both during lessons and during the analysis of case studies and group exercises, and in the laboratory part. Students acquire solid competences and skills in such topics, becoming able to apply them also in cross-disciplinary contexts. During the group exercises and the laboratory part, the students are invited to address specific research problems and to find original solutions in a mature and collaborative way.
Detailed program
- 1st semester -
A. LESSONS
SECTION A.1. INTRODUCTION
• Outline of the contents and of assessment methods
Readings:
Slides uploaded in the e-learning page of the course
SECTION A.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 A.3. INVESTIGATION OF MATERIALS THROUGH RESONANCE PHENOMENA
• Impedance spectroscopy
• Electron spin resonance
• Optical absorption
• Steady state and time resolved luminescence
• Anti-Stokes luminescence
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 A.4. 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
- 2nd semester -
B. APPLICATIONS AND EXERCISES ON MATERIALS SPECTROSCOPY
SECTION B.1. From fundamentals to technology - Practical aspects of the relation between polarization and transmission
• Why the propagation speed of light is reduced in transparent materials
• Physical meaning and practical use of the Sellmeier parametrization in the design of optical materials
• Thermo-optic and elasto-optic coefficients and their technological importance in fibre-optics and -sensors
Readings:
M.B.James,D.J.Griffiths,Why the speed of light is reduced in a transparent medium,Am.J.Phys.60(1992)309
K.S. Potter, J.H. Simmons, Optical Materials, Elsevier, 3rd chapter
SECTION B.2. Bragg gratings - fundamentals and applications
• Mechanisms of photosensitivity for functionalizing dielectric materials.
• Glass materials engineering and tools for the description of wave propagation in layered dielectrics
• From Fresnel coefficients to transfer matrix and scattering matrix.
Readings:
A. Othonos, K. Kally, Fiber Bragg Gratings, Artech House, ch.1, ch. 2 from 2.8 to 2.9, ch. 3, from 3.1 to 3.2…
B.E.A. Saleh, M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley, section 6.2, 7.1.
SECTION B.3. Role of structure, disorder, and phonon spectrum in the design of glass-based optical materials
• Amorphous dielectrics in optical technology
• Quantifying and controlling structural disorder – diffraction and light scattering techniques
• Effects of disorder on the energy gap and transitions at localized states
• Spectroscopy of transition metal ions and rare earth ions in glass-based materials
Readings:
N.E. Cusak, The physics of structurally disordered matter, IOP, sec. 1.1-1.9, 2.1-2.3, 10.6.
J. G. Solé, L.E. Bausà, D. Jaque, “Optical spectroscopy of Inorganic Solids”, Wiley
F.L. Geleener, Planar Rings in Glasses, Sol. St. Commun. 44 (1982) 1037.
D. Weaire, M.F. Thorpe, Electronic properties of an amorphous solid. I. A simple tight-binding theory, Phys. Rev. B 4 (1971) 2508.
G.D. Cody et al., Disorder and the optical absorption edge of hydrogenated amorphous silicon, Phys. Rev. Lett. 47 (1981) 1480.
L. Skuja, Optical properties of defects in silica, in “Defects in SiO2 and related dielectrics: science and technology” ed. G. Pacchioni, L. Skuja, D.L. Griscom, Kluwer Academic, pp. 73.
C. FUNDAMENTALS OF MICROSCOPY AND EXPERIMENTAL ACTIVITIES
SECTION C.1. LIGHT MICROSCOPY
a. Basic principles of geometric optics;
b. Light diffraction and Abbe criterion;
c. Design and layout of a light microscope;
d. Fluorescence microscopy and Confocal microscopy;
e. Beyond the Abbe limit: two-photon microscopy and structured-illumination microscopy;
f. Super-resolution microscopy: PALM and STORM.
SECTION C.2. ELECTRON MICROSCOPY
a. Wave-nature of electrons and basic principles of electron optics;
b. Interaction between electron and matter;
c. Transmission Electron Microscopy (TEM)
i. Layout of a TEM microscope;
ii. Imaging modes (bright and dark field), diffraction and crystallography;
iii. Amplitude, diffraction and phase contrasts in TEM;
iv. High-Resolution TEM, magnetic TEM, and Scanning TEM;
v. TEM sample preparation;
d. Scanning Electron Microscopy (SEM)
i. Layout of a SEM microscope
ii. Secondary electron contrast and imaging modes;
iii. Electron Back-Scatter Diffraction (EBSD)
e. Electron and Photon Spectroscopies in SEM and TEM
i. Energy-Dispersive X-Ray spectroscopy (EDX)
ii. Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS);
iii. Auger Electron Microscopy (AEM)
iv. Cathodoluminescence (CL)
SECTION C.3. SCANNING-PROBE MICROSCOPY
a. General concepts on scanning probe techniques;
b. Tip-sample forces and piezo-electric scanners;
c. Atomic Force Microscopy (cantilevers, detection methods, and imaging modes);
d. Scanning Tunnelling Microscopy (tunnelling phenomenon, detection methods, imaging modes, and spectroscopic capabilities);
e. Scanning Near-Field optical Microscopy (SNOM).
Readings:
- E. Hecht, Optics, 4th ed.; Addison-Wesley, 2002.
- D. B. Murphy, Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging, 1st Edition; Wiley-Liss, 2001.
- D. B. Williams and C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy; Springer, 2009.
- R. F. Egerton, Physical Principles of Electron Microscopy: An introduction to TEM, SEM, AEM; Springer, 2008.
- E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz, Scanning Probe Microscopy: The Lab on a Tip; Springer, 2003.
Prerequisites
Fundamentals of the structure of matter.
Teaching form
Lessons, discussions, group exercises, and lab activities.
Textbook and teaching resource
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
M.B.James,D.J.Griffiths,Why the speed of light is reduced in a transparent medium,Am.J.Phys.60(1992)309
K.S. Potter, J.H. Simmons, Optical Materials, Elsevier, 3rd chapter
A. Othonos, K. Kally, Fiber Bragg Gratings, Artech House, ch.1, ch. 2 from 2.8 to 2.9, ch. 3, from 3.1 to 3.2…
B.E.A. Saleh, M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley, section 6.2, 7.1.
N.E. Cusak, The physics of structurally disordered matter, IOP, sec. 1.1-1.9, 2.1-2.3, 10.6.
F.L. Geleener, Planar Rings in Glasses, Sol. St. Commun. 44 (1982) 1037.
D. Weaire, M.F. Thorpe, Electronic properties of an amorphous solid. I. A simple tight-binding theory, Phys. Rev. B 4 (1971) 2508.
G.D. Cody et al., Disorder and the optical absorption edge of hydrogenated amorphous silicon, Phys. Rev. Lett. 47 (1981) 1480.
L. Skuja, Optical properties of defects in silica, in “Defects in SiO2 and related dielectrics: science and technology” ed. G. Pacchioni, L. Skuja, D.L. Griscom, Kluwer Academic, pp. 73.
E. Hecht, Optics, 4th ed.; Addison-Wesley, 2002.
D. B. Murphy, Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging, 1st Edition; Wiley-Liss, 2001.
D. B. Williams and C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy; Springer, 2009.
R. F. Egerton, Physical Principles of Electron Microscopy: An introduction to TEM, SEM, AEM; Springer, 2008.
E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz, Scanning Probe Microscopy: The Lab on a Tip; Springer, 2003.
Additional resources:
Slides provided by the professors
Specific scientific papers, tables, and diagrams, are available on the e-learning platform.
Semester
The course has an annual duration. Lessons of Part-A are given in the first semester. Part B and Part C - comprising discussions on applications and case studies, group exercises, fundamentals of microscopy and the lab part - are in the second semester.
Assessment method
The exam is in the form of an oral interview on the 1st semester lessons after the end of Part A, and in a written test on the contents of Part B and Part C after the end of the 2nd semester.
Office hours
8 - 18
Appointments between professors and students can be agreed by e-mail.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Alberto Maria Felice Paleari
-
Giovanni Maria Vanacore
-
Anna Graziella Vedda
