Course Syllabus
Obiettivi
Il corso si propone di fornire agli studenti i concetti fondamentali della fisica delle nanostrutture (ad esempio, nanoparticelle, nanofili, film sottili) basate su materiali molecolari organici, con particolare attenzione a quelli di interesse per applicazioni optoelettroniche.
Contenuti sintetici
Partendo da una descrizione dettagliata delle forze tra molecole, particelle e superfici, il corso si concentrerà su una classe di solidi nanostrutturati basati su molecole tenute insieme da interazioni deboli di Van der Waals, ovvero i film sottili di materiali molecolari organici.
In particolare, il corso si occuperà di nanostrutture organiche (per lo più film sottili) che presentano proprietà semiconduttive. Gli argomenti chiave saranno i metodi di crescita/deposizione e la relativa fisica; la fotofisica degli aggregati molecolari e dei film sottili cristallini (eccitoni, trasferimento di energia/portatori di carica).
Verranno discussi i principali metodi di caratterizzazione e le applicazioni relative a ciascun argomento.
Programma esteso
Forze intermolecolari (FI): interazioni tra atomi & molecole:
- Introduzione: Panoramica storica; termodinamica e statistica delle FI;
- FI forti: Interazioni covalenti e coulombiane (ioniche);
- Interazioni che coinvolgono la polarità e la polarizzazione delle molecole;
- Forze di van der Waals;
- Forze repulsive, potenziali di interazione intermolecolare totali;
- Interazioni speciali: legame a idrogeno, interazioni idrofobiche e idrofiliche.
Forze tra particelle e superfici:
7. Similitudini e differenze tra forze intermolecolari e forze interparticellari/intersuperficiali;
8. Forze di van der Waals tra particelle e superfici;
9. Colloidi e nanoparticelle: Interazioni elettrostatiche tra superfici nei liquidi;
10. Adesione e bagnabilità.
Film sottili di materiali organici (molecolari e cristallini):
11. Eccitoni di Frenkel in cristalli molecolari;
12. Principali meccanismi di trasferimento di energia;
13. Trasferimento di carica;
14. Eccitoni di tripletto.
Tecniche di deposizione di film sottili e caratterizzazione:
15. Confronto tra tecniche di deposizione/crescita da soluzione e in vuoto;
16. Tecniche in vuoto: trasporto di particelle da sorgente a substrato, condensazione delle particelle sul substrato, monitoraggio in-situ (vuoto, spessore);
17. Processi fisici:
- Transizione di fase di un gas che condensa per formare un solido,
- Nucleazione e crescita,
- Processi attivati (desorbimento e diffusione),
- Fasi pseudomorfe, epitassia;
18. Esempi di caratterizzazione (proprietà ottiche, morfologia);
19. Esempi di applicazioni (LEDs, transistor, celle solari).
Prerequisiti
Per la prima parte del corso sulle forze intermolecolari e di superficie è necessaria una conoscenza di base della chimica, della termodinamica e dell'elettromagnetismo. Per la seconda parte, è utile (ma non obbligatoria) una buona conoscenza della fisica quantistica e dei fondamenti della fisica dello stato solido.
Modalità didattica
Lezioni frontali.
Materiale didattico
• Slides and selected scientific papers/reviews (supplied by the teacher);
• J.N. Israelachvili – Intermolecular & Surface Forces;
• M. Pope & C.E. Svenberg – Electronic processes in organic crystals and polymers;
• J.A. Venables – Introduction to Surface and Thin Film Processes;
• H. Lüth - Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre (a partire da Settembre 2023)
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale, che sarà diviso in due parti.
Nella prima, che vale il 60% del voto finale, lo studente sarà interrogato su un argomento specifico scelto tra quelli trattati nel corso. Il docente comunicherà a ogni studente (tramite la piattaforma e-learning) l'argomento assegnato 24 ore prima dell'esame.
Nella seconda parte, che vale il 40% del voto finale, verrà valutata la preparazione generale dello studente sui restanti contenuti del corso. In particolare, lo studente dovrà rispondere a due/tre domande riguardanti altri argomenti del programma, eventualmente ma non necessariamente collegate all’argomento assegnato nella prima parte della prova orale.
Orario di ricevimento
Da lunedì a martedì, previo appuntamento via mail.
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims to provide students with the fundamental physics of nanostructures (e.g., nanoparticles, nanowires, thin films) based on organic molecular materials, focusing on those of interest for optoelectronic applications.
Contents
Starting from a detailed description of the forces between molecules, particles, and surfaces, the course will then focus on a class of nanostructured solids based on molecules that are held together by weak Van der Waals interactions, i.e., organic (molecular) crystalline thin films.
In particular, the course will deal with organic nanostructures (mostly thin films) exhibiting semiconducting properties. Key topics will be the growth/deposition methods and related physics; photo-physics of molecular aggregates and crystalline thin films (excitons, energy/charge transfer).
The main characterization methods and applications related to each topic will be discussed.
Detailed program
Intermolecular Forces (IF): Interactions between atoms & molecules:
- Introduction: Historical overview; thermodynamics & statistics of IFs;
- Strong IF: Covalent and Coulomb (Ionic) Interactions;
- Interactions involving the Polarity and the Polarization of molecules;
- Van der Waals Forces;
- Repulsive forces, Total Intermolecular Pair Potentials;
- Special interactions: Hydrogen-Bonding, Hydrophobic & Hydrofilic Interactions.
Forces between Particles & Surfaces:
7. Similarities and Differences between Intermolecular & Interparticle/Intersurface Forces;
8. Van der Waals Forces between Particles & Surfaces;
9. Colloids & Nanoparticles: Electrostatic Interactions between Surfaces in Liquids;
10. Adhesion and Wetting.
Organic (Molecular) Crystalline Thin Films:
11. Frenkel excitons in molecular crystals;
12. Main mechanisms of energy transfer;
13. Charge transfer;
14. Triplet excitons.
Thin film deposition/growth techniques and characterization:
15. Solution vs. Vacuum techniques;
16. Vacuum techniques: transport of particles to substrate, condensation of particles on substrate, in-situ monitoring (vacuum, thickness);
17. Physical processes:
- Phase transition of a gas condensing into a solid,
- Nucleation and growth,
- Activated processes (desorption and diffusion),
- Pseudomorphic phases, epitaxy;
- Examples of characterization (optical properties, morphology);
- Examples of applications (LEDs, transistors, solar cells).
Prerequisites
For the first part of the course on intermolecular and surface forces, a basic knowledge of chemistry, thermodynamics and electromagnetism is needed. For the second part, a good knowledge of quantum physics and fundamentals of solid-state physics would be beneficial but not mandatory.
Teaching form
Lectures.
Textbook and teaching resource
• Slides and selected scientific papers/reviews (supplied by the teacher);
• J.N. Israelachvili – Intermolecular & Surface Forces;
• M. Pope & C.E. Svenberg – Electronic processes in organic crystals and polymers;
• J.A. Venables – Introduction to Surface and Thin Film Processes;
• H. Lüth - Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films.
Semester
First semester (starting in September 2023)
Assessment method
Oral exam, which will be divided in two parts.
In the first one, counting for 60% of the final mark, the student will be interviewed on a specific topic selected among those covered in the course. The teacher will inform each student (via the e-learning platform) of the assigned topic 24 hours before the exam.
In the second part, counting for 40% of the final mark, the general preparation of the student on the remaining contents of the course will be assessed. Namely, the student will have to answer two/three questions regarding other topics in the program, possibly but not necessarily related to the topic assigned in the first part of the interview.
Office hours
Monday to Friday upon e-mail request
