Course Syllabus
Obiettivi
L'obiettivo del corso è fornire conoscenze approfondite su varie classi di nanomateriali che costituiranno gli ingredienti funzionali di future tecnologie nanotecnologiche. Per ogni classe presa in considerazione sono trattate in dettaglio le tecniche sintetiche ed i meccanismi fisici che ne determinano le funzionalità con particolare attenzione ai processi direttamente riconducibili ad effetti di nanostrutturazione quali confinamento quantico e dielettrico. Applicazioni di nanomateriali in vari campi tecnologici sono trattati discutendo nel dettaglio i meccanismi di funzionamento e le possibili strategia di materials design per ottimizzarne le prestazioni. Aspetti legislativi e di salvaguardia ambientale legati alla produzione ed uso di nanomateriali sono discussi.
Contenuti sintetici
Nel corso sono discusse le seguenti classi di nanomateriali:
1. Cluster metallici: rispettive tecniche sintetiche top-down e bottom-up, strategie di funzionalizzazione superficiale, struttura elettronica e effetti dimensionali, proprietà ottiche e meccanismi fotofisici. Applicazione degli stessi in dispositivi optoelettronici, sensoristica e come markers biologici per diagnostica cellulare.
2. Nanoparticelle plasmoniche: principi base della plasmonica in sistemi confinati, concetto di confinamento dielettrico, frequenza di risonanza ed effetti di taglia ed ambientali. Proprietà ottiche di nanoparticelle plasmoniche in relazione alla composizione e dimensionalità. Meccanismi di fluorescenza e diffusione Raman aumentati da cavità plasmoniche. Processi da portatori caldi. Applicazioni in termoterapia e sensoristica.
3. Nanocristalli a semiconduttore a confinamento quantico: sintesi e chimica superficiale, concetto di densità degli stati in 3D e in sistemi a confinamento quantico 2D, 1D e 0D. Proprietà elettroniche di quantum dots colloidali (calcogenuri e alogenuri metallici anche in struttura perovskitica), struttura elettronica ed eccitonica fine, effetti di taglia, dimensione e forma sulle proprietà elettroniche. Criteri di eterostrutturazione e ingegnerizzazione delle funzioni d'onda. Fotofisica dettagliata. Trasporto elettrico. Drogaggio e proprietà magnetiche. Applicazione in LASER, LED, bioimaging e energie rinnovabili.
Programma esteso
0. Introduzione alle Nanotecnologie
- Cenni storici
- Implicazioni sulla salute e ambientali
- Cenni di normative sui nanomateriali
1. Cluster metallici:
- Tecniche sintetiche top-down e bottom-up
- Strategie di funzionalizzazione superficiale
- Struttura elettronica e effetti dimensionali
- Proprietà ottiche e meccanismi fotofisici
- Dispositivi optoelettronici, sensoristica, markers biologici per diagnostica cellulare.
2. Nanoparticelle plasmoniche:
- Principi base della plasmonica in sistemi a bassa dimensionalità
- Concetto di confinamento dielettrico
- Frequenza di risonanza ed effetti di taglia ed ambientali
- Proprietà ottiche di nanoparticelle plasmoniche in relazione alla composizione e dimensionalità
- Effetto di Coulomb blockade e concetto di quanto di carica
- Applicazioni in termoterapia e sensoristica
3. Nanocristalli a semiconduttore a confinamento quantico
- Sintesi colloidale, meccanismi
- Chimica superficiale
- Concetto di densità degli stati in 3D e in sistemi a confinamento quantico 2D, 1D e 0D.
- Proprietà elettroniche di quantum dots colloidali
- Struttura elettronica ed eccitonica fine
- Effetti di taglia, dimensione e forma sulle proprietà elettroniche
- Criteri di eterostrutturazione e ingegnerizzazione delle funzioni d'onda
- Fotofisica dettagliata
- Trasporto elettrico
- Drogaggio e proprietà magnetiche.
- Applicazione in LASER, LED, bioimaging e energie rinnovabili
Prerequisiti
Conoscenza dei concetti chiave della meccanica quantistica e fisica dello stato solido. Conoscenze base di chimica.
Modalità didattica
Lezioni frontali con materiale fornito dal docente
Materiale didattico
Testi suggeriti dal docente, lucidi e articoli scientifici di rassegna.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Presentazione da parte dello studente di 20-25 minuti su argomento a scelta affine con i contenuti del corso e discussione orale.
Orario di ricevimento
Da concordarsi col docente
Sustainable Development Goals
Aims
The aim of the course is to provide in depth knowledge on various classes of nanomaterials that will constitute the main ingredient of future nanotechnologies. For each materials class, the synthesis approaches and the physical mechanisms underpinning their functionality will be studies discussed in detail with particular focus on size-related processes, such as quantum and dielectric confinement.
Applications of nanomaterials in various technological fields will be considered and their functioning principles will be studied, highlighting promising strategies for their design and optimization.
Regulation aspects regarding health, safety and environmental aspects of nanotechnology will be discussed.
Contents
The following classes of nanomaterials will be discussed:
1. Metal clusters: Bottom-up and top-down synthesis approaches, surface functionalization, electronic structure and size effects. Optical properties and photophysical processes. APplication in optoelectronic devices, sensors and biologic imaging.
2. Plasmonic metal nanoparticles: basic principles of plasmonics in dielectric confined nanomaterials, dielectic confinement, plasmon resonance and size/environment effects. Optical properties vs. size and dimensionality. Hot carriers in nanoaterials. Plasmon enhanced Raman spectroscopy. Plasmon enhanced fluorescence. Coulomb blockade effect and the concept of charge quantization. Applications in thermotherapy and sensing.
3. Colloidal semiconductor nanocrystals (cahlcogenides and metal halide perovskites): Synthesis and surface chemistry, density of states in 3D and in 2-0 dimensional systems, electronic properties, excitonic (fine) structure, size an shape effects. Heterostructures and wave function engineering. Detailed photophysics, Electric transport. Doping and magnetic properties. Applications in LASERS, LEDs, bioimaging and energy technologies.
Detailed program
0. Introduction to Nantechnology:
- Hystory
- Health and safety aspects
- Regulations on nanomaterials
1. Metal Clusters:
- Synthesis approaches (top-down and bottom-up)
- Surface functionalization
-Electronic structure and size effects
- Photophysics and optical properties
- Optoelectronic devices, sensors and biomarkers based on metal clusters.
2. Plasmonic Nanoparticles
- Basic principles of plasmonics in low-dimensional systems
-Dielectric confinement
- Plasmonic resonance vs. size and envronment
- Coulomb blockade
- Plasmon ehnhanced Fluorescence
- Plasmon enhanced Raman scattering
- Hot carrier phenomena in metallic nanoparticles
- Applications in thermo-therapy and sensing
3. Colloidal Semiconductor Nanocrystals
- Colloidal synthesis, mechanisms
- Surface chemistry
- Electronic confinement and density of states in semiconductor nanostructures
- Electronic properties and exciton structure
- Size effects on the electronic properties
- Heterostructures: design criteria and synthesis aproaches
- Wavefunction engineering
- lead halide perovskite nanocrystals vs chalcogenides
- Doping
- Photophysics and magnetic properties
- Application in LASERS, LEDs, bioimaging and renewable energy technologies.
Prerequisites
Basic chemistry and chemical physics. Quantum mechanics, solid state physics.
Teaching form
Classroom lectures
Textbook and teaching resource
Books suggested by the lecturer, slides and review articles.
Semester
Second semester
Assessment method
Presentation by the candidate (20-25 minutes) on a subject of choice pertinent to the course and oral discussion.
Office hours
To be agreed with the professor.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Sergio Brovelli
