Course Syllabus
Obiettivi
Il corso tratta i principi fisici delle proprietà dei semiconduttori molecolari. Cristalli molecolari e origini quantomeccaniche delle forze intermolecolari. Sistemi policoniugati a base di carbonio: anisotropia, proprietà a bassa dimensione. Semiconduttori polimerici.
Contenuti sintetici
ELECTRONIC STATES OF POLICONJUGATED MOLECULES AND POLYMERS.
EXCITED STATES IN MOLECULAR CRYSTALS.
ELECTROLUMINESCENCE AND LED DEVICES.
ORGANIC PHOTOVOLTAIC CELLS.
MOLECULAR ELECTRONICS AND PHOTONICS.
Programma esteso
STATI ELETTRONICI DI MOLECOLE E POLIMERI CONIUGATI: Modello a elettroni liberi, modello di Hueckel. Struttura a bande dei polimeri coniugati. Approssimazione monoelettronica: Hamiltoniana di Su-Shrieffer-Heeger. Interazione elettrone-fonone e lacuna di Peierls. Solitoni, polaroni, bipolaroni. Correlazione elettronica: Hamiltoniana di Hubbard.
PROPRIETÀ OTTICHE LINEARI: Assorbimento ed emissione di molecole coniugate. Coefficienti di Einstein e formula di Strickler-Berg. Singoli e triplette. Calcolo degli spettri ottici con il metodo del "tight binding". Calcolo degli elementi della matrice di transizione. Regola di Kasha. Processi non radiativi. Tempi di vita. Efficienza quantica della fotoluminescenza e sua misurazione.
STATI ECCITATI NEI CRISTALLI MOLECOLARI: Stati eccitati negli aggregati molecolari: classificazione degli eccitoni (Frenkel, trasferimento di carica, Wannier). Delocalizzazione ed energia di legame: confronto tra materiali organici e inorganici. Calcolo dell'energia degli eccitoni. Scissione di Davydov. Meccanismi di generazione degli eccitoni. Mobilità degli eccitoni. Trasferimento di energia coerente e incoerente. Trasferimento di energia di Foerster e Dexter. Antenna fotonica.
DISPOSITIVI DI ELETTROLUMINESCENZA E LED: Architettura di un dispositivo prototipo e diagramma dei livelli energetici. Iniezione e trasporto di carica. Generazione e ricombinazione di eccitoni. Microcavità.
ELETTRONICA E FOTONICA MOLECOLARE: Fisica e architettura dei diodi organici a emissione di luce (OLED). Raccolta della luce, separazione della carica e trasporto. Celle a semiconduttore organico e polimerico e loro architettura, separazione di carica: donatori e accettori. Etero-giunzione planare e "bulk". Efficienza. Celle solari sensibilizzate ai coloranti basate su celle fotoelettrochimiche (Graetzel). Ottimizzazione della raccolta della luce solare: Processi di "upconversion" e "downconversion". Laser basati su semiconduttori organici. Principi e uso di molecole organiche nelle tecniche di imaging a fluorescenza e di super-risoluzione. Macromolecole, biomolecole e supramolecole e loro significato in fisica, chimica e biologia. Impiego di molecole per le fotoreazioni in biologia.
Prerequisiti
Questo corso richiede una buona conoscenza della fisica quantistica (equazioni di Schroedinger tempo-indipendenti e tempo-dipendenti, teoria delle perturbazioni, regola aurea di Fermi), della struttura della materia (atomi, molecole e solidi) e alcune conoscenze di base di chimica organica.
Modalità didattica
Lezioni frontali, in presenza.
40 ore di didattica in presenza.
20 ore di didattica interattiva.
Materiale didattico
T. A. Skotheim, "Handbook of Conducting Polymers"
J. M. André et. al.," Quantum chemistry aided design of organic polymers"
M. Pope C. E. Swenberg, "Electronic processes in organic crystals"
Several review articles supplied by the lecturer
Periodo di erogazione dell'insegnamento
2° SEMESTRE
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Prova orale mira a verificare la capacità degli studenti di:
i) modellare e discutere le proprietà delle molecole e dei materiali organici
ii) analizzare i processi ottici ed elettronici che avvengono in questa classe di materiali; iii) descrivere il funzionamento, le peculiarità e i limiti dei dispositivi elettronici e fotonici organici.
Non sono previste prove parziali.
Orario di ricevimento
su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
The course deals with the physical principles of the properties of molecular semiconductors. Molecular crystals and quantum mechanic origins of the intermolecular forces. Carbon-based policonjugated systems: anisotropy, low-dimensional properties. Polymeric semiconductors.
Contents
ELECTRONIC STATES OF POLICONJUGATED MOLECULES AND POLYMERS.
EXCITED STATES IN MOLECULAR CRYSTALS.
ELECTROLUMINESCENCE AND LED DEVICES.
ORGANIC PHOTOVOLTAIC CELLS.
MOLECULAR ELECTRONICS AND PHOTONICS.
Detailed program
ELECTRONIC STATES OF POLICONJUGATED MOLECULES AND POLYMERS: Free-electron model, Hueckel’s model. Band structure of conjugated polymers. Monoelectronic approximation: Su-Shrieffer-Heeger hamiltonian. Electron-phonon interaction and Peierls’ gap. Solitons, polarons, bipolarons. Electronic correlation: Hubbard’s Hamiltonian.
LINEAR OPTICAL PROPERTIES: Absorption and emission of conjugated molecules. Einstein’s coefficients and Strickler-Berg’s formula. Singlets and triplets. Optical spectra calculation with the “tight binding” method. Calculation of transition matrix elements. Kasha’s rule. Non radiative processes. Lifetimes. Photoluminescence quantum efficiency and its measurement.
EXCITED STATES IN MOLECULAR CRYSTALS: Excited states in molecular aggregates: excitons classification (Frenkel, charge-transfer, Wannier). Delocalization and binding-energy: comparison between organic and inorganic materials. Calculation of the exciton energy. Davydov splitting. Exciton generation mechanisms. Exciton mobility. Coherent and incoherent energy transfer. Foerster’s and Dexter’s energy transfer. Photonics antenna.
ELECTROLUMINESCENCE AND LED DEVICES: Architecture of a prototype device and energetic levels diagram. Injection and charge transport. Exciton generation and recombination. Microcavities.
MOLECULAR ELECTRONICS AND PHOTONICS: Physics and architecture of organic light emitting diodes (OLEDs). Light harvesting, charge separation and transport. Organic and polymeric semiconductor cells and their architecture, charge separation: donors and acceptors. Planar and “bulk” heterojunction. Efficiency. Dye-sensitized solar cells based photo-electrochemical cells (Graetzel). Solar light harvesting optimization: “upconversion” and “downconversion” processes. Organic semiconductor-based lasers. Principles and use of organic molecules in fluorescence imaging techniques and super-resolution imaging. Macro-molecules, biomolecules and supermolecules and their meaning in physics, chemistry and biology. Employment of molecules for photoreactions in biology.
Prerequisites
This course requires a good knowledge of quantum physics (time-independent and time-dependent Schroedinger Equations, perturbation theory, Fermi golden rule), structure of matter (atoms, molecules and solids) and some basic knowledge of organic chemistry.
Teaching form
Face-to-face lectures, in presence.
40 hours of delivered didactics.
20 hours of interactive teaching.
Textbook and teaching resource
T. A. Skotheim, "Handbook of Conducting Polymers"
J. M. André et. al.," Quantum chemistry aided design of organic polymers"
M. Pope C. E. Swenberg, "Electronic processes in organic crystals"
Several review articles supplied by the lecturer
Semester
2nd SEMESTER
Assessment method
Oral test aimed to verify the capability of the students:
i) to model and discuss the properties of organic molecules and materials
ii) to analyze the optical end electronic processes occurring in this class of materials; iii) to describe the operation, peculiarities and limits of the electronic and photonic organic devices.
No partial tests are planned.
Office hours
By appointment
Sustainable Development Goals
Key information
Staff
-
Angelo Maria Monguzzi