Course Syllabus
Obiettivi
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. Il corso è mutuato da Materials Science and Nanotechnology , ma è da molti anni seguito con profitto da molti studenti della laurea magistrale in Scienze e tecnologie chimiche interessati alla chimica dei materiali.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente conosce:
-la tipologia di difetti e il loro ruolo nelle proprietà dei materiali e dei semiconduttori in particolare
- le principali tecniche di caratterizzazione per identificare i difetti nei materiali e di superfici
- le relazioni tra i principali metodi di crescita di tipo bulk e di film sottili per semiconduttori e l’introduzione di difettualità nei materiali
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.
- comprendere 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 o difetto 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 e di identificazioni di difetti . Tecniche di crescita di materiali bulk (tecnica CZ) e di film epitassiali, correlazione proprietà, difettualità e tecnica di crescita.
Programma esteso
Difetti nei materiali: di punto e difetti estesi (dislocazioni, bordi grano, antiphase domains, stacking faults) e loro interazioni nei sistemi reali.
Superfici libere: elementi di cristallografia delle superfici. Rilassamento e ricostruzione delle superfici nel vuoto. Stima dell’energia superficiale.
Fenomeni di adsorbimento: fisisorbimento e chemisorbimento, modelli, termodinamica e cinetica dell’adsorbimento, isoterme di adsorbimento (isoterme di Languimir e di BET).
Principali metodi sperimentali di analisi delle superfici e della difettualità (Tecniche XPS, SIMS, DLTS, misure di BET).
Tecniche di crescita di materiali massivi (monocristallini e policristallini) con attenzione alla relazione tra difettualità e condizioni di crescita.
Tecniche di deposizione di film sottili (deposizione per evaporazione, processi di sputtering, crescite per Chemical Vapor Deposition, Epitassia da fasci molecolari , deposizione film Langmuir-Blodgett) e loro impatto sulla difettualità del materiale. Epitassia e dislocazioni di misfit. Criteri di scelta e di ottimizzazione dei processi.
Per ogni argomento verranno trattati diversi case studies. Particolare spazio verrà data alla tecnologia del silicio
Prerequisiti
Corsi di base di Chimica Fisica, Matematica I, Fisica Generale
Modalità didattica
16 lezioni da 2 ore in presenza di Didattica Erogativa. (Lezioni frontali in aula, ma integrate da strumenti multimediali di supporto funzionali ad una miglior comprensione degli argomenti trattati).
5 attività di esercitazione da 2 ore in presenza di Didattica Erogativa
3 attività da 2 ore in presenza di didattica interattività (presentazione e discussione di articoli scientifici)
Su richiesta motivata dell'intera classe (ad esempio parziale sovrapposizione di orari con altri corsi a scelta ) o nel caso di studente lavoratore potranno essere messa a disposizioni le registrazioni delle lezioni
Materiale didattico
Tutte le lezioni sono supportate da slides che possono essere scaricate dalla piattaforma e-learning.
I seguenti libri di testo, disponibili dalla biblioteca di Ateneo, sono suggeriti per l’approfondimento delle tematiche delle lezioni:
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.
U.W. Pohl, Epitaxy of semiconductors, Springer
Periodo di erogazione dell'insegnamento
1° anno secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La verifica del profitto si svolge attraverso un colloquio orale sugli argomenti svolti a lezione e di una presentazione da fare in classe . Essa 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. La votazione viene espressa in trentesimi con eventuale lode e valutata in base alla completezza e qualità delle risposte fornite dallo studente.
Gli studenti devono verso la fine del corso fare 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 physical chemistry of solid state, defects and surfaces with applicative issues in the science and technology of semiconductors.
Knowledge and understanding
At the end of the course the student knows:
- the kind of defects and their role on material properties with a focus on semiconductors
- the main characterization techniques for identification of defects and surface properties
- the relationship among the main growth processes for semiconductor (bulk material and thin films) and the defectivity of the materials
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
- understand how any growth techniques could introduce defects which can modify the material properties and the device related performances
- recognise the role and the importance of the defects in Materials 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 functionalities of the material he/she wants to achieve or investigate
- identify any contamination source or introduction of defects during the growth or fabrication of a device and the strategies to avoid or control it
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
At the end of the course, the student will be able to describe and to explain orally, with the appropriate language, the topics of the class and to sustain a contradictory on the basis of judgment abilities developed autonomously on scientific publications inherent to the class topics (see assessment modality)
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 (Cz technique) 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 faults) and their interactions.
Free-surfaces: elements of surface crystallography. Surface relaxation and reconstruction in vacuum. Estimate of surface energies.
Adsorption phenomena: physisorption and chemisorption, models, thermodynamics and kinetics of adsorption, adsorption isotherms (Langmuir and BET isotherms)
Principal methods and techniques of surface characterization and defectuality characterization (XPS, DLTS, SIMS, BET methods).
Growth techniques of bulk materials (single- and poly-cristalline). Relationship between growth conditions and defectuality.
Thin film deposition techniques (evaporation, sputtering, Chemical Vapour Deposition, Molecular Beam Epitaxy and their impact on material defectuality. Epitaxy and misfit dislocations. Criterions for selecting the appropriate growth method and process optimization.
Several case studies will be discussed for each topic. Particular space will be given to silicon technology
Prerequisites
Bachelor courses of Physical Chemistry, Matematics and General Physics
Teaching form
16 two-hour lectures, in person , Delivered Didactics (lessons supplemented by supporting multimedia tools functional to a better understanding of the practical aspects)
5 two-hour practical classes, in person : Delivered Didactics
3 two-hour seminar activities, in person : Interactive Teaching
Upon reasoned request of the entire class (for example partial overlap of timetables with other courses of choice) or in the case of a working student, recordings of the lessons may be made available
Textbook and teaching resource
The following textbooks, available from the UNIMIB library, are suggested for more extensive treatment of the class topics:
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.
U.W. Pohl, Epitaxy of semiconductors, Springer
Semester
First year, Second (spring) semester
Assessment method
The exam consists of an oral interview about the topics of the lessons and a class presentation . The teacher assesses if and to what extent the student has reached the course objectives by a formal knowledge-based evaluation of the student understanding and judgement on the general topics and applications. The grade is given on the scale of thirtieths, including the possible cum laude attribution, and is based on the degree of completeness and quality of the student replies.
The students must do at the end of the course 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
