Syllabus del corso
Obiettivi
L'obiettivo generale è fornire gli strumenti per la descrizione e la misura delle proprietà ottiche dei solidi, come approfondimento di una parte della fisica dello stato solido.
Obiettivi più specifici dell'insegnamento sono:
- trattare la propagazione delle onde elettromagnetiche nei mezzi
- introdurre concetti e grandezze fisiche utili alla descrizione delle proprietà ottiche dei solidi, discutendo quelle dei diversi tipi di solidi
- discutere riflessione e trasmissione della luce da interfacce e film, spessi e sottili
- illustrare le principali tecniche di spettroscopia ottica e i principi di funzionamento degli strumenti
Contenuti sintetici
- Risposta dielettrica dei solidi
- Interfacce, film sottili e spettroscopia
- Strumentazione e tecniche di spettroscopia ottica
Programma esteso
Risposta dielettrica dei solidi
Richiami alle equazioni di Maxwell nel vuoto e nei mezzi; eq. delle onde; spettro elettromagnetico. La propagazione della luce nei mezzi; funzione dielettrica e indice di rifrazione complessi; legge di Lambert Beer. Tensore dielettrico e anisotropia; eq. delle onde nei mezzi anisotropi. Origine microscopica della risposta dielettrica; modelli di Lorentz e di Drude; relazioni di dispersione, relazioni di Kramers-Kronig, effetti di schermo, campo locale, equazioni di Lorentz-Lorenz e di Clausius-Mossotti. Modelli di Cauchy e di Sellmeier; teorie di mezzo efficace. Modello semiclassico per la risposta dielettrica. Tipica risposta di dielettrici, metalli, semiconduttori. Risposta ottica non lineare (cenni).
Interfacce e film
Interfacce, coefficienti di Fresnel, T e R a incidenza normale; angolo di Brewster. Riflessione totale interna, onda evanescente. Lamine spesse e film sottili; film trasparente, assorbente, anisotropo; film sottile su substrato. Interfacce multiple; multilayer e metodo delle matrici.
Tecniche e strumentazione
Sorgenti, elementi dispersivi, rivelatori; principi degli strumenti a trasformata di Fourier; misure di riflettanza e trasmittanza, strumenti a singolo e doppio raggio. Polarizzazione della luce (richiami); polarizzatori e lamine. Trasmittanza e riflettanza in luce polarizzata. Formalismo di Jones e principi della ellissometria spettroscopica. Spettroscopia di emissione continua e risolta in tempo. Spettroscopia Raman.
Prerequisiti
Elettromagnetismo classico e basi di fisica della materia e dello stato solido.
Modalità didattica
Lezioni frontali con esempi.
Materiale didattico
1. J. Peatross and M. Ware, Physics of Light and Optics (2015), disponibile gratuitamente al sito: optics.byu.edu
2. O. Stenzel, The Physics of Thin Film Optical Spectra (Springer, 2005)
3. G. Giusfredi, Manuale di ottica (Springer, 2015)
4. H. Kuzmany, Solid State Spectroscopy (Springer, 2009)
5. M. Fox, Optical Properties of Solids (Oxford University Press, 2010)
6. N.V. Tkachenko, Optical spectroscopy (Elsevier, 2006)
7. M. Born and E. Wolf, Principles of Optics (Pergamon Press, 1989)
8. F. Wooten, Optical Properties of Solids (Academic Press, 1972)
9. J. Garcia Solé, L.E. Bausà, and D. Jaque, An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids (Wiley, 2005)
10. E. Hecht, Optics (Addison Wesley, 2002)
NOTA: i testi 2, 3 e 4 sono scaricabili in formato pdf dal sito della biblioteca; il testo 1 è disponibile gratuitamente online.
Molti argomenti si trovano anche sulle Lectures on Physics di Feynman, di piacevole lettura: www.feynmanlectures.caltech.edu/
Sulla pagina elearning dell'insegnamento vengono rese disponibili, per circa 10 giorni, le registrazioni delle lezoni tenute in aula. Si intende come materiale di supporto per chi sia stato assente o desideri rivedere i propri appunti.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
II semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale.
Colloquio sugli argomenti svolti a lezione, a partire da un argomento scelto dallo studente.
Gli iscritti ai singoli appelli possono chiedere di posticipare di qualche giorno l'esame, in modo che tutti lo possano sostenere quando ben preparati. Per chi non chiede nulla, data, aula e orario dell'esame sono quelli fissati e pubblicati su "segreterie online".
Orario di ricevimento
Su appuntamento, scrivendo a: adele.sassella@unimib.it
Sustainable Development Goals
Aims
The main goal of the course is giving the tools for the description and measurement of the optical properties of solids, to complete the overall picture of solid state physics.
Specific aims of the course:
- discussing light propagation in solids
- introducing the proper concepts and physical quantities for the description of the optical properties of solids, discussing those of different solid materials
- presenting reflection and transmission at an interface and from thick and thin films
- illustrating the main optical spectroscopy techniques and the working principles of instruments
Contents
- Dielectric response of solids
- Interfaces, thin films and optical spectroscopy
- Instruments and techniques for optical spectroscopy
Detailed program
Dielectric response of solids
References to Maxwell's equations in vacuum and in the matter; wave equation; electromagnetic spectrum. The propagation of light in the matter; complex dielectric function and refractive index; dielectric tensor and anisotropy; wave equation in anisotropic media. Microscopic origin of the dielectric response; Lorentz and Drude models; dispersion relations, Kramers-Kronig relations, screen effects, local field, Lorentz-Lorenz and Clausius-Mossotti equations. Cauchy and Sellmeier models; effective medium theories. Semi-classical model for the dieletric response. Typical response of dielectrics, metals, semiconductors. Non linear optical response (elements).
Interfaces and films
Interfaces, Fresnel coefficient, T e R at normal incidence; Brewster angle. Total internal reflection, evanescent wave. Thick slabs and thin films; transparent, absorption, anisotropic film; film on a substrate. Multilple interfaces, multilayers and matrix method.
Techniques and instrumentation
Sources, dispersive elements,detectors; principles of Fourier transform instruments; measurements of reflectance, transmittance, absorbance, single and double beam instruments. Polarization of light (recalls). Transmittance and reflectance in polarized light. Jones formalism and principles of spectroscopic ellipsometry. Raman spectroscopy.
Prerequisites
Classical electromagnetism and basic concepts of condensed matter physics.
Teaching form
Lessons and examples.
Textbook and teaching resource
1. J. Peatross and M. Ware, Physics of Light and Optics (2015), available at optics.byu.edu
2. O. Stenzel, The Physics of Thin Film Optical Spectra (Springer, 2005)
3. G. Giusfredi, Manuale di ottica (Springer, 2015)
4. H. Kuzmany, Solid State Spectroscopy (Springer, 2009)
5. M. Fox, Optical Properties of Solids (Oxford University Press, 2010)
6. N.V. Tkachenko, Optical spectroscopy (Elsevier, 2006)
7. M. Born and E. Wolf, Principles of Optics (Pergamon Press, 1989)
8. F. Wooten, Optical Properties of Solids (Academic Press, 1972)
9. J. Garcia Solé, L.E. Bausà, and D. Jaque, An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids (Wiley, 2005)
10. E. Hecht, Optics (Addison Wesley, 2002)
NOTE: textbooks 2, 3 and 4 can be downloaded as pdf files from the library website; textbook 1 is also freely available.
Most topics can be found also in Lectures on Physics by Feynman, absolutely enjoyable: www.feynmanlectures.caltech.edu/
Semester
II semester
Assessment method
Oral exam.
Discussion about some of the subjects of the lectures, starting from a subject at choice.
Once registered, the students can ask for delaying the exam of a few days. Otherwise, date, hour, and room are the ones published in "segreterie online".
Office hours
Upon request, by e-mail: adele.sassella@unimib.it
Sustainable Development Goals
Staff
-
Adele Sassella
