Course Syllabus
Obiettivi
L'obiettivo generale è fornire gli strumenti per la descrizione e la misura delle proprietà ottiche dei solidi, a completamento del quadro generale 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
- discutere le proprietà ottiche dei diversi tipi di solidi
- illustrare le principali tecniche di spettroscopia ottica e i principi di funzionamento degli strumenti
Seguite le lezioni e superato l'esame, lo studente avrà appreso i concetti che consentono la descrizione della propagazione della luce nei mezzi (Conoscenze e capacità di comprensione) e dei fenomeni di interfaccia che avvicnano alla trattazione di tecniche sperimentali (Conoscenza e capacità di comprensione applicate). Sarà in grado di identificare il metodo più adatto per affrontare semplici misure (Autonomia di giudizio) e saprà utilizzare un linguaggio scientifico che gli consente di comunicare in modo rigoroso e appropriato i concetti appresi (Abilità comunicative).
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).
Spettroscopia
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. Spettroscopie di emissione e di emissione 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)
Molti argomenti si trovano anche sulle Lectures on Physics di Feynman, di piacevole lettura: www.feynmanlectures.caltech.edu/
NOTA: i testi 2, 3 e 4 sono scaricabili in formato pdf dal sito della biblioteca; il testo 1 è disponibile gratuitamente online.
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
La prof.ssa Sassella riceve gli studenti su appuntamento. Scrivere 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 the characteristic optical properties of different solid materials
- illustrating the main optical spectroscopy techniques and the working principles of instruments
By attending the lectures and successfully passing the exam, the student will have developed a solid understanding of the fundamental principles governing the propagation of light in various media (knowledge and understanding), as well as of the interface phenomena that form the basis for the study and implementation of experimental techniques (applying knowledge and understanding). The student will be able to critically assess and select the most appropriate methods for carrying out basic measurements (making judgements), and will be proficient in employing precise and rigorous scientific language to effectively communicate the acquired knowledge (communication skills).
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).
Spectroscopy
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. Time-resolved emission and emission spectroscopies. 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)
See also: The Feynman Lectures on Physics, at www.feynmanlectures.caltech.edu/
NOTE: textbooks 2, 3 and 4 can be downloaded as pdf files from the library website; textbook 1 is also freely available.
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
Prof. Sassella is available for meeting the students upon request by e-mail: adele.sassella@unimib.it
Sustainable Development Goals
Staff
-
Adele Sassella
